廣西柳州頁巖氣東塘1井成膜防塌無固相沖洗液現(xiàn)場研究及應用

李明星 談 珂 聶 三

（廣西壯族自治區(qū)第四地質(zhì)隊，廣西 南寧 530000）

0 概述

東塘1井是《廣西柳州地區(qū)1∶5萬頁巖氣地質(zhì)調(diào)查》項目部署的頁巖氣調(diào)查井，該井設計為直井，設計完井井深931m，實際完井深度1224.65m，勘探層位為下石炭統(tǒng)羅城組、鹿寨組。東塘1井的鉆探目的是為了進一步研究并獲取柳州東部地區(qū)下石炭統(tǒng)鹿寨組頁巖氣成藏的地質(zhì)條件，具體如下。調(diào)查柳州東部地區(qū)早石炭世中早期臺溝相、潮坪-沼澤相等沉積相內(nèi)部富有機質(zhì)泥頁巖的發(fā)育情況，研究富有機質(zhì)層段的頁巖氣成藏的地質(zhì)條件；查明柳州東部地區(qū)下石炭統(tǒng)鹿寨組的巖性、沉積相及富有機質(zhì)有效泥（頁）厚度，獲取富有機質(zhì)泥頁巖段的頁巖氣相關參數(shù)。

1 地質(zhì)構(gòu)造

工作區(qū)位于桂中坳陷的東部，主要分布有海西—印支期構(gòu)造層，遍布整個研究區(qū)，主要由泥盆系、石炭系、二疊系及下三疊統(tǒng)組成，發(fā)育近南北向、北東向組為主的褶皺、斷裂發(fā)育。褶皺形態(tài)寬緩開闊，斷裂多具多期次活動特征。

研究區(qū)的構(gòu)造演化可分為3個階段，先后經(jīng)歷了裂谷海槽演化階段、大陸形成階段及濱太平洋大陸邊緣活動帶發(fā)展階段；時間上可劃分雪峰—加里東構(gòu)造旋回、海西構(gòu)造旋回、印支構(gòu)造旋回、阿爾卑斯構(gòu)造旋回（包括燕山構(gòu)造旋回及喜山構(gòu)造旋回）。

研究區(qū)受到燕山期、喜山期構(gòu)造運動的影響，石炭系以上地層受到強烈的剝蝕，在研究區(qū)內(nèi)出露的地層以泥盆、石炭系地層為主。本年度調(diào)查的目的層為下石炭統(tǒng)鹿寨組（C1lz）、寺門組（C1s）、英塘組（C1yt），兼顧中下泥盆統(tǒng)東崗嶺組（D2d）、四排組（D1-2s）、郁江組（D1y）地層。

2 地層簡介

通過鉆探實鉆地層劃分，本井鉆遇地層有：第四系；石炭系羅城組（C1l），鹿寨組三段（C1lz3）未穿，見表1。

東塘1井孔深0m～3.50m為第四系浮土層；3.50m～53.40m為下石碳統(tǒng)羅城組的生物碎屑灰?guī)r、灰?guī)r夾黑色薄層狀泥巖、灰?guī)r；53.40m～256.50m為下石碳統(tǒng)鹿寨組三段的鈣質(zhì)泥巖、黑色泥巖、生物碎屑灰?guī)r夾黑色薄層泥巖、黑色泥巖夾粉砂巖。

3 鉆井設備

該項目為頁巖氣調(diào)查井項目，設計鉆孔深度為東塘1井931m。因?qū)嶋H地層和設計地層有出入或地質(zhì)情況出現(xiàn)變化，有可能要求加深鉆井深度。投入HXY-8B立軸式鉆機一臺套，主要鉆井設備見表2。

