黔北正安地區(qū)頁巖氣鉆探工程難點與對策研究

王勝建，遲煥鵬，龐 飛，王都樂，周 志，李 龍，姜鹍鵬

(1.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100083；2.中國地質調查局非常規(guī)油氣工程技術中心，北京 100083；3.中國地質調查局，北京 100037；4.貴州頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司，貴州遵義 563499)

0 引言

近年來，隨著我國南方地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)的不斷投入以及技術的不斷進步，四川盆地內頁巖氣產(chǎn)能逐年提高。截至2020年底，中石化和中石油在四川盆地累計生產(chǎn)頁巖氣總量超過700億方(Zhen et al.,2020；Yang et al.,2021；鄒才能等，2021；戴金星等，2021)，展示良好的勘探開發(fā)前景。而在四川盆地外圍的貴州、湖北等復雜構造地區(qū)也相繼獲得了高產(chǎn)頁巖氣流(李博等，2016；翟剛毅等，2016；陳孝紅等，2018；王朋飛等，2018；張君峰等，2019；王勝建等，2020)，為我國南方頁巖氣增儲上產(chǎn)開辟了新地區(qū)和新層系，有力推進了地方頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。其中，中國地質調查局在貴州正安地區(qū)通過安頁1井的部署實施，獲得了多套地層的油氣、頁巖氣的發(fā)現(xiàn)，石牛欄組通過壓裂試氣取得了10.22×104m3/d的高產(chǎn)天然氣測試產(chǎn)量(翟剛毅等，2016，2017)，五峰組-龍馬溪組現(xiàn)場解析含氣量為1.00～2.36 m3/t，測錄井綜合解釋I類頁巖氣厚度達18 m(葛明娜等，2019)。2017年，正安頁巖氣勘查區(qū)塊探礦權由貴州產(chǎn)業(yè)投資(集團)有限責任公司競得，對促進當?shù)啬茉唇Y構調整、服務當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

本次研究根據(jù)貴州正安地區(qū)的地質和構造條件，結合安頁1井鉆探過程中遇到的復雜問題，分析該地區(qū)鉆井過程中遇到的主要難點和挑戰(zhàn)，并研究提出解決措施和對策，以期提高該地區(qū)的鉆井效率，加快該地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)和資源利用的步伐。

1 地質背景

貴州正安地區(qū)位于貴州省北部，緊鄰涪陵、南川、武隆、彭水、綦江等重要的頁巖氣勘探開發(fā)地區(qū)。該地區(qū)構造上位于武陵褶皺帶南部的安場向斜，北鄰道真向斜。安場向斜由奧陶系封閉，總體由北東緊閉向南西撒開(雷子慧等，2016；賀永忠等，2020)。軸向北北東20°～30°，延伸長度約30 km，核部出露侏羅系-三疊系地層，翼部為志留系-奧陶系地層。地層自核部向兩端均有揚起趨勢，東翼巖層傾角相對較陡，傾角一般在50°左右；北西翼接近核部附近地層傾角一般在25°～35°，巖層傾角由核部向翼部由緩變陡；向斜南部寬緩、地層傾角為10°～25°；北部略收斂、緊閉，地層傾角為30°～60°。地區(qū)主要發(fā)育二疊系和志留系，如圖1所示。

圖1 安場向斜區(qū)域地質圖Fig.1 Regional geological map of the Anchang syncline1-中下侏羅統(tǒng)；2-上三疊統(tǒng)；3-中下三疊統(tǒng)；4-下三疊統(tǒng)；5-二疊系-三疊系；6-二疊系陽新統(tǒng)-樂平統(tǒng)；7-二疊系船山統(tǒng)-陽新統(tǒng)；8-石炭系-二疊系；9-奧陶系-志留系文洛克統(tǒng)；10-寒武系；11-斷層；12-井位1-Middle-Lower Jurassic;2-Upper Triassic;3-Middle-Lower Triassic;4-Lower Triassic;5-Triassic-Permian;6-Permian Yangxin-Leping Series;7-Permian Chuanshan-Yangxin Series;8-Carboniferous-Permian;9-Ordovician-Silurian Wenlockian Series;10-Cambrian;11-fault;12-well location

