鹿邑凹陷海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查鹿頁(yè)1井鉆井技術(shù)

郝登峰，齊治虎*，張曉昂，秦紅濤，劉二偉

（1.河南豫中地質(zhì)勘查工程有限公司，河南鄭州 450016；2.河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450016；3.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心（非常規(guī)天然氣開發(fā)研究），河南 鄭州 450016）

0 引言

海陸過(guò)渡相作為頁(yè)巖氣富成藏的重要沉積環(huán)境，在我國(guó)南方地區(qū)分布廣泛。由于沉積環(huán)境的影響，海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖展布較為局限，橫向連續(xù)性差，單層厚度較薄，累計(jì)厚度大，縱向上與煤層、砂巖層疊置頻繁，特殊的沉積環(huán)境及較高粘土含量給鉆井施工造成了困難。鹿邑凹陷位于南華北盆地中北部，是典型的海陸過(guò)渡相地層，主體屬于周口坳陷構(gòu)造單元，探區(qū)面積2216.58 km2，估算上古生界太原組、山西組頁(yè)巖氣總資源量約7384億m3，具有較大的頁(yè)巖氣資源勘探前景［1-3］。鹿頁(yè)1井是部署在鹿邑凹陷邱集斷裂帶的一口頁(yè)巖氣調(diào)查井，目的是查明地層層序，探索上古生界頁(yè)巖發(fā)育特征及含氣性，同時(shí)兼顧探索致密砂巖氣和煤層含氣性。本文以鹿頁(yè)1井鉆井工程為剖析對(duì)象，針對(duì)鉆探施工中出現(xiàn)的坍塌、掉塊、取心等技術(shù)難點(diǎn)，從鉆探設(shè)備、鉆井液、鉆具組合等角度，提出相對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施，總結(jié)了一套適合于該地區(qū)經(jīng)濟(jì)高效的鉆探施工技術(shù)和工藝，以期為南華北盆地頁(yè)巖氣勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

鹿邑凹陷是一個(gè)以古近系沉積為主體、多套地層疊合的斷陷凹陷，結(jié)構(gòu)總體表現(xiàn)為南斷北超。上古生界太原組-山西組屬于海陸過(guò)渡相煤系地層，泥頁(yè)巖比較發(fā)育，受區(qū)域構(gòu)造南北向和東西向主應(yīng)力場(chǎng)控制，凹陷內(nèi)部斷裂發(fā)育，不同期地發(fā)育了NW和NE兩個(gè)方向主要斷裂，二者交叉復(fù)合、多期改造，形成了現(xiàn)今較為復(fù)雜的斷裂體系（見(jiàn)圖1）。NW和NE向斷層具有控制凹陷沉積的性質(zhì)，鹿邑凹陷的斷裂主要以喜山期形成的正斷層為主，共有一級(jí)斷裂3條，二級(jí)斷裂4條［4-6］。

圖1 鹿頁(yè)1井構(gòu)造位置Fig.1 Structural location map of Well Luye-1

1.2 地層概況

根據(jù)鄰井及地震資料，鹿邑凹陷自下而上發(fā)育了寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系和新生界地層，缺失上三疊統(tǒng)及侏羅、白堊系地層。

設(shè)計(jì)目的層為山西組、太原組，全井設(shè)計(jì)取心200 m。該井鉆遇地層見(jiàn)表1。

表1 鉆遇地層Table 1 Drilling strata lithology

2 鉆井施工難點(diǎn)

2.1 鉆井深度大

該井設(shè)計(jì)井深3260 m，為目前河南省內(nèi)施工最深的頁(yè)巖氣勘探井，井位地處多級(jí)斷裂帶中，可參考資料較少，地層傾角大，構(gòu)造復(fù)雜，巖心破碎，地層穩(wěn)定性差。地層側(cè)向壓力大，巖石易向井眼內(nèi)部產(chǎn)生位移而發(fā)生坍塌。

2.2 井壁穩(wěn)定性差

粘土礦物含量越多，發(fā)生地層坍塌的可能性越大，必須采取合理的護(hù)壁措施來(lái)提高鉆井施工的安全性［7-9］。該井山西組中上部及上石盒子組地層含泥巖層段較多，厚度變化大。泥巖成分以高嶺石、蒙脫石為主，巖心呈塊狀，遇水易水化膨脹，抗壓強(qiáng)度降低，造成井壁不穩(wěn)定。