4 井身結(jié)構(gòu)設計

4.1 井身結(jié)構(gòu)設計原則

井身結(jié)構(gòu)設計便于鉆井、完井的施工，以滿足獲取參數(shù)的需要；有效保護目的層位，使目的層位免受鉆井液的傷害；鉆井過程中避免漏、溢、涌、噴、塌、卡等井下復雜情況的發(fā)生；在保證鉆井質(zhì)量和保障安全前提下，盡可能簡化井身結(jié)構(gòu)，降低鉆井成本。滿足降低鉆井液環(huán)空壓力損失要求。

4.2 井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)工作區(qū)地質(zhì)特征及地質(zhì)調(diào)查井工程質(zhì)量要求，結(jié)合以往類似地層的施工經(jīng)驗，采用四開井身結(jié)構(gòu)（套管回收），具體方案如下。一開：Φ170mm口徑，孔深6.20m，下Φ168mm×7套管6.50m，水泥固井。二開：Φ145mm口徑，孔深77.60m，下Φ139.7mm×6.35套管75.00m，不固井。三開：Φ122mm口徑，孔深355.80m，下Φ114.3mm×6.35套管354.00m，套管底部水泥固井。四開：Φ99mm口徑，鉆進孔深982.00m，下Φ89mm×4.5反絲套管到982m，套管底部水泥固井。五開：Φ78mm口徑，裸孔鉆進孔深1224.65m。

5 分層鉆進技術

根據(jù)巖層情況及井身結(jié)構(gòu)要求，選用的鉆井方法及鉆具如下。

5.1 開孔鉆進

采用Φ170mm口徑鉆進，并穿過亞砂土層、伸入相對完整的灰?guī)r1m～2m。砂質(zhì)黏土層采用Φ170mm合金單管鉆具鉆進；灰?guī)r采用金剛石鉆頭鉆進。

5.2 裂隙、溶洞漏失層鉆進

采用SYZX-122繩索取心液動錘鉆具頂漏鉆進。鉆遇裂隙或溶洞漏失的羅城組灰?guī)r時，采用Φ139.7mm×6.35套管跟管鉆進，鉆穿漏失層；如鉆遇羅城組灰?guī)r漏失層較厚，跟管能力不足，則采用JS122繩索取心鉆具頂漏鉆進，鉆穿羅城組灰?guī)r，采用Φ122mm擴Φ145mm前導向擴孔鉆具擴孔，再下入Φ139.7mm×6.35套管，隔離漏失層。

5.3 新鮮基巖層鉆進

用JS122繩索取心鉆具鉆進至鹿寨組三段的石英砂巖，孔深250m～300m（具體深度視實際情況而定）；以下孔段則采用SYZX-96繩索取心液動錘鉆具鉆進至終孔。

5.4 破碎、取心難地層鉆進

采用繩索取心液動錘噴反鉆具、底噴隔水孕鑲金剛石鉆頭配合爪卡簧鉆進。

6 優(yōu)選鉆井液

6.1 鉆井液選擇原則

鉆井液要求低失水、低固相、低摩阻、攜帶及懸浮鉆屑能力強、防氣侵能力強、抑制性能強，防止井壁坍塌；鉆井液不能影響熒光錄井；做到含氣層保護、環(huán)境保護、鉆井安全的統(tǒng)一；盡可能減少鉆井液對機械、鉆桿和套管產(chǎn)生的腐蝕；金剛石繩索取心鉆進鉆桿與井壁的間隙小，環(huán)空流速高，壓力損失大，鉆桿內(nèi)通徑大、流速低，要求鉆井液須有良好的流變性，防止鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢、誘發(fā)鉆孔漏失。