安頁1井實鉆井身結構及巖性柱狀圖如圖2所示，該地區(qū)五峰組-龍馬溪組為頁巖氣目的層，該組地層斷層總體不發(fā)育，通過安頁1井實鉆資料，目的層上部地層由老至新依次發(fā)育下志留統(tǒng)新灘組、石牛欄組、韓家店組，二疊系梁山組、棲霞組、茅口組、合山組，三疊系夜郎組和嘉陵江組。

圖2 安頁1井實鉆井身結構及地層巖性柱狀圖Fig.2 Actual drilling program and stratigraphic column of the well Anye-11-灰?guī)r；2-泥質灰?guī)r；3-灰質云巖；4-泥質粉砂巖；5-泥巖；6-頁巖1-limestone;2-argillaceous limestone;3-limy dolomite;4-pelitic siltstone;5-mudstone;6-shale

2 主要鉆井工程難點

2.1 井場選擇受限

研究區(qū)位于貴州省正安縣，地處云貴高原向湖南丘陵和四川盆地過渡的斜坡地帶，屬于典型的喀斯特地貌。從正安縣地形地貌來看，安場向斜整體地形具有起伏大、高差大的特點，向斜東翼靠近端部地勢陡峭，而核部地形則以低山、丘陵、盆壩為主，向斜西翼地形相對平坦開闊，總體為山地-河谷地形(韓強，2019)，相對平坦地帶主要位于安場鎮(zhèn)群眾居住區(qū)，可供選擇的井場主要位于農(nóng)田、山坡處，因此井位選擇受限、修建井場工作量大、成本較高。

2.2 井漏風險高

根據(jù)安場向斜安頁1井的地質成果，表層地層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組，巖性以灰?guī)r為主，成分以方解石為主，泥質含量約占10%，易發(fā)生裂縫性漏失，甚至溶洞、暗河性漏失。安頁1井在表層鉆進過程中，鉆進至21 m時，鉆遇溶洞，鉆井液失返，給鉆井施工帶來了極大挑戰(zhàn)。

根據(jù)安頁1井在石牛欄組和寶塔組所獲取的巖心來看(圖3)，兩組地層均有一定程度的裂縫和方解石充填裂縫發(fā)育情況，且在三開井段石牛欄組、新灘組及四開井段寶塔組都有不同程度井漏，地層巖性主要為灰?guī)r，其中井漏發(fā)生時所用的鉆井液密度分別為2.15、2.27、1.89 g/cm3，累計漏失量124.53 m3鉆井液。因此，石牛欄組、新灘組和寶塔組這三組地層在高鉆井液密度下有發(fā)生裂縫性井漏的風險。

圖3 巖心裂縫發(fā)育情況(左圖為石牛欄組巖心，右圖為寶塔組巖心)Fig.3 Fractures in cores(the left is from Shiniulan Formation,and the right is from Baota Formation)

2.3 地層傾角較大

根據(jù)安場向斜構造情況，向斜核部相對兩翼較緩，向斜呈東南翼陡西北翼緩，向斜西北翼傾角在24°左右，東南翼在30°左右；且根據(jù)安頁1井電阻率成像測井資料解釋，石牛欄組至寶塔組的地層傾角在15°～30°之間，平均為20°左右。因此，根據(jù)上述構造分析和實鉆資料解釋，研究區(qū)地層傾角較大，地層的造斜能力強。如圖4所示，安頁1井在鉆井過程中，從二開起，井身質量開始超標，鉆至1100 m后，井斜和井底水平位移逐漸嚴重超標至難以控制。

圖4 安頁1井井身質量曲線Fig.4 Well quality of the well Anye-1

2.4 多套壓力地層共存，存在井控風險

根據(jù)安場向斜安頁1井鉆探結果(地層壓力監(jiān)測結果如表1所示)，研究區(qū)所鉆遇的地層存在多套壓力系統(tǒng)。其中，在石牛欄組鉆遇異常高壓氣層，為了壓井，鉆井液密度從1.20 g/cm3提高至2.00 g/cm3以上(如圖5所示)，且壓井過程中又發(fā)生井漏，上部的灰?guī)r地層有發(fā)生漏失的風險，所以該研究區(qū)容易出現(xiàn)同裸眼井段多復雜情況并存、鉆井液安全密度窗口窄的難題，易形成“既溢又漏”的復雜情況，井控風險較大。

表1 安頁1井地層壓力監(jiān)測和實鉆鉆井液密度Table 1 Formation pressure coefficient and actual drilling fluid density of well Anye-1

