皖南地2 井鉆井液工藝技術(shù)

孫輝正，張強(qiáng)

（安徽省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，安徽蕪湖 241006）

0 引言

皖南地2 井全稱為“安徽南陵地區(qū)二疊系頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井皖南地2 井鉆測錄工程”，是中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心在南陵凹陷部署的第一口二疊系頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，由安徽省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)承擔(dān)鉆探任務(wù)。該井從埋深適合的南陵凹陷后緣入手，全井使用繩索系列S95 鉆具和繩索取心技術(shù)進(jìn)行取心，設(shè)計(jì)井眼尺寸為98 mm，井深為1 900 m，井型為直井。計(jì)劃通過該井獲取南陵凹陷二疊系頁巖氣地質(zhì)條件參數(shù)，鉆取設(shè)計(jì)深度巖心，實(shí)施頁巖氣測錄和地質(zhì)編錄工作，開展沉積環(huán)境、層序和頁巖氣綜合評(píng)價(jià)研究。

皖南地2 井可參考的地質(zhì)資料十分有限，實(shí)際鉆遇地層十分復(fù)雜且?guī)r性等變化快，通過不斷改進(jìn)鉆井液技術(shù)措施解決了表層造漿、巨厚礫石層護(hù)壁困難發(fā)生坍塌、灰?guī)r漏失、鉆井液變質(zhì)快等一系列難題，實(shí)際完鉆井深為2 011.52 m，完鉆地層為二疊系南陵湖組。

1 工程概況

1.1 工區(qū)地質(zhì)概況

皖南地2 井位于皖南山區(qū)與沿江平原的過渡地帶，地跨揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)及華南褶皺系兩大構(gòu)造單元，北部屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)，南部屬華南褶皺系。自上而下鉆遇2 個(gè)時(shí)代（新生代、中生代），3 個(gè)層系（第四系、白堊系、三疊系）[1]，17 種巖性（砂質(zhì)黏土、泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、含礫粉砂巖、含礫細(xì)砂巖、砂礫巖、礫巖、灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r、蠕蟲狀灰?guī)r、巖屑灰?guī)r）。地層劃分自上而下依次為第四系（Q），白堊系赤山組（K2c）和浦口組（K1p），三疊系南陵湖組（T1n）（未穿）。

1.2 井身結(jié)構(gòu)

該井設(shè)計(jì)為三開井，井身結(jié)構(gòu)見表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)表Table 1. Well structure

1.3 主要機(jī)具及設(shè)施

全孔使用S89 mm 繩索取心鉆桿，選擇XY 8 立軸式鉆機(jī)，配備有水剎車和擰管機(jī)。鉆井液泵為NBB 390/15 型，最大工作流量為390 L/min，額定壓力為11 MPa；鉆塔為API 4F 100T，塔高為27 m，承載力為100 t；動(dòng)力來源為380V 高壓電?，F(xiàn)場鉆井液槽長度為25 m，截面規(guī)格為400 mm×500 mm，中間分布2 個(gè)容積為1.5 m3沉淀坑，鉆井液池的有效容積為12.5 m3，廢漿池容積約為50 m3。同時(shí)，配置了振動(dòng)篩、旋流除砂器和除泥器等固控設(shè)備。保證所有的循環(huán)鉆井液均流經(jīng)振動(dòng)篩，所用篩網(wǎng)目數(shù)為100 目[2]。其他輔助設(shè)備配置要求按標(biāo)準(zhǔn)配備。

2 鉆井液

由于繩索取心工藝鉆井時(shí)環(huán)空間隙很小、鉆井液返速快、鉆具回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高，鉆井液需保持低的固相含量和良好的流變性。因此，選擇不分散低固相聚合物鉆井液體系（簡稱雙聚鉆井液）作為皖南地2井全井段鉆井液，發(fā)揮其固相含量低、密度小、流變性良好、泥餅質(zhì)量高、對巖心及目的層的損害小等優(yōu)點(diǎn)[3～5]，以高黏、中切、低密度、壓穩(wěn)不漏、穩(wěn)定鉆進(jìn)為原則。