6.2 沖洗液配方浸泡試驗對比

根據(jù)在用泥漿體系，選擇出2種沖洗液配方進行浸泡試驗對比，巖心樣品如圖1所示。

對巖心1進行了浸泡試驗，配制的沖洗液配方見表3；沖洗液性能見表4，浸泡試驗情況如圖2、圖3所示。

由表3、表4、圖2及圖3可以看出，2#沖洗液（成膜防塌無固相沖洗液）配方巖心浸泡試驗效果顯著。

6.3 現(xiàn)場應用分析

東塘1井于2016年9月5日開始，在256.50m～982.00m孔段，首次應用成膜防塌無固相沖洗液鉆進。鉆遇地層為下石碳統(tǒng)鹿寨組三段的鈣質(zhì)泥巖、黑色泥巖、生物碎屑灰?guī)r夾黑色薄層泥巖、黑色泥巖夾粉砂巖。部份鹿寨組三段地層極破碎，黑色泥巖為水敏、破碎不穩(wěn)定地層，如圖4所示。

圖1 巖心樣品圖

圖2 1#沖洗液配方浸泡試驗情況

表1 東塘1井地層分層數(shù)據(jù)表

表2 投入的主要鉆井設備一覽表

表3 配制沖洗液配方表

表4 配制沖洗液配方性能表

該套沖洗液為根據(jù)該公司東塘1井的巖心，進行浸泡試驗，最終對比分析后提供的沖洗液配比，對頁巖氣施工中的泥頁巖地層有較好的抑制性能。

但根據(jù)東塘1井982m前施工經(jīng)驗，存在以下缺點及不足：該沖洗液維護較困難，泥巖中鉆進，巖屑中的高嶺石、綠泥石、伊利石等成分會分散并進入沖洗液體系，導致無法沉淀及分離，最終使沖洗液黏度及相對密度越來越大，成膜效果越來越差，失水量越來越高，并且繩索取芯內(nèi)管打撈筒投放、打撈困難，嚴重影響施工進度，拖延工期。

6.4 改良沖洗液配比

因燒堿含鈉離子，起水化分散作用，不利于絮凝鉆屑，是沖洗液黏度增高的原因之一，采用氫氧化鉀代替燒堿，調(diào)節(jié)沖洗液的pH值；并把增黏劑GTQ的用量降低；配制成膜防塌體系基漿：清水+0.2%氫氧化鉀+5%成膜體系A劑+5%成膜體系B劑+0.2%包被劑BBJ+1%防塌潤滑劑GFT+1%封堵劑GFD-1，采用不同加量的增黏劑GTQ，成膜防塌休系無固相沖洗液試驗成果見表5。

委托北京探礦工程研究所，對成膜防塌無固相沖洗液和PVA1788成膜體系無固相沖洗液進行對比試驗。沖洗液配比見表6，沖洗液性能試驗成果見表7，巖樣浸泡試驗成果如圖6、圖7所示。

根據(jù)巖樣浸泡試驗成果，成膜防塌無固相沖洗液的抑制性能、維持孔壁穩(wěn)定的能力，比PVA1788成膜體系無固相沖洗液強，更適用于深孔特別復雜地層鉆進。

圖3 2#沖洗液配方浸泡試驗情況

圖4 東塘1井140～142回次孔深333.90m～339.40m巖心圖片

后期經(jīng)過摸索后，對該套沖洗液進行了適當調(diào)整，操作如下。①使用孔段：256.5m～1224.65m。②成膜防塌無固相鉆井液配比（優(yōu)化后）。具體為清水+0.1%～0.2%氫氧化鉀+5%成膜體系A劑+5%成膜體系B劑+0.5%～0.8%聚乙烯醇（PVA1788）+0.1～0.2%包被劑BBJ+0.5%～1%防塌潤滑劑GFT+0.2%～0.4%增黏劑GTQ+1%～2.5%封堵劑GFD-1+0.5%～1%無熒光潤滑劑（GLUB）。③配漿方法。第一步在清水中加入氫氧化鉀，待其溶解后加入成膜體系A劑和B劑攪拌5min～10min。第二步加入聚乙烯醇（PVA1788）、增黏劑GTQ、防塌潤滑劑、GFD-1攪拌15min左右；第三步加入包被劑攪拌10min～20min，待材料充分溶解后即可使用。

