張頁(yè)1 井鉆成井施工技術(shù)

王海濤

（河北省煤田四隊(duì)，河北 張家口 075100）

頁(yè)巖氣作為重要的戰(zhàn)略能源、清潔能源，越來(lái)越得到國(guó)家重視，頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)利用有利緩解煤炭產(chǎn)能減少、農(nóng)村地區(qū)煤改氣等原因造成的能源短缺問(wèn)題，對(duì)環(huán)境治理、經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義[1]。

張家口地處北京西部，為首都“西大門(mén)”，張頁(yè)1 井的開(kāi)發(fā)與利用對(duì)治理大氣污染，改善京張生態(tài)環(huán)境，緩解日益嚴(yán)重的資源問(wèn)題具有重要意義，是服務(wù)北京，建設(shè)京張生態(tài)涵養(yǎng)圈的重要體現(xiàn)。

河北省張宣地區(qū)東部下花園組和下馬嶺組2 套地層分布較廣、厚度較大、蓋層條件有利于頁(yè)巖氣的儲(chǔ)藏。其中下花園組泥巖和煤層交互沉積，賦存煤層氣和致密砂巖氣，具有較好的資源潛力。

1 工作區(qū)概況

1.1 地理位置

工作區(qū)交通位置如圖1 所示。

圖1 交通位置圖

工作區(qū)位于張家口市宣化區(qū)東南下花園一帶，區(qū)內(nèi)有宣東一井、宣東二號(hào)煤礦、段家堡煤炭預(yù)查區(qū)、宣東煤礦南部外圍預(yù)查區(qū)、黑黛山煤炭普查區(qū)，總面積約590 km2。

工作區(qū)西部為宣西煤炭預(yù)查區(qū)，南部有下花園煤礦、玉帶山煤礦、前山井、雞鳴山井、雞鳴驛礦、懷來(lái)礦業(yè)有限公司，東部外圍有艾家溝煤礦、水窯溝一井、于洪寺煤礦一井等煤礦。

1.2 地層概況

本區(qū)大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)（I）、燕山沉陷帶（Ⅱ）、冀西陷褶斷束（Ⅲ）、宣龍復(fù)向斜（Ⅳ）、宣后向斜（Ⅴ）的中央部位。宣后向斜以其寬緩的褶皺和四周太古界及元古界地層大片出露為特征，并被其外圍的大河南—大海坨斷裂、水泉—洗馬林?jǐn)嗔选ⅫS羊山—雞鳴山逆掩斷層帶（推覆構(gòu)造）和懷來(lái)—宣化斷裂所圍割。

工作區(qū)發(fā)育的地層由老至新為：青白口系下馬嶺組（Qbx），侏羅系下統(tǒng)南大嶺組（J1n），下—中統(tǒng)下花園組（J1-2x）、九龍山組（J2j）、髫髻山組（J2t）、后城組（J2h）及第四系（Q）。地層簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

圖2 地層簡(jiǎn)圖

1.3 地層壓力

本井地層孔隙壓力梯度當(dāng)量密度1.0 0 ～1.05 g/cm3，破裂壓力梯度當(dāng)量密度1.35～1.60 g/cm3，坍塌壓力梯度當(dāng)量密度小于0.80 g/cm3。

2 質(zhì)量要求

第四系不取心，見(jiàn)基巖取心判斷層位，非煤系分段取心和巖屑錄井，即鉆進(jìn)50 m，取心2～3 m，巖心采取率大于等于80%。下花園組和下馬嶺組全部取心，巖心直徑大于等于58 mm，煤層長(zhǎng)度采取率大于等于90%，質(zhì)量采取率大于等于75%，目標(biāo)層巖心采取率大于等于90%，同時(shí)，減少巖心在井內(nèi)滯留時(shí)間，以防止巖心污染和巖心損失，取心后應(yīng)盡快進(jìn)行取樣試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)氣體分析。井徑擴(kuò)大率小于10%，井斜角度小于等于2°，全角變化率小于等于1.5°/30 m。

3 井身結(jié)構(gòu)

