河南鹿邑深部大口徑頁巖氣調查井鉆探施工技術研究

劉國衛(wèi)，張曉昂，范欽明，張 洋

（1.河南豫中地質勘查工程有限公司，河南鄭州 450016；2.河南省地質研究院，河南鄭州 450016；3.河南省能源鉆井工程技術研究中心；河南鄭州 450016；4.范欽明勞模和工匠人才創(chuàng)新工作室，河南鄭州 450016）

0 引言

海陸過渡相作為頁巖氣富成藏的重要沉積環(huán)境在我國南方地區(qū)分布廣泛［1］。由于沉積環(huán)境的影響，海陸過渡相泥頁巖展布較為局限，橫向連續(xù)性差，單層厚度較薄，累計厚度大，縱向上與煤層、砂巖層疊置頻繁，有機質豐度較高，總脆性礦物含量平均低于50%，黏土含量分布在30%～70%，有利于形成多種類型天然氣藏近距離疊置，實現(xiàn)多氣共采［2-6］。但特殊的沉積環(huán)境及較高黏土含量也為鉆井施工造成了困難［7］。本文以鉆井工程為剖析對象，針對鉆探施工中遇到的坍塌、掉塊、取心等難點，從鉆探設備、鉆井液、鉆具組合等角度，提出相對應的技術措施，以期為該區(qū)域同類鉆井施工提供借鑒。

1 地質條件

鹿邑凹陷位于南華北盆地中北部，主體屬于周口坳陷構造單元，面積2 216.58km2，估算上古生界太原組、山西組頁巖氣總資源量約7 384億m3，具有較大的頁巖氣資源勘探前景［8-9］。該凹陷是一個以古近系沉積為主體、多套地層疊合的斷陷凹陷，結構總體表現(xiàn)為南斷北超。上古生界太原組—山西組屬于海陸過渡相煤系，泥頁巖比較發(fā)育，受區(qū)域構造南北向和東西向主應力場控制，凹陷內部斷裂發(fā)育，不同期地發(fā)育了NW和NE向兩個方向主要斷裂，二者交叉復合、多期改造，形成了現(xiàn)今較為復雜的斷裂體系（圖1）。NW和NE向斷層具有控制凹陷沉積的性質。鹿邑凹陷的斷裂主要以喜馬拉雅期形成的正斷層為主，共有一級斷裂3條；二級斷裂4條［10-11］。鹿邑凹陷由老至新發(fā)育了寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系和新生界，缺失上三疊統(tǒng)及侏羅系、白堊系。

圖1 鹿頁1井構造位置Figure 1 Structural location of Luye 1 well

2 鉆井設計及質量要求

該井是部署在鹿邑凹陷邱集斷鼻的一口頁巖氣調查井，施工目的是查明地層層序，探索上古生界頁巖發(fā)育特征及含氣性，同時兼顧探索致密砂巖氣和煤層含氣性。鉆遇地層如表1所示。

該井為直井，設計井深3360m，完鉆井徑215.9mm，目的層為下石盒子組、山西組、太原組，設計取心200m，完鉆原則為進入奧陶系100m。預測壓力梯度為0.93MPa/100m，預測地溫梯度2.65℃/100m。采用三開井身結構：一開Φ444.5mm鉆頭鉆穿上部松軟、易塌、易漏地層，鉆至穩(wěn)定巖層后下入Φ339.7mm套管，水泥固井上返至地面；二開Φ311.15mm井徑鉆至三疊系致密巖層段，下入Φ244.5mm套管，水泥固井上返至地面；三開Φ215.9mm井徑鉆至奧陶系100m后完鉆。其質量要求如下：

1）井身質量。最大井斜≤6°，水平位移≤120m，全角變化率≤2.5°/30m，井徑擴大率≤15%，目的層≤10%。

2）目的層取心。根據(jù)氣測資料分別在下石盒子組、山西組和太原組非連續(xù)取心，預測總進尺220m，取心率≥85%，巖心直徑＞100mm。

3）固井。水泥漿上返至地面，候凝時間＞48h，水泥漿密度1.82～1.91g/cm3。表層套管穩(wěn)壓10MPa，30min 壓降≤0.5MPa；技術套管穩(wěn)壓20MPa，30min 壓降≤0.5MPa。

3 鉆井施工難點

1）地層變化大。由于該區(qū)斷裂較為發(fā)育，同一構造單元內無鉆井施工項目，二維地震測網(wǎng)密度4km×4km～4km×6km，地層層位預測深度存在不確定性。

2）井壁穩(wěn)定差。由于凹陷構造作用，上覆第四系、新近系、古近系厚度大，砂巖與泥巖互層，且砂巖以泥質膠結為主。山西組中上部及上石盒子組含泥巖層段較多，厚度變化大，地層不穩(wěn)定。泥巖成分以高嶺石、蒙脫石為主，巖心呈塊狀，厚度大，遇水易膨脹，施工中極易出現(xiàn)坍塌、掉塊、埋鉆事故［12-13］。

3）取心難度大。目的層山西組和太原組埋深在3 000m 以深，泥巖、砂巖、煤、灰?guī)r交錯分布，非均質性較大，井底地層壓力大，巖心直徑要求大于100mm，常規(guī)的繩索取心鉆具也難以滿足設計目的，且設計不連續(xù)取心，施工中易發(fā)生卡鉆、埋鉆事故。

4）漏失。奧陶系石灰?guī)r裂隙及巖溶發(fā)育，容易出現(xiàn)掉鉆、漏失等不可預計的情況。

4 鉆井設備及鉆井工藝

綜合以上分析，上部采用螺桿復合鉆+MWD 無線隨鉆快速鉆井工藝［14］，鉆至三疊系堅固地層后下入套管并固井，防止取心段頻繁起下鉆及較長的施工時間影響上部井段穩(wěn)定造成井內事故；目的層段采用川8-3繩索取心工具進行分段取心。

