桂中坳陷頁巖氣地質(zhì)調(diào)查桂柳地1井鉆井技術(shù)

李明星，蒙學(xué)禮，王嘉瑤，楊明仙

（廣西壯族自治區(qū)第四地質(zhì)隊(duì)，廣西 南寧 530031）

0 引言

頁巖氣作為國家能源安全的重要組成部分，是一項(xiàng)有望改變我國能源結(jié)構(gòu)、改變我國南方省份缺油少氣格局［1］的重要能源，在保障國家能源安全、優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。

2015年，廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院于柳州市魚峰區(qū)雒容鎮(zhèn)部署了東塘1井，該井位于宜山斷坳鹿寨向斜，以下石炭統(tǒng)鹿寨組為主要目的層，開孔層位為下石炭統(tǒng)羅城組（C1l），完鉆層位為鹿寨組三段，完鉆井深2004.8 m。鉆至302.3～355.8 m時，細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖巖心中的裂隙及砂泥層理面中均有不同程度的氣泡冒出，點(diǎn)火后火焰高度達(dá)1.2 m。東塘1井鹿寨組三段均有氣測顯示，氣測全烴最高達(dá)26.55%，其中含甲烷最高26.40%。經(jīng)測井分析發(fā)現(xiàn)有18個含氣層段，總厚度275 m。總體來看，雒容頁巖氣有利區(qū)下石炭統(tǒng)地層從物性、有機(jī)地化及含氣性上均有很好的勘探前景。

桂柳地1井是“廣西柳州市雒容頁巖氣有利目標(biāo)區(qū)地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目部署的頁巖氣調(diào)查井，本項(xiàng)目是根據(jù)廣西壯族自治區(qū)國土資源廳“2017年廣西找礦突破戰(zhàn)略行動地質(zhì)礦產(chǎn)勘查項(xiàng)目”而設(shè)立的，目的是查明柳州東部雒容有利區(qū)下石炭統(tǒng)鹿寨組的巖性、沉積相及富有機(jī)質(zhì)有效泥（頁）厚度，含氣性，獲取富有機(jī)質(zhì)泥頁巖段的頁巖氣相關(guān)參數(shù)。

1 地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造概況

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(yùn)動的影響，石炭系以淺地層受到強(qiáng)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。

1.2 工程布置

桂柳地1井部署在東塘1井南西約1.5 km處，屬于柳州魚峰區(qū)雒容鎮(zhèn)（圖1）。區(qū)內(nèi)多為峰林谷地區(qū)，是典型的喀斯特地貌。

圖1 地質(zhì)調(diào)查井井位地理位置Fig.1 Geological survey well location map

桂柳地1井設(shè)計為直井，設(shè)計井深2350 m，基巖段全取心，同步開展錄井、測井、固井及鉆井評價等配套工作。目的是為了進(jìn)一步研究并獲取柳州東部雒容有利區(qū)下石炭統(tǒng)鹿寨組頁巖氣成藏的地質(zhì)條件，具體有：調(diào)查柳州東部雒容有利區(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(jī)質(zhì)泥頁巖的發(fā)育情況，研究富有機(jī)質(zhì)層段的頁巖氣成藏的地質(zhì)條件；查明柳州東部雒容有利區(qū)下石炭統(tǒng)鹿寨組的巖性、沉積相及富有機(jī)質(zhì)有效泥（頁）厚度，查明其含氣性，獲取富有機(jī)質(zhì)泥頁巖段的頁巖氣相關(guān)參數(shù)，為圈定勘查靶區(qū)提供依據(jù)。

1.3 地層情況

通過鉆探實(shí)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），鹿寨組二段（C1lz2），鹿寨組一段（C1lz1），五指山組（D3w），如表1所示。

表1 桂柳地1井分層情況Table 1 Lithology at Well Guiliudi-1

2 鉆井工程概況

2.1 鉆井質(zhì)量指標(biāo)及技術(shù)要求［2］

要求全井段取心，全井套管，設(shè)計最大井深為2350 m，井身設(shè)計不少于三開，終孔直徑≮95 mm。鉆井技術(shù)要求見表2。

表2 桂柳地1井鉆井技術(shù)要求Table 2 Drilling specification for Well Guiliudi-1

2.2 鉆井設(shè)備

采用HXY-8B型立軸式鉆機(jī)施工，充分考慮了地層的復(fù)雜情況及鉆機(jī)處理卡、埋鉆事故的能力［3-4］，現(xiàn)場設(shè)置有效容積≥15 m3泥漿池1個；近孔口設(shè)置容積0.5～1.0 m3的脫氣池1個；設(shè)置于循環(huán)槽拐彎處容積≥2 m3主沉淀池1個、副沉淀池2個；離心機(jī)架設(shè)在主沉淀池旁。沖洗液經(jīng)脫氣池、主沉淀池、離心機(jī)、副沉淀池，最終流回泥漿池；循環(huán)槽長度≥15 m。另外設(shè)置有效容積≥5 m3的加重泥漿池1個，用于儲存調(diào)配好的加重泥漿。桂柳地1井施工現(xiàn)場如圖2所示。主要投入鉆井設(shè)備如表3所示。