3.1 一開(kāi)及表層套管

一開(kāi)用Φ311 mm 鉆頭，鉆穿第四系，進(jìn)入九龍山組基巖穩(wěn)定地層，下入Φ244.5 mm 表層套管，套管下深99 m，采用G 級(jí)水泥固井，水泥漿返至地面。

3.2 二開(kāi)及生產(chǎn)套管

二開(kāi)用Φ215.9 mm 鉆頭，鉆穿下馬嶺組完鉆。下入Φ139.7 mm 套管完井，套管下深1 599 m，固井水泥漿返至地面。井身結(jié)構(gòu)件如圖3 所示。

圖3 井身結(jié)構(gòu)示意圖

4 鉆井工藝

4.1 設(shè)備選型

根據(jù)設(shè)計(jì)井深及鉆機(jī)性能參數(shù)，本井設(shè)計(jì)選用GZ-2600 鉆機(jī)。要求動(dòng)力設(shè)備使用網(wǎng)電進(jìn)行清潔化生產(chǎn)施工，要求至少配備2 臺(tái)滿足鉆井液體系和施工泵壓的鉆井泵，配備滿足鉆井施工處理要求的鉆井液回收裝置[2]。鉆井主要設(shè)備如表1 所示。

表1 鉆井主要設(shè)備表

4.2 鉆具組合

本井對(duì)于井斜質(zhì)量要求較高，故采用塔式鉆具組合進(jìn)行施工，如表2 所示。

表2 鉆具組合設(shè)計(jì)表

4.3 鉆頭選型與鉆進(jìn)參數(shù)

鉆頭選型與鉆進(jìn)參數(shù)選用主要依據(jù)地層巖性及宣東煤田勘查3-18、3-19、4-18、4-19 鉆孔實(shí)鉆資料確定。具體設(shè)計(jì)如表3 所示。

表3 鉆頭選型及鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)表

4.4 取心鉆具及參數(shù)

取心工具表如表4 所示。取心鉆具組合及參數(shù)表如表5 所示。

表4 取心工具表

表5 取心鉆具組合及參數(shù)表

4.5 鉆井液體系

本井依據(jù)地層巖性剖面、地壓預(yù)測(cè)及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，分段選擇鉆井液體系，配方如表6 所示[3-5]。

表6 分段鉆井液體系配方

4.6 成井

本井套管選型及下深依據(jù)頁(yè)巖氣井射孔、壓裂設(shè)計(jì)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表7 所示。

表7 選用套管性能參數(shù)表

下套管后，注入前置液，注入設(shè)計(jì)要求的水泥漿，壓入膠塞后進(jìn)行替鉆井液，碰壓到位后凝48 h。注水泥前，采取堵漏方法提高裸眼承壓能力，確保在不壓塌、不漏失的基礎(chǔ)上進(jìn)行固井施工[6-7]。注水泥參數(shù)如表8 所示。

表8 注水泥參數(shù)表

5 施工難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

5.1 地層取心難度大

該井二開(kāi)后鉆遇地層非常堅(jiān)硬，研磨性強(qiáng)，可鉆性差。砂巖以石英為主，質(zhì)地堅(jiān)硬，研磨性強(qiáng)，地層可鉆性差。在鉆孔過(guò)程中，鉆具容易斷裂[8]。采用常規(guī)單管取心施工時(shí)，鉆進(jìn)效率極低，約為0.5 m/h，提下鉆也較頻繁，輔助時(shí)間增長(zhǎng)。后經(jīng)過(guò)分析研判，決定采用大口徑繩索取心鉆進(jìn)工藝，該工藝較常規(guī)工藝能夠減少起下鉆時(shí)間，增加純鉆時(shí)間，所以鉆進(jìn)效率較高，平均2 m/h。該工藝使用過(guò)程中應(yīng)著重做好以下幾點(diǎn)。

第一，選擇符合要求的設(shè)備及工藝參數(shù)。本井采用WH-B 型繩索取心相關(guān)設(shè)備，如圖4 所示，繩索取心鉆具組合：Φ215.9 mm 鉆頭+繩索取心器+Φ127 mm鉆桿。取心鉆進(jìn)參數(shù)如表9 所示。

