沙漠地區(qū)頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井施工技術

尹亮先，李得新，田小林，謝治國

(1.四川省煤田地質(zhì)局一三七隊，四川達州635006;2.重慶礦產(chǎn)資源開發(fā)有限公司，重慶401123)

沙漠地區(qū)頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井施工技術

尹亮先1，李得新1，田小林1，謝治國2

(1.四川省煤田地質(zhì)局一三七隊，四川達州635006;2.重慶礦產(chǎn)資源開發(fā)有限公司，重慶401123)

武威盆地兒馬湖凹陷地質(zhì)調(diào)查井武地1井鉆井工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)騰格里沙漠腹地，施工條件惡劣。上部第四系覆蓋層主要巖性為黃色砂土和紅色細砂，厚度大，松散易垮塌。針對武地1井鉆井難點，從井場建設、鉆井設備的選擇、井身結(jié)構(gòu)、鉆井液優(yōu)化等方面采取措施，為沙漠地區(qū)鉆井施工積累了經(jīng)驗。

沙漠地區(qū);覆蓋層;井身結(jié)構(gòu);鉆井液;頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井

0 引言

目前，隨著常規(guī)油氣資源不斷枯竭和消耗，越來越多的目光開始轉(zhuǎn)向頁巖氣。為了加快頁巖氣的開發(fā)利用，國家發(fā)改委和國家能源局研究制定了鼓勵頁巖氣勘探與開發(fā)利用的政策，同時加大科技攻關力度，突破頁巖氣勘探核心技術，促進我國頁巖氣勘探開發(fā)步伐。2015年四川省煤田地質(zhì)局一三七隊受中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心委托，施工武威盆地兒馬湖凹陷地質(zhì)調(diào)查井武地1井鉆井工程。該井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)騰格里沙漠腹地，雖然在該沙漠區(qū)域無其它鉆孔資料及地質(zhì)資料作為參考，但經(jīng)過精心設計、嚴格管理，順利完成了該井的施工任務，為沙漠地區(qū)頁巖氣鉆井施工提供了經(jīng)驗。

1 項目概況及地質(zhì)要求

1.1 礦區(qū)基本概況

武地1井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟巴彥浩特鎮(zhèn)以西的騰格里沙漠中(圖1)，周圍并無高等級道路及鐵路通過，交通條件較為不便，距離最近的補給站寧夏中衛(wèi)市約150 km。該地區(qū)降水稀少，最高氣溫45℃，最低氣溫－35℃;終年盛行西南風，主要害風為西北風，風沙危害為主要自然災害。騰格里沙漠中的湖盆光熱充足，地下水較豐富，埋深15～20 m，是沙漠內(nèi)的綠洲。

圖1 武地1井鉆井地形地貌

1.2 地層情況

武地1井鉆遇地層自上而下依次為:第四系(Q)，第三系(R)，白堊系巴彥浩特組(K1b)，侏羅系芬芳河組(J2－3f)，二疊系山西組(P1sh)，石炭系太原組(C2t)、羊虎溝組(C2y)、靖遠組(C2j)(未穿)。

上述層位中，二疊系山西組和石炭系太原組為區(qū)塊內(nèi)主要富有機質(zhì)頁巖發(fā)育層位。因區(qū)塊構(gòu)造運動頻繁，斷裂發(fā)育，破碎帶、軟硬互層及水敏地層等情況交替復雜多變;地處盆地，施工進入目的層山西組和太原組時，或是鉆進時揭穿致密砂巖層，可能會有大量可燃氣體伴隨沖洗液上返，給鉆探施工造成了一定的難度。

1.3 鉆井技術要求

(1)設計井深2210 m，除第四系表土覆蓋層，要求全井取心率＞85%，頁巖目的層段取心率＞95%;

(2)平均井徑擴大率≯15%;

(3)完鉆口徑≮96 mm;

(4)直井最大井斜≯3°，井眼曲率＜2°/30 m;

(5)井底位移＜50 m。

2 鉆井技術難點

2.1 沙層的不均勻沉降

沙層會導致透水流通、涌沙坍塌、穿透等問題，若基礎工程設計不當或施工中無對應措施，有可能導致工程事故。如鉆井施工前如果不對沙層基礎進行加固處理，在鉆井過程中可能會不均勻沉降，導致機臺傾斜，嚴重的會造成鉆塔傾覆，發(fā)生傷人事故。

2.2 第四系(覆蓋層)厚度大

第四系井段為0～660.21 m，上部為松散的黃色砂土，下部為疏松的紅色細砂，手捏即散(圖2)。因其第四系松散浮砂堆積結(jié)構(gòu)性差、顆粒間無膠結(jié)、力學性質(zhì)不穩(wěn)定，導致在第四系砂層中進行鉆探施工，鉆井內(nèi)經(jīng)常發(fā)生掉塊、坍塌、縮徑等井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重的還會造成埋鉆封門事故，造成鉆井報廢，影響鉆探的進度及質(zhì)量。

圖2 武地1井第四系巖心

2.3 井斜控制難度大

地層傾角為0°～50°之間，為易傾斜地層，井斜控制難;并且地層軟硬互層頻繁，在鉆進過程中，由于鉆井遇層角臨界值的不同，會產(chǎn)生頂層進或是順層跑現(xiàn)象，從而造成井斜增大。

2.4 目的層巖心采取率要求高

二疊系山西組和石炭系太原組為本井主要目的層，巖心采取率要求高。因山西組、太原組地層中均夾煤層，對巖心采取造成了困難。

2.5 井場防風、防沙塵問題

終年盛行西南風，主要害風為西北風，年平均風日70天左右，年平均風速3～4 m/s，平均風力3級，2—3月份可能會出現(xiàn)8級暴風，風勢強烈，風沙危害為主要自然災害。

3 鉆井施工技術

3.1 井場建設

(1)在距離井場100 m處，施工一口供水井，為場地建設、鉆井工程施工提供生產(chǎn)用水。

(2)鉆井井場開挖找平后(20 m×50 m)，對場地抽水澆灌，采用水沉降密實法，加速整個井場沙層的自然沉降，增加沙層的密實度及承載力，防止施工過程中不均勻沉降造成的鉆塔傾斜，自然沉降結(jié)束后，找平井場。

(3)井場填土石方料，厚度20 cm，采用壓路機壓實，極大減緩大風天氣沙層移動填埋井場;井場中部開挖10 m×10