煤層段由于煤體結(jié)構(gòu)松軟，抗壓強(qiáng)度低，在施工中易發(fā)生坍塌現(xiàn)象。奧陶系石灰?guī)r地層裂隙及巖溶較為發(fā)育。一旦鉆遇漏失地層，易發(fā)生失返性漏失，致使上部地層失穩(wěn)。

2.3 巖層可鉆性差

該井鉆遇新生界弱固結(jié)砂巖、泥巖、砂礫巖等，古生界泥巖、粉砂巖、砂巖、煤層、石灰?guī)r等。巖性變化大，軟硬互層頻現(xiàn)，鉆頭適應(yīng)性較差，鉆進(jìn)效率較低［10-11］。同時(shí)，由于巖層局部發(fā)育研磨性較強(qiáng)的角礫巖、硅質(zhì)巖等，嚴(yán)重影響入井鉆頭的使用壽命，導(dǎo)致頻繁起下鉆，鉆進(jìn)效率低下。

3 鉆井施工技術(shù)

3.1 設(shè)備優(yōu)選

根據(jù)該～井的實(shí)際情況，采用石油ZJ-40型鉆機(jī)進(jìn)行施工，主要配置為：ZJ-40型鉆機(jī)，JJ225/43-K型井架，3NB-1300A型鉆井泵，配PZ12V190型柴油 機(jī)2臺(tái)，Y450-6型630 kW發(fā)電 機(jī) 組2臺(tái)，2FZ35-35型雙閘板防噴器，五級(jí)泥漿固控系統(tǒng)。圖2為施工現(xiàn)場(chǎng)。動(dòng)力采用國(guó)家電網(wǎng)供電系統(tǒng)供電。

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Drilling site

3.2 井身結(jié)構(gòu)

鹿頁(yè)1井采用三開井身結(jié)構(gòu)：一開以?444.5 mm鉆頭鉆穿上部松軟、易塌、易漏地層，鉆至穩(wěn)定巖層后（井深0.00～400.00 m，鉆厚400.00 m），下入?339.7 mm套管，水泥固井上返至地面；二開以? 311.15 mm鉆頭鉆至三疊系巖性強(qiáng)固結(jié)地層（井深400.00～2350.00 m，鉆厚1950.00 m），下入?244.5 mm套管，水泥固井上返至地面；三開以?215.9 mm鉆頭鉆入奧陶系100 m完鉆，目的層段進(jìn)行取心，裸眼完井。實(shí)際完鉆井深3506.5 m，實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of wellbore structure

3.3 鉆頭優(yōu)選

根據(jù)該井鉆遇地層及其巖性特征進(jìn)行分析，配備不同型號(hào)及數(shù)量的鉆頭，以滿足鉆探施工要求。

針對(duì)一開第四系和二開新近系較軟地層，主要以大尺寸切削齒、4翼PDC鉆頭為主，水力噴射鉆進(jìn)提高機(jī)械鉆速。針對(duì)二開古近系軟硬互層地層，主要以中尺寸切削齒、5翼PDC鉆頭為主，提高鉆頭的適應(yīng)性；鉆進(jìn)孫家溝組較強(qiáng)研磨性的細(xì)粉砂巖，以鋼齒三牙輪鉆頭為主，增大碎巖效率。三開取心鉆頭選用PDC筒式取心鉆頭（見(jiàn)圖4），鉆齒出刃較小，降低了對(duì)井壁的擾動(dòng)，同時(shí)水眼設(shè)計(jì)在鉆頭體上，有效減少了對(duì)巖心的沖刷，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，筒式取心鉆頭適宜于海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖取心施工。

圖4 川8-3筒狀取心鉆頭Fig.4 Chuan 8-3 cylindrical coring bit

3.4 鉆具組合

一開、二開均為全面鉆進(jìn)，一開采用塔式鉆具組合，防止開孔井斜；二開主要采用復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)快速通過(guò)上部易垮塌地層；三開不取心段采用復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，取心段采用川8-3繩索取心鉆具取心。鉆具組合見(jiàn)表2。