表9 取心鉆進(jìn)推薦參數(shù)表

圖4 繩索取心總成

第二，嚴(yán)禁帶鉆壓?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)。使用井底動(dòng)力時(shí)，嚴(yán)禁加壓?jiǎn)?dòng)。取心時(shí)不準(zhǔn)停泵，無(wú)特殊情況不準(zhǔn)將鉆頭提離井底。取心鉆進(jìn)過(guò)程中，出現(xiàn)泵壓驟降、扭矩增大等異常情況，需要及時(shí)提鉆檢查分析原因，采取有效的處理措施。取心鉆進(jìn)過(guò)程中，如遇取心堵塞、卡鉆或研磨，應(yīng)立即取心。割心時(shí)，緩慢上提鉆具，注意觀察指重表顯示，視地層巖性及鉆具規(guī)格，一般增加懸重50～300 kN 又立即消除，證明巖心被拔斷。

第三，上提遇阻上下活動(dòng)無(wú)效時(shí)，將內(nèi)筒一起脫開(kāi)，如不能脫開(kāi)，則拉斷打撈器的安全銷(xiāo)，提出鋼絲繩，將內(nèi)外管一起提出。在提心過(guò)程，注意隨時(shí)往井內(nèi)灌注鉆井循環(huán)介質(zhì)，以保持井內(nèi)壓力和保證頁(yè)巖氣含量測(cè)定可靠性。

5.2 地層易漏失

本井在九龍山組凝灰?guī)r、粉砂巖、角礫巖部（200—600 m）極易發(fā)生漏失。在鉆遇漏層位前，調(diào)整鉆井液性能，加入高粘堵漏劑3%～5%，提高其攜巖能力與護(hù)壁堵漏能力，使其具有良好的流動(dòng)性。鉆進(jìn)漏失地層時(shí)，采用低速、低泵壓鉆井，適當(dāng)提高鉆井液密度，在鉆井液中加入1%～2%單封，快速鉆過(guò)漏層[9]。盡量使用細(xì)目振動(dòng)篩網(wǎng)（200 目），提高鉆屑清除效率，降低固相含量和表觀黏度。進(jìn)入?yún)^(qū)域性或預(yù)測(cè)的漏失層位前，可加入隨鉆堵漏材料，換用較粗振動(dòng)篩網(wǎng)，甚至短時(shí)間不過(guò)篩，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)即時(shí)封堵。在起下鉆、開(kāi)泵等過(guò)程中，要認(rèn)真執(zhí)行操作規(guī)程，減少壓力波動(dòng)，防止地層漏失[10]。

5.3 在750—940 m 有厚層狀輝綠巖侵入體

結(jié)合宣東勘探區(qū)以往施工經(jīng)驗(yàn)，該層輝綠巖段極易出現(xiàn)坍塌、掉塊、巖屑上返困難等孔內(nèi)復(fù)雜情況。所以施工中，在鉆達(dá)該層后，通過(guò)增加鉆井液密度，增加KPAM、KHm 的用量，以平衡地層壓力，增加鉆井液的攜巖屑能力、防坍塌能力。

5.4 保護(hù)產(chǎn)層要求

產(chǎn)層段的破壞主要受以下幾方面的影響：一是鉆井液體系固相含量高，二是鉆井液引起的頁(yè)巖水化分解，三是固井水泥破壞產(chǎn)層[11]。所以在產(chǎn)層段鉆進(jìn)過(guò)程中，采用鉀基鉆井液體系（如表6 所示），以抑制頁(yè)巖層段的水化；嚴(yán)格控制鉆井液中的固相含量，每循環(huán)周密度增加幅度小于等于0.03 g/cm3，利用固控設(shè)備盡可能清除鉆井液中的無(wú)用固相，保持鉆井液的性能穩(wěn)定；以?xún)?yōu)選鉆頭型號(hào)，提高鉆速，降低非生產(chǎn)時(shí)間，縮短鉆井液對(duì)氣層的損害時(shí)間；嚴(yán)防井漏、井噴等復(fù)雜事故發(fā)生，減少漏失鉆井液和井噴壓井對(duì)油氣層的傷害，提高操作水平，嚴(yán)格控制起下鉆速度，防止壓漏地層；提高目的層的鉆井速度，合理安排完井各項(xiàng)工作，降低非生產(chǎn)時(shí)間，盡量縮短鉆井液對(duì)氣層的浸泡時(shí)間，降低對(duì)目的層的污染；套管固井時(shí)，要嚴(yán)格控制水泥漿失水，防止水泥漿漏失造成的環(huán)空竄槽傷害氣層[12-13]。