表3 桂柳地1井鉆井設(shè)備配置Table 3 Drilling equipment for Well Guiliudi-1

圖2 桂柳地1井施工現(xiàn)場Fig.2 Well Guliudi-1 drilling site

2.3 井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)地層特點(diǎn)及地質(zhì)要求，在保證鉆井質(zhì)量和安全前提下，盡可能簡化井身結(jié)構(gòu)，降低鉆井成本［5-10］。實(shí)際井身結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 桂枊地1井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)Fig.3 Actual wellbore structure of Well Guiliudi-1

一開：?220 mm口徑，井深32.55 m，下入?219 mm×7 mm套管31.52 m，并采用水泥固井，安裝2FZ18-35型液動雙閘板防噴器。

二開：?175 mm口徑，井深389.18 m，下入? 168 mm×7 mm直連套管388.11 m。

三開：?150 mm口徑，井深835.55 m，下入? 139.7 mm×6.35 mm直連套管834.88 m，套管底部采用水泥固井。

四開：?122 mm口徑，井深1481.15 m，下入? 114.3 mm×6.35 mm反絲直連套管1480.28 m。

五開：?95 mm口徑，裸孔鉆進(jìn)至終孔井深2004.80m。

2.4 鉆進(jìn)方法

一開開孔鉆進(jìn)：采用?122 mm硬質(zhì)合金單管鉆具開孔鉆進(jìn)，鉆進(jìn)15 m并穿過第四系殘坡積粘土層、伸入相對完整的基巖后，采用?122 mm擴(kuò)?150 mm、?150 mm擴(kuò)?175 mm、?175 mm擴(kuò)?200 mm三級前導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆具擴(kuò)孔，下入?194 mm×8 mm井口管，并采用水泥固井。

二開鉆進(jìn)：一開下入?194 mm×8 mm井口管后，再下入?168 mm×6.5 mm套管、?139.7 mm×6.35 mm套管作導(dǎo)向，然后，采用PQ122繩索取心鉆具鉆進(jìn)至孔深389.18 m，起拔?139.7 mm×6.35 mm套管和?168 mm×6.5 mm套管；采用?122 mm擴(kuò)?150 mm、?150 mm擴(kuò)?175 mm二級前導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆具擴(kuò)孔，擴(kuò)孔至389.18 m入新鮮或相對完整基巖≥2 m后，再下入帶雙層套管靴的?168 mm×6.5 mm套管，套管底部采用水泥固井。

三開鉆進(jìn)：二開下入帶雙層套管靴的?168 mm×6.5 mm套管后，再下入?139.7 mm×6.35 mm套管作導(dǎo)向，然后采用PQ122繩索取心鉆具鉆進(jìn)至孔深835.18 m，起拔?139.7 mm×6.35 mm套管；采用?122 mm擴(kuò)?150 mm前導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆具擴(kuò)孔，擴(kuò)孔至835.18 mm入相對完整基巖≥2 m后，再下入? 139.7 mm×6.35 mm套管，套管底部采用水泥固井。

四開鉆進(jìn)：三開下入?139.7 mm×6.35 mm套管后，采用PQ122繩索取心鉆具鉆進(jìn)至孔深1481.15 m，下入?114.3 mm×6.35 mm反絲直連套管，套管底部采用水泥固井。

五開完井鉆進(jìn)：四開下入?114.3 mm×6.35 mm反絲直連套管后，采用CHD98繩索取心液動錘鉆具鉆進(jìn)至完井井深2004.80 m。

3 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鉆頭選型

桂柳地1井自34.14 m開始使用?122 mm孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至1481.15 m，?122 mm口徑累計進(jìn)尺1447.01 m，共使用13個鉆頭，平均每個鉆頭進(jìn)尺111.31 m；自1481.15 m開始使用?99 mm孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至2004.80 m，?99 mm口徑累計進(jìn)尺523.65 m，共使用6個鉆頭，平均每個鉆頭進(jìn)尺87.3 m；全孔累計使用鉆頭19個，平均每個鉆頭進(jìn)尺103.72 m，平均鉆進(jìn)時間89.21 h，平均時效1.25m，平均回次數(shù)39回次，平均回次進(jìn)尺2.76 m。單鉆頭最高進(jìn)尺達(dá)到了318.25 m。進(jìn)尺超100 m的鉆頭占比42%。桂柳地1井進(jìn)尺超100 m的鉆頭使用情況詳見表4。