表2 鉆具組合Table 2 Bottom hole assembly

3.5 鉆井液優(yōu)選

（1）一開井段采用鈉土漿鉆井液體系，基本配方為：水+5%～6%鈉 土+0.1% Na2CO3+0.1%CMC。鉆井過(guò)程中做好井斜控制、防漏工作，同時(shí)隔離好淺部松散地層水。

（2）二開井段采用強(qiáng)抑制鉀銨基聚合物鉆井液體系，基本配方為：水+2.0%鈉土+0.2%～0.5%NaOH+0.2%～0.3%Na2CO3+0.2%～0.5%聚丙烯酰胺鉀鹽+0.2%～1.0%兩性離子聚合物包被劑+0.5%～2.0%頁(yè)巖抑制劑酰胺聚合物+0.5%～1.0%降濾失劑+0.2%～0.5%增粘劑+0.1%～0.3%降粘劑。

（3）三開井段采用強(qiáng)抑制雙鉀銨基聚合物鉆井液體系。該鉆井液體系具有較好的流變性、抗高溫能力和適宜的濾失量。在滿足鉆井施工、保證工程安全的前提下，盡可能降低鉆井液粘度、密度、固相含量和失水量［12-13］。

基本配方：水+2.0%鈉土+0.2%～0.5%NaOH+0.2%～0.3%Na2CO3+0.2%～0.5%聚丙烯酰胺鉀鹽+5.0%～10.0%氯化鉀+0.2%～1.0%兩性離子聚合物包被劑+0.5%～2.0%頁(yè)巖抑制劑酰胺聚合物+0.5%～1.0%降濾失劑+0.2%～0.5%增粘劑+0.1%～0.3%降粘劑。

處理添加劑：OSAMK、LF-TEX-1。其它添加劑：工業(yè)用氫氧化鈉、加重劑、堵漏劑、除硫劑等。

4 主要技術(shù)措施

4.1 泥漿護(hù)壁技術(shù)措施

鉆進(jìn)至井深2493 m時(shí)，井內(nèi)開始出現(xiàn)坍塌、掉塊，并伴有多次卡鉆。多次調(diào)整鉆井液至密度1.15 g/cm3、粘度90 s之后，井內(nèi)坍塌的狀況依然沒(méi)有解決，最多沉渣厚度達(dá)60余米。為了確保施工安全，決定在2426～2741 m井段封井側(cè)鉆。

注水泥回填分段進(jìn)行：先將鉆桿下至2741 m，封固段2600～2741 m，共計(jì)141 m。先注入5 m3清水前置液，然后注入標(biāo)號(hào)為R42.5、密度為1.80 g/cm3水泥漿10.5 m3，最后替漿22.8 m3。然后將鉆具提至2600 m，封固段2426～2600 m，共計(jì)174 m；先注入5 m3前置液，然后注入標(biāo)號(hào)為R42.5、密度為1.80 g/cm3的水泥漿8 m3，最后替漿21.5 m3。

根據(jù)前期施工教訓(xùn)，選用高密度（1.15～1.25 g/cm3）、高粘度（200 s）的泥漿進(jìn)行施工，加入2%防塌劑，加入適量土粉，降低失水在6 mL以下，并每回次起鉆時(shí)及時(shí)將井內(nèi)灌滿泥漿，避免液柱壓力下降，保證了施工順利進(jìn)行［14-15］。

4.2 防斜技術(shù)措施

鉆進(jìn)過(guò)程中采用MWD無(wú)線隨鉆儀進(jìn)行測(cè)斜作業(yè)。在井斜控制方面主要采取措施如下：

（1）井架、平臺(tái)的安裝周正、水平、穩(wěn)固，保證天車、轉(zhuǎn)盤、井眼中心三點(diǎn)一線。

（2）采用防斜快打復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，即采用PDC鉆頭+MWD+1.25°單彎螺桿復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)。

（3）在全面鉆進(jìn)井段，嚴(yán)格控制鉆壓基本一致，加尺后做好掃孔工作，檢查好入井鉆具。

（4）在取心井段，保持鉆壓一致，每次下鉆到井底先掃孔20 min，待井底干凈無(wú)雜物后，再開始低速鉆進(jìn)。每鉆進(jìn)100 m起鉆下儀器測(cè)井斜一次，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)及時(shí)修正糾斜。