表5 成膜防塌休系無固相沖洗液現(xiàn)場試驗成果表

表6 配制沖洗液配方表

表7 配制沖洗液配方性能表

6.5 應用及效果

現(xiàn)場沖洗液配制及性能調(diào)節(jié)維護要求如下。①每配制1000L新漿加量：清水1000L+2kg氫氧化鉀+50kg成膜體系A劑+50kg成膜體系B劑+5kg～8kg聚乙烯醇（PVA1788）+2kg包被劑BBJ+10kg防塌潤滑劑GFT+4kg增黏劑GTQ+10kg封堵劑GFD-1+5kg～10kg無熒光潤滑劑（GLUB）。相對密度1.06～1.08，塑性黏度PV：5mPa·s～8mPa·s，API濾失量6mL～10mL，pH值：10～12。②控制API濾失量6mL～10mL，每攪拌400L原漿加量，原漿400L+8.5kg成膜A劑+8.5kg成膜B劑+2～3kg聚乙烯醇（PVA1788）+0.8kg包被劑BBJ+4kg防塌潤滑劑GFT+4kg封堵劑GFD-1。待攪拌機中的原漿與加入的泥漿處理劑攪拌均勻后，倒入泥漿池中再人工攪拌均勻，直到泥漿池中的漿液API濾失量達6mL～10mL。③控制固相含量及漿液相對密度1.06～1.10，每攪拌400L原漿加量，原漿400L+0.8kg包被劑BBJ。

圖6 1#沖洗液配方浸泡試驗情況

圖7 2#沖洗液配方浸泡試驗情況

待攪拌機中的原漿與加入的泥漿處理劑攪拌均勻后，倒入泥漿池中再人工攪拌均勻，每班酌情添加，但必須控制泥漿池中的漿液塑性黏度不得增加大于0.5mPa·s。④控制pH值10～12，每攪拌400L原漿加量，原漿400L+0.8kg氫氧化鉀。待攪拌機中的原漿與加入的泥漿處理劑攪拌均勻后，倒入泥漿池中再人工攪拌均勻，直到泥漿池中的漿液pH值達10～12。⑤地層漏水或地層破碎時，封堵裂隙，每攪拌400L原漿加量，原漿400L+4kg～10kg封堵劑GFD-1。待攪拌機中的原漿與加入的泥漿處理劑攪拌均勻后，倒入泥漿池中再人工攪拌均勻，漏失解除后，每班酌情添加。⑥提高塑性黏度至5mPa·s～8mPa·s，每攪拌400L原漿加量，原漿400L+1.6kg增黏劑GTQ。待攪拌機中的原漿與加入的泥漿處理劑攪拌均勻后，倒入泥漿池中再人工攪拌均勻，直到泥漿池中的漿液塑性黏度達5mPa·s～8mPa·s。⑦提高沖洗液潤滑性能，每調(diào)節(jié)1000L原漿加量，原漿1000L+5～10kg高效潤滑劑GLUB。從鉆桿內(nèi)加入，每班酌情添加。通過優(yōu)化，該沖洗液維護相對方便，具有高效的潤滑性能，較強的抑制性、護壁性能，并且繩索取芯內(nèi)管打撈筒能夠輕松投放，未出現(xiàn)取芯內(nèi)管打撈及投放困難現(xiàn)象。

7 結(jié)語

東塘1井鉆孔開孔口徑為170mm，終孔孔徑為77mm。全孔巖心平均采取率為98.82%，巖礦心的采取率較高，孔深孔斜無超差，簡易水文測量達到要求，封孔質(zhì)量較好，鉆探工程各項指標質(zhì)量滿足要求。設計完井井深931m，后因地質(zhì)原因，要求鉆井加深，實際完井深度1224.65m，使用優(yōu)化后的成膜防塌無固相沖洗液后，東塘1井得以順利完鉆，達到了預期的鉆井目的。