表4 桂柳地1井進(jìn)尺超100 m的鉆頭使用情況Table 4 Usage of bits with footage exceeding 100m at Well Guiliudi-1

依據(jù)現(xiàn)場原始班報表統(tǒng)計，全孔所使用鉆頭均達(dá)到了較高的壽命，但是鉆時過高，平均時效較低。在正確選擇鉆頭的情況下，鉆井效率和鉆頭壽命取決于鉆井參數(shù)和鉆井技術(shù)。鹿寨組地層巖性主要為硅質(zhì)灰?guī)r、泥巖、砂巖等軟硬互層，“鉆速差”作用明顯，鉆孔防斜要求嚴(yán)峻，采用減壓鉆進(jìn)，但鉆孔掉塊、超徑處或孔壁局部會出現(xiàn)拐點(diǎn)，巖屑重力效應(yīng)等導(dǎo)致攜巖困難，巖屑床難以清除，進(jìn)一步增加了摩阻、扭矩，鉆進(jìn)時無法準(zhǔn)確判定鉆頭的實(shí)際工作鉆壓，是造成鉆時過高、平均時效較低的原因之一。隨著孔深加深，HXY-8B型巖心鉆機(jī)卡盤夾持力不足，采用夾持器和卷揚(yáng)機(jī)減壓鉆進(jìn)，給進(jìn)壓力不均勻，應(yīng)是造成時效較低的客觀原因之一；鉆進(jìn)參數(shù)和鉆井技術(shù)的選擇、配合不適應(yīng)此類巖層，鉆進(jìn)泥巖時，表現(xiàn)為“糊鉆”、“泥包”，也是造成鉆時過高、平均時效較低的原因之一。

3.2 鉆進(jìn)參數(shù)選擇

本工作區(qū)采用繩索取心鉆進(jìn)為主，選用孕鑲金剛石鉆頭，可鉆性5～7級巖石選用單位壓力為40～60 kg/cm2，可鉆性8～9級巖石選用單位壓力為60～75 kg/cm2。經(jīng)計算并結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，鉆進(jìn)參數(shù)按表5選擇。

表5 鉆進(jìn)參數(shù)選擇Table 5 Drilling parameters

3.3 鉆井液技術(shù)

要求鉆井液低失水、低固相、低摩阻、攜帶及懸浮鉆屑能力強(qiáng)、防氣侵能力強(qiáng)、抑制性能強(qiáng)，防止井壁坍塌；不能影響熒光錄井；做到含氣層保護(hù)、環(huán)境保護(hù)、鉆井安全的統(tǒng)一［11］。

鹿寨組泥巖以黑色泥巖與砂巖混層為主，大部分地層破碎至極破碎，黑色泥巖為水敏、破碎不穩(wěn)定地層，鉆探效率低，裸孔鉆進(jìn)時間過長，破碎的泥巖水敏地層遇水膨脹，孔壁失穩(wěn)，極易發(fā)生鉆孔超徑、坍塌。全孔選用PVA1788無固相沖洗液體系，配方為：1 m3清水+0.5～0.8 kg水解聚丙烯酰胺PHP+7～15 kg聚乙烯醇PVA1788+7～20 kg廣譜護(hù)壁劑GSP+25～50 kg成膜A劑+0～20 kg封堵劑GFD-1+0～2 kg氫氧化鉀KOH。在鉆進(jìn)過程中視鉆井液性能和地層穩(wěn)定情況，加入防塌潤滑減阻劑GFT，以保持鉆井液性能穩(wěn)定。

鹿 寨 組 三 段（C1lz3）的 黑 色 泥 巖，551.05～556.85 m巖心情況詳見圖4。

圖4 551.05～556.85 m(211～213回次)巖心Fig.4 Cores from 211 to 213 runs at depth from 551.05 to 556.85m

注意事項(xiàng)：打撈內(nèi)管總成及提大鉆時，必須向井內(nèi)回灌鉆井液，使孔內(nèi)鉆井液面基本保持在孔口的附近，使泥漿柱壓力與地層壓力趨于平衡，避免孔塌、嚴(yán)重超徑、鉆井液攜帶鉆屑不暢。在孔口密封器回水閥出口設(shè)置回灌接頭，與泥漿泵回水管連接，在打撈內(nèi)管總成或提大鉆時，向孔內(nèi)回灌鉆井液。