完鉆全井最大井斜9.02°，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 深孔取心技術(shù)措施

取心段主要位于下石盒子組底部、山西組和太原組，鉆具組合為：?215.9 mm PDC鉆頭+川8-3取心筒+?158.8 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+?133 mm方鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓50～70 kN，轉(zhuǎn)速50 r/min，泵壓8～12 MPa。

（1）取心作業(yè)前，充分循環(huán)鉆井液并調(diào)整好性能，保證井底清潔和起下鉆通暢。保障鉆井設(shè)備和儀表性能良好，能夠正常工作。

（2）取心作業(yè)中，下鉆速度≯0.5 m/s。操作平穩(wěn)，嚴(yán)禁猛剎、猛放。下鉆距井底3～5 m時(shí)，開泵循環(huán)，清洗井眼及內(nèi)筒。

（3）取心鉆進(jìn)中，控制回次進(jìn)尺，防止堵心；觀測(cè)地質(zhì)錄井氣測(cè)顯示及泵壓變化，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入煤層及松軟地層，及時(shí)調(diào)整鉆壓，防止蹩泵。在割心前0.5 m左右，增加壓力至30 kN，使底部巖心增粗，再輕壓鉆進(jìn)10 min，恢復(fù)正常鉆壓后實(shí)施割心；調(diào)整巖心與巖心爪的間隙為10～15 mm，降低卡心的概率；使用彈性較好的巖心爪，便于取心［16-18］，以最大程度保證巖心采取率。

（4）針對(duì)該井泥巖層數(shù)多、厚度大的特性，按2%的比例增加了液體潤(rùn)滑劑，降低摩阻，提高泥漿流變性，起到護(hù)壁、防止鉆頭泥包的作用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

取心井段施工共計(jì)118 d，取心純鉆進(jìn)時(shí)間1109 h，最長(zhǎng)回次鉆進(jìn)時(shí)間51 h，鉆井效率較低，主要是由于泥漿粘度過(guò)大，巖心破碎（圖5），巖石可鉆性差，起下鉆輔助時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

圖5 山西組地層巖心Fig.5 Cores from Shanxi Formation

全井共取心46回次，連續(xù)取心377.44 m，平均巖心采取率為90.9%，巖心直徑102 mm，達(dá)到了巖心采樣試驗(yàn)要求。

5 取得的技術(shù)成果

（1）鹿頁(yè)1井完鉆井深3506.50 m，自下石盒子組開始取心，取心進(jìn)尺377.44 m，累計(jì)取心長(zhǎng)度343.25 m，巖心采取率為90.9%，取心直徑102 mm，滿足設(shè)計(jì)及測(cè)試要求。

（2）通過(guò)鉆探施工及取心作業(yè)，配合錄井及測(cè)井工作，獲取了原始資料和數(shù)據(jù)，建立了實(shí)鉆地層剖面，查明了該區(qū)地層發(fā)育情況，為該區(qū)油氣發(fā)現(xiàn)奠定了良好基礎(chǔ)。

（3）采用螺桿復(fù)合鉆具+MWD無(wú)線隨鉆鉆井工藝，全面提高了鉆進(jìn)效率，并有效跟蹤控制了井斜，保證了井身質(zhì)量。

（4）針對(duì)該井區(qū)海陸過(guò)渡相軟硬互層、易坍塌掉塊的地層特征，優(yōu)選出了一套匹配該地層施工的鉆井液體系，達(dá)到了護(hù)壁的目的，解決了孔內(nèi)坍塌掉塊問(wèn)題。但較高的泥漿密度影響了地化錄井和氣測(cè)錄井資料的可靠性，影響了氣層的評(píng)價(jià)效果，建議針對(duì)該井區(qū)進(jìn)一步研究更適宜的泥漿體系。

6 結(jié)語(yǔ)

鹿頁(yè)1井是河南省內(nèi)頁(yè)巖氣鉆井最深、取心技術(shù)要求最高的一口探井，鉆探施工中，在鉆具組合、鉆頭優(yōu)選、深井取心、鉆井液的優(yōu)選以及復(fù)雜地層處理方面均取得了較好的效果，總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)，可為下一步該地區(qū)頁(yè)巖氣的超深井施工提供借鑒。