開鉆時(shí)采用清水鉆進(jìn)，2d后替換為雙聚鉆井液鉆進(jìn)，基礎(chǔ)配方為：清水＋0.5%~3%膨潤土＋0.1%~0.2%純堿＋0.1%~0.3%聚丙烯酰胺（PHP）＋0.5%~1.0%聚丙烯腈鈉鹽（Na-HPAN）＋1%~2%防塌防卡劑＋1%~2%高黏防塌劑＋1%~5%復(fù)合型廣譜護(hù)壁劑（GSP）＋0.3%~0.5%低黏纖維素（CMC-LV）+高效潤滑劑。此配方聚丙烯酰胺（PHP）加量較大，著重體現(xiàn)聚丙烯酰胺（PHP）顆粒浸泡攪拌后水解伸展開的聚丙烯酰胺分子的絮凝作用和部分未水解分子的黏連作用，鉆進(jìn)時(shí)不斷清理出泥漿槽中絮狀巖屑沉積，保持泥漿清潔的同時(shí)在井下能形成薄而韌的泥皮，繩索鉆進(jìn)使用效果良好，未出現(xiàn)鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮和泥包鉆頭等情況。

2.1 主要處理劑

以部分水解聚丙烯酰胺（PHP）和部分水解水解聚丙稀腈鈉鹽（Na-HPAN）為主要處理劑，它們可選擇性絮凝除掉劣質(zhì)土和巖屑，而對優(yōu)質(zhì)造漿黏土作用較弱[5]。搭配復(fù)合型廣譜護(hù)壁劑（GSP）、防塌防卡劑、高黏防塌劑，輔以低黏纖維素（CMC-LV）和高效潤滑劑。配置的鉆井液比重合適，黏度切力高，失水量小，pH 低，總體上穩(wěn)定易維護(hù)、對地層影響小、高效鉆進(jìn)無事故。

2.2 性能指標(biāo)

該井使用的雙聚鉆井液主要性能指標(biāo)見表2。

表2 雙聚鉆井液主要性能指標(biāo)Table 2. Main performance indexes of non-dispersed low solid polymer drilling fluid

3 施工難點(diǎn)及鉆井液對策

皖南地2井鉆遇地層極其復(fù)雜，主要表現(xiàn)為強(qiáng)造漿、掉塊坍塌、強(qiáng)破碎有漏失，繩索取心鉆探施工難度極大。

3.1 表層造漿嚴(yán)重

井段為0～702.04 m，除開鉆前2 d 清水鉆進(jìn)新地層外，開孔鉆井液性能維持為設(shè)計(jì)值下限。后續(xù)發(fā)現(xiàn)因進(jìn)尺較快、地層膠結(jié)強(qiáng)度低，需不斷補(bǔ)充降濾失劑進(jìn)行護(hù)壁，防止掉塊形成井眼大肚子，以保證下部井眼垂直度。本段上部為新地層，下部為泥質(zhì)粉（細(xì)）砂巖，泥質(zhì)含量很高，劣質(zhì)固相大量進(jìn)入鉆井液中，8 h內(nèi)鉆井液黏度和切力值即可翻倍，鉆井液整體已呈暗紅色，造成頂端第一至第五根鉆桿內(nèi)壁結(jié)厚泥皮3次，無法完成取心操作，嚴(yán)重影響了正常鉆進(jìn)。

采取措施主要有：降低膨潤土和護(hù)壁劑加量，增加聚丙烯酰胺（PHP）加量控制分散，配方為：清水＋1% 膨潤土＋0.1% 純堿＋0.3% 聚丙烯酰胺（PHP）＋0.7%水解聚丙稀腈鈉鹽（Na-HPAN）＋1%防塌防卡劑＋1%高黏防塌劑＋3%復(fù)合型廣譜護(hù)壁劑（GSP）＋0.3%低黏纖維素（CMC-LV）；日常維護(hù)時(shí)確保密度不超過1.04 g/cm3，固相含量低于2%，含砂量低于2%；50%除泥器使用和每2 h 清理鉆井液槽沉砂1 次。配合降低鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，投內(nèi)筒前用大泵量沖洗10 min等工藝，有效控制了地層造漿和結(jié)泥皮問題。

3.2 巨厚礫石層坍塌

井深為706.02～1 545.22 m，本井段很長且全為98 mm 裸眼。鉆遇礫石層厚度超過800 m，礫石磨圓好，礫石間泥質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)度弱，且夾有0.3～2 m 的砂巖夾層，如圖1所示，巖心地面放置1 d后即膨脹散開，判斷地層極易出現(xiàn)掉塊、垮塌。實(shí)際鉆進(jìn)中2 次出現(xiàn)井口返出巖屑猛然增多、各種巖性巖屑混雜、鉆井液返速下降現(xiàn)象，電測發(fā)現(xiàn)在870 m 處出現(xiàn)鉆井大肚子，高度約為4.7 m，體積約為2.1 m3，井徑擴(kuò)大率最大為1 157%，本段下部也常見掉塊引起的起鉆遇卡、下鉆不到底現(xiàn)象。