圖5 安頁1井實鉆和設計鉆井液密度對比Fig.5 Comparison of designed and actual drilling fluid density for well Anye-1

3 技術對策及建議

3.1 井身結構設計

由于安頁1井在志留系石牛欄組鉆遇高壓含氣層，發(fā)生溢流，鉆井液密度提至1.96 g/cm3后溢流才得以壓穩(wěn)，而在石牛欄組在采用2.15 g/cm3密度的鉆井液壓井時發(fā)生了滲漏。因此，為了井控安全，安頁1井在鉆穿石牛欄組進入新灘組后采取了下套管中完作業(yè)。

為應對石牛欄組中下部可能鉆遇高壓含氣層的風險，需要對勘探開發(fā)過程中所部署的導眼井、水平井的井身結構進行合理設計，在保證井控安全的前提下實現(xiàn)快速鉆進。根據(jù)所揭示的地層情況及安頁1井的實鉆情況，對導眼井及水平井井身結構進行設計，如圖6和表2所示。三開若鉆導眼井，則鉆完導眼井后裸眼打水泥塞，根據(jù)導眼井所鉆地層情況優(yōu)化設計側鉆水平井井眼軌跡；三開若直接鉆水平井，則可從韓家店組下部或石牛欄組上部地層造斜鉆進。

圖6 設計井身結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of the well design

表2 井身結構設計方案Table 2 Well program design

3.2 清水鉆井技術

清水鉆井技術具有成本低、鉆速快的優(yōu)點，在水源充足的情況下可以有效應對地表溶洞、暗河、大裂縫地層發(fā)生的井漏，而且不存在環(huán)境污染(周賢海，2013；劉少胡等2016；潘軍等，2018)。安場向斜表層鉆遇地層穩(wěn)定性較好，不易垮塌，且地層壓力較清楚，因此，采用清水鉆井既能克服可能出現(xiàn)的失返性漏失難題，又可以獲得較高的鉆井速度，降低鉆井成本，經(jīng)濟性與安全環(huán)保性可靠。

清水鉆井的主要技術要求：(1)排量選擇上限值以提高攜巖能力；(2)加強固控設備使用，控制鉆井液密度不超過1.05 g/cm3，防止形成“大肚子”井眼、沉砂卡鉆等問題；(3)儲備一定量的稠漿或常規(guī)鉆井液以應對可能發(fā)生的井下復雜情況；(4)注意觀察分析巖屑粒度和返量，判斷井壁穩(wěn)定性；(5)鉆完進尺后要大排量循環(huán)，無沉砂方可起鉆下套管。

3.3 氣體鉆井技術

安場向斜所在的貴州正安地區(qū)地表以喀斯特地貌為主，在表層鉆井過程中容易鉆到溶洞暗河和大型裂縫，造成惡性漏失的復雜情況。如果鉆井水源補給不足，無法實施清水強鉆的情況下，可以采用空氣鉆井來克服常規(guī)鉆井液鉆井面對的不利因素，實現(xiàn)安全快速鉆井，且有利于保證井身質量?？諝庾鳛檠h(huán)介質，具有取之不盡的特點，可以較容易地穿過惡性漏失的地層，而且對地表地層無污染，尤其適合在缺水干旱地區(qū)使用，以消除鉆井水源的制約(Wu et al.,2020；遲煥鵬等，2021)。

安頁1井在表層應用空氣鉆井成功應對表層鉆遇的大型溶洞，隨后地層出水后改用霧化空氣鉆井，總共完成表層1100 m進尺的鉆井，機械鉆速6.6 m/h，實現(xiàn)了預期鉆井效果。因此，在水源不足的情況下，在安場向斜可以利用空氣鉆井、霧化空氣鉆井或空氣泡沫鉆井等氣體鉆井技術來應對惡性漏失地層和提高機械鉆速。

3.4 上部地層防斜打直對策

(1)PDC+螺桿鐘擺鉆具

采用鐘擺鉆具組合可以起到較好的防斜、糾斜效果。為了減小無法充分釋放鉆壓帶來的鉆速影響，可以采用PDC+螺桿鉆井方式來彌補鐘擺鉆具所犧牲的鉆速。

(2)空氣錘鉆井技術

空氣錘鉆井由于鉆壓較小，可以有效降低井斜。而且，采用空氣錘鉆井技術(Luo et al.,2016)，在有利于防斜的同時，由于空氣錘對井底地層的高頻沖擊，還可以實現(xiàn)快速鉆進。