6 主要成果及技術(shù)效果

使用dc 指數(shù)法、sigma 法、泥頁(yè)巖密度法進(jìn)行地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)，并及時(shí)繪出dc-H 曲線，根據(jù)繪制的趨勢(shì)線細(xì)致監(jiān)測(cè)地層壓力，結(jié)合實(shí)鉆地層及鉆效，隨時(shí)調(diào)整鉆井液密度，實(shí)現(xiàn)平衡鉆進(jìn)，確保安全鉆進(jìn)。

進(jìn)行地層承壓能力試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康氖橇私獾貙拥某袎耗芰Γ员愦_定合適的鉆井液密度，為防漏、防噴做技術(shù)準(zhǔn)備。除特殊要求外，每次開(kāi)鉆在鉆入新地層5～10 m 充分暴露后，對(duì)地層進(jìn)行地漏試驗(yàn)，以了解套管鞋附近地層的承壓能力，為后續(xù)鉆進(jìn)中鉆井液密度的選取和平衡井內(nèi)壓力提供依據(jù)[14]。

采用大口徑繩索取心工藝，實(shí)現(xiàn)了較大間段不提鉆連續(xù)取心，顯著降低鉆進(jìn)輔助時(shí)間，提高鉆探效率。通過(guò)優(yōu)化鉆頭選型，選擇合理鉆進(jìn)參數(shù)，能夠有效破碎硬巖。內(nèi)管提升速度快，減少了目的層受污染時(shí)間，提高了所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低了頻繁提下鉆所引發(fā)的井漏等事故發(fā)生頻率。

應(yīng)用鉀基鉆井液體系，以保護(hù)儲(chǔ)層、安全鉆進(jìn)為目的，既要做到保證井下安全，又要不壓死油氣層，通過(guò)測(cè)得的地層壓力系數(shù)，及時(shí)調(diào)整鉆井液性能，采用近平衡鉆井技術(shù)，嚴(yán)格控制泥漿密度，減少泥漿浸泡時(shí)間，以減輕油氣層的污染程度，更好地保護(hù)氣層。抑制泥頁(yè)巖遇水膨脹，嚴(yán)防井壁垮塌和擴(kuò)徑，為取全取準(zhǔn)各項(xiàng)錄井、測(cè)井資料打下了基礎(chǔ)。

頁(yè)巖氣井各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到質(zhì)量要求。完井測(cè)井結(jié)果顯示，頁(yè)巖氣目的層和水泥封固段平均井徑擴(kuò)大率8%，井斜角度1.5°，全角變化率1.3°/30 m，目標(biāo)層巖心采取率90%，均達(dá)到成井質(zhì)量要求。完井井口安裝了TF244.5×139.7-70 套管頭，Φ139.7 mm 產(chǎn)層套管試壓40 MPa[15]。

7 結(jié)束語(yǔ)

在張宣地區(qū)施工的第一口頁(yè)巖氣井，完成了鉆探、取心、下管固井、完井等作業(yè)，配合了錄井、測(cè)井、壓裂工作，探明了當(dāng)?shù)氐貙訋r性及埋藏構(gòu)造，獲取了地層巖性、巖相、含煤、含氣等地質(zhì)資料。應(yīng)用了大口徑繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，鉀基聚合物鉆井液體系，進(jìn)一步提高了鉆效，保護(hù)了目的層，建成了一口合格的頁(yè)巖氣參數(shù)井，對(duì)盤(pán)活當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)區(qū)塊，開(kāi)發(fā)利用清潔能源具有重要意義。