4.1 鉆井設備優(yōu)選

根據(jù)設計井深及最大鉤載、鉆進最大扭矩參數(shù)，本研究采用ZJ40/225 型石油鉆機進行施工，配套2 臺Y450-6 型電動機提供動力。依據(jù)預測最大地層壓力31.2MPa，配套了2FZ35-35 型雙閘板防噴器。

4.2 鉆具組合及鉆進參數(shù)

一開、二開均為無心鉆進，一開采用塔式鉆具組合，防止開孔井斜；二開主要采用復合鉆進技術快速通過上部易垮塌地層；三開不取心段采用復合鉆進技術，取心段采用川8-3 繩索取心工具取心。鉆具組合見表2，鉆進參數(shù)見表3。

表2 鉆具組合Table 2 Combination drilling string

表3 鉆進參數(shù)Table 3 Drilling parameters

4.3 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：水+5%～6%鈉土+0.1% Na2CO3+0.1% CMC。

2）二開井段采用強抑制鉀銨基聚合物鉆井液體系?；九浞剑核?2%鈉土+0.2%～0.5%燒堿+0.2%～0.3% 純堿+0.2%～0.5% 聚丙烯酰胺鉀鹽+0.2%～1%兩性離子聚合物包被劑+0.5%～2%頁巖抑制劑酰胺聚合物+0.5%～1%降濾失劑+0.2%～0.5%增黏劑+0.1%～0.3%降黏劑。

3）三開井段采用強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［15-17］?；九浞剑核?2%鈉土+0.2%～0.5% 燒堿+0.2%～0.3% 純堿+0.2%～0.5%聚丙烯酰胺鉀鹽+5%～10%氯化鉀+0.2%～1%兩性離子聚合物包被劑+0.5%～2%頁巖抑制劑酰胺聚合物+0.5%～1% 降濾失劑+0.2%～0.5% 增黏劑+0.1%～0.3%降黏劑。

5 主要技術對策

5.1 復雜處理及泥漿護壁技術

施工中在井深2 493m時，井內出現(xiàn)坍塌、掉塊現(xiàn)象，并伴有多次卡鉆事故的發(fā)生。根據(jù)預測地層梯度設計泥漿密度為1.05g/cm3，在多次調整鉆井液體密度至1.15g/cm3之后，井內坍塌的現(xiàn)象依然無法有效解決，最多沉渣達60m，下部施工存在極大風險，且可能導致更嚴重的孔內事故，為了確保施工安全，調整了施工方案：即在2 426～2 741m井段采用水泥漿回填、封閉，候凝后側鉆通過坍塌段。

5.2 深孔取心技術

取心段主要從下石盒子組底部開始，鉆具組合：Φ215.9mmPDC鉆頭+川8-3取心筒+Φ158.8mm鉆鋌+Φ127mm鉆桿+Φ133mm方鉆桿。

根據(jù)鉆遇地層泥巖、煤、砂巖互層易坍塌掉塊的特點，取心鉆頭選用PDC筒式取心鉆頭（圖2），鉆齒出刃較小，降低了對井壁的擾動，同時水眼設計在鉆頭體上，有效減少了對巖心的沖刷［18-19］。經(jīng)現(xiàn)場應用試驗，筒式取心鉆頭適宜于海陸過渡相泥頁巖取心施工。全井共取心46回次，連續(xù)取心200m以上，平均收獲率為90.9%，巖心直徑102mm，達到了巖心采樣試驗要求。

圖2 筒式取心鉆頭Figure 2 Barrel-type core bit

6 結論

1）鹿頁1井完鉆井深3 506.50m，完井周期346d，平均機械鉆速1.61m/h，完鉆口徑215.9mm。自下石盒子組開始取心，取心進尺377.44m，累計取心長度343.25m，取心收獲率為90.9%，取心直徑102mm，滿足設計及測試要求。完井最大井斜9.02°/3 482.50m；井底水平位移111.64m；最大全角變化率0.37°/30m，井身質量符合設計要求。

2）通過鉆探施工及取心作業(yè)，配合錄井及測井工作，獲取了原始資料和數(shù)據(jù)，建立了實鉆地層剖面，查明了太原組、山西組、下石盒子組視厚度分別為113.0、97.5、204.5m，主要目的層地層發(fā)育；太原組、山西組埋深為3 247.0～3 455.0m，頁巖氣屬于中深層埋深，為該區(qū)頁巖氣進一步勘探開發(fā)奠定了基礎。

3）鹿頁1井鉆遇51層油氣顯示，在下石盒子組、山西組、太原組鉆遇頁巖含氣層16層278.0m，鉆遇致密砂巖26層133.5m，鉆遇煤層9層15.7m，為資源評價提供了基礎資料。

4）二開采用PDC鉆頭+MWD+0.75°斜單彎螺桿復合鉆進技術，進尺1 976.15m，平均機械鉆速4.6m/h，全面提高了鉆進效率，并有效跟蹤控制了井斜，保證了井身質量。

5）針對該井區(qū)海陸過渡相軟硬互層、易坍塌掉塊的地層特征，優(yōu)選出了強抑制雙鉀銨基聚合物鉆井液體系，密度1.15～1.25g/cm3、黏度180～200s，達到了護壁的目的，解決了孔內坍塌掉塊問題；但較高的泥漿密度影響了地化錄井和氣測錄井資料的可靠性，影響了氣層的評價效果，建議針對該井區(qū)進一步研究更適宜的鉆井液體系。