3.5 防漏堵漏技術措施

針對井漏要堅持預防為主、防堵結合的原則，盡量避免鉆井主觀因素導致的井漏。在鉆井過程中發(fā)生漏失后，除了可以采取清水鉆進、氣體鉆井外，還可以根據(jù)現(xiàn)場條件和地層漏失情況，采取堵漏漿堵漏、注水泥塞堵漏、隨鉆堵漏等方法。

3.5.1 井漏預防技術

(1)地面溶洞探測技術

為預防表層出現(xiàn)由于大的裂縫、溶洞造成的惡性漏失，通過在設計井位所在區(qū)域開展物探工作，對1000 m以淺的主要地質結構、構造和巖溶地質特征進行探測(Saddek et al.,2019)，識別可能存在的構造異常和溶洞，降低惡性漏失風險。

(2)井漏預防技術措施

在保證井壁穩(wěn)定的前提下，一方面應盡量選用低密度、低濾失、強抑制、強封堵性能的鉆井液體系，優(yōu)化流變性能，降低循環(huán)壓耗，減小井底壓差；另一方面優(yōu)化鉆井參數(shù)，精細化鉆井操作，盡量減小抽吸和激動壓力。

打完導眼建立井口后，在五峰組-龍馬溪組以上各地層鉆進時，儲備好清水和堵漏材料，鉆至發(fā)生漏失地層前進行防漏預處理，加入隨鉆堵漏劑進行防漏，尤其是微裂縫較發(fā)育的地層。

3.5.2 復合堵漏技術

根據(jù)安頁1井的堵漏施工經(jīng)驗，在該地區(qū)鉆井發(fā)生井漏采取堵漏漿堵漏即可取得良好效果。

如果漏速較小(<10 m3/h)，則可加入較低濃度(10%以內)的隨鉆堵漏劑或單向壓力封閉劑，實施隨鉆堵漏。如果漏速在10 m3/h以上，則根據(jù)漏失量使用粗中細三種顆粒的復合堵漏劑和核桃殼、云母片、纖維、隨鉆堵漏劑等確定復合堵漏漿配方，堵漏漿濃度一般在15%～40%，還可以采取注入快干水泥的辦法進行堵漏。漏速在50 m3/h以內采用原鉆具堵漏，如果漏速大于50 m3/h，需要起鉆換光鉆桿鉆具組合堵漏。

3.6 “井工廠”鉆井技術

針對該地區(qū)井位選擇受限、修建井場工作量大的問題，可以借鑒山地“井工廠”鉆井工程技術和作業(yè)模式(Brian and Shapour,2013；張金成等，2016)，如圖7所示，因地制宜，進行井場布局及地面設備設施優(yōu)化，根據(jù)地表地下地質情況，探索井眼軌道優(yōu)化設計方案，從而減小占地面積，降低鉆前施工工作量，最大程度地開發(fā)動用頁巖氣資源，實現(xiàn)降本增效的目的。

圖7 “井工廠”鉆井技術軌道設計和布井方案示意圖(張金成等，2016)Fig.7 Schematic diagram of well trajectory and well program in multi-well pad drilling technology(after Zhang et al.,2016)

4 結論

(1)井場選擇受限、上部地層井漏風險高、直井段防斜打直制約機械鉆速、多套壓力系統(tǒng)共存導致井控安全壓力大等是黔北安場向斜地區(qū)頁巖氣勘探面臨的主要鉆井工程難點。

(2)表層碳酸鹽巖地層易發(fā)生裂縫性漏失，甚至溶洞性漏失，可以通過地面溶洞探測技術加以預防，利用氣體鉆井技術或清水強鉆可以應對上部惡性漏失；下部地層發(fā)生漏失可以采用復合堵漏的方法加以應對。

(3)通過對井身結構進行合理設計，可以盡可能防止同一開次中溢漏同層，降低井控風險，同時，減少了大尺寸井眼的鉆進進尺，有利于提高鉆井速度。

(4)借鑒四川盆地頁巖氣開發(fā)的“井工廠”鉆井技術和模式，下一步需要根據(jù)正安地區(qū)地表地下地質情況，探索與之相適應的井眼軌道優(yōu)化設計方案，降低鉆前施工成本，提高開發(fā)效率。