4 取得的鉆井成果［12-13］

桂柳地1井鉆孔開孔口徑220 mm，終孔口徑99 mm，實(shí)際完井深度2004.80 m，是廣西實(shí)施的最深小口徑繩索取心頁巖氣鉆井。

4.1 鉆井周期

鉆井周期242 d（含測井、固井等時間），純鉆時間71 d。

4.2 巖心采取率

取心井段1.2～2004.8 m。非目的層厚115.25 m，巖心長104.66 m，巖心采取率90.81%；目的層厚1876.35 m，巖心長1860.12 m，巖心采取率99.14%；全井取心進(jìn)尺共計1991.6 m，獲取巖心1964.78 m，巖心采取率達(dá)98.65%。

4.3 井斜控制

要求每鉆進(jìn)100 m及終孔各測斜一次，井斜≯8°。本井是直井，連續(xù)測斜井段在1999 m處井斜為6.54°，方位角182.46°。井身投影見圖5。

圖5 桂柳地1井井身投影Fig.5 Projection of Well Guiliudi-1

4.4 井徑及井徑擴(kuò)大率

依據(jù)測井資料，部分井段的井徑隨井深變化的曲線如圖6所示。從圖中可以看出，井徑有一定的擴(kuò)大率，平均井徑擴(kuò)大率為13.5%，最大井徑擴(kuò)大率為296%，尤其是840～875 m處。施工中，掉塊、井壁坍塌時有發(fā)生，造成長時間處理撈渣及孔內(nèi)掃孔，詳見圖7。說明PVA1788無固相沖洗液體系能夠抑制泥頁巖水化的作用，卻無法有效防止井壁坍塌。在泥頁巖垮塌周期以外進(jìn)行測井，也是井徑擴(kuò)大率較大的客觀原因之一［14］。欠平衡鉆進(jìn)時，鉆井液的液柱壓力小于目的層段的坍塌壓力，可能是泥頁巖層段垮塌的原因之一［15-16］。泥頁巖本身節(jié)理裂隙發(fā)育、機(jī)械強(qiáng)度低的性質(zhì)和水化膨脹后的推擠作用也可能是泥頁巖段井徑擴(kuò)大的原因［17-18］。

圖6 桂柳地1井835～888 m井徑變化情況Fig.6 Caliper logging results from 835 to 888m at Well Guiliudi-1

圖7 桂柳地1井撈渣時間統(tǒng)計Fig.7 Statistics of cuttings sampling time at Well Guiliudi-1

4.5 鉆效分析

桂柳 地1井 自2017年12月21日建 井，2018年8月19日完井，建井周期242 d。圖8為其建井周期及分析，純鉆時間71 d，占建井周期29%，平均機(jī)械鉆速1.18 m/h，平均鉆時50.91 min/m，臺月效率278.10 m；輔助占建井周期28%，擴(kuò)孔、事故處理、停待、固測井及放假時間分別占建井周期的13%、10%、8%、5%、5%。桂柳地1井建井周期略長，其主要因素為輔助、分級擴(kuò)孔、井內(nèi)事故及停待時間，嚴(yán)重影響了井隊(duì)的臺月效率和建井周期。

圖8 桂柳地1井建井周期及分析Fig.8 Well construction period and analysis for Well Guiliudi-1

5 結(jié)語

（1）桂柳地1井完整地揭穿了下石炭統(tǒng)鹿寨組的巖性、沉積相及富有機(jī)質(zhì)有效泥（頁）厚度，為該地區(qū)石炭系鹿寨組泥頁巖鉆探提供了有益經(jīng)驗(yàn)。

（2）選用HXY-8B型巖心鉆機(jī)、采用直井多開次鉆探方法，分層鉆進(jìn)；利用前導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆具分級擴(kuò)孔，逐級下套管，配合PVA1788無固相沖洗液體系，成功完成了桂柳地1井，完鉆井深2004.8 m。非目的層巖心采取率90.81%；目的層巖心采取率99.14%；全井取心進(jìn)尺共計1991.6m，獲取巖心1964.78 m，全井巖心采取率達(dá)98.65%。鉆井各項(xiàng)指標(biāo)滿足地質(zhì)設(shè)計要求。

（3）針對桂柳地1井建井周期長的問題，施工中錄井、測井、浸水試驗(yàn)及解析等多工種同時作業(yè)。

（4）建議提高各工序間的有力配合，減少輔助時間及停待時間；采用前導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆具擴(kuò)孔，工作量大，效率低，建議配套S口徑繩索取心鉆具。