圖1 已膨脹散開的巖心Figure 1. The expanded and loosened core

本段對鉆井液性能調(diào)整幅度較大，增加膨潤土加量，以提高鉆井液比重，增強(qiáng)對地層的支撐作用，加強(qiáng)對膠結(jié)處泥質(zhì)成分的抑制和提高鉆井液的造壁護(hù)壁能力。配方為：清水＋3%膨潤土＋0.2%純堿＋0.3%聚丙烯酰胺（PHP）＋0.5%水解聚丙稀腈鈉鹽（Na-HPAN）＋1%防塌防卡劑＋2%高黏防塌劑＋3%復(fù)合型廣譜護(hù)壁劑（GSP）＋0.5%低黏纖維素（CMC-LV）。日常維護(hù)使用較多的聚丙烯酰胺（PHP）和高黏防塌劑，控制密度為1.05~1.06 g/cm3，漏斗黏度為25~28 s，美國石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 不超過5 mL/30 min。監(jiān)控井口出砂情況和鉆井液池液面高度。結(jié)合降低鉆具上提速度、降低鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、稠漿灌孔、勤劃眼修整井壁等工藝措施，有效解決了此段巨厚礫石層掉塊、垮塌問題。

3.3 強(qiáng)破碎灰?guī)r漏失

繼續(xù)鉆進(jìn)傾角為40°的灰?guī)r，存在較多的揉皺、瘤狀構(gòu)造，可見厘米級(jí)孔洞，地層破碎嚴(yán)重，如圖2 所示。1 680~1 765 m井段出現(xiàn)鉆井液漏失現(xiàn)象，最大漏失速度約為2.3 m3/h，總漏失量約為22.5 m3，判斷為輕微漏失，但漏失總量已超過可循環(huán)鉆井液體積，且即將達(dá)到設(shè)計(jì)完井深度，機(jī)具負(fù)荷大，對鉆井液的要求更高。

圖2 強(qiáng)破碎的灰?guī)rFigure 2. Strongly broken limestone core

本段處理措施為每次停機(jī)打撈內(nèi)管前泵入約0.5m3添加5%膨潤土和5%護(hù)壁劑的稠漿至井底，開泵時(shí)先小排量循環(huán)至稠漿出井再鉆進(jìn)，直至確定地層不再漏失?，F(xiàn)場還預(yù)備了2 t堵漏鋸末、2 t膨潤土和1 t水泥干粉，并聯(lián)系了附近堵漏材料廠家，做好出現(xiàn)大漏失預(yù)防措施。繼續(xù)鉆進(jìn)至2 011.52 m完鉆未再出現(xiàn)漏失。

3.4 鉆井液變質(zhì)快

皖南地2 井鉆遇地層變化快，對鉆井液性能要求高，鉆井液調(diào)整頻繁，鉆井液變質(zhì)快。本著綠色環(huán)保、節(jié)約高效、多次少量的原則，當(dāng)鉆井液性能變化大、維護(hù)困難時(shí)先抽取2個(gè)沉淀池約2.5 m3至廢漿池，抽取廢漿池上層清液配置新漿加入；起鉆前抽取廢漿池中部鉆井液加少量處理劑作灌孔漿使用；下部固相含量嚴(yán)重超標(biāo)無法利用的廢漿交由專業(yè)公司轉(zhuǎn)移作無害化處理，大幅度減少了全部更換新漿次數(shù)，縮短了輔助時(shí)間。變質(zhì)泥漿的調(diào)整遵循“逐步到位、先降黏后增黏、充分混合”的原則[6]，最大限度發(fā)揮處理劑性能從而延長鉆井液壽命，有效解決了鉆井液變質(zhì)快的難題。

4 結(jié)語

皖南地2 井使用鉆井液以雙聚鉆井液為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮聚丙烯酰胺（PHP）等處理劑的特點(diǎn)，根據(jù)地層性質(zhì)不斷進(jìn)行調(diào)整，采取了一系列工藝技術(shù)措施，有效解決了造漿、坍塌、漏失等難題，保證了順利完井。最終，全井巖心采取率為99.03%，采取質(zhì)量均達(dá)到優(yōu)質(zhì)，終孔頂角為2.33°，純鉆進(jìn)時(shí)間率達(dá)到45.1%。該孔的成功經(jīng)驗(yàn)正在其他鉆孔推廣使用，在今后勘探施工中也會(huì)繼續(xù)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)先進(jìn)的鉆井液技術(shù)，更好更快地提高鉆進(jìn)效率，為同類項(xiàng)目鉆探施工中鉆井液的使用提供參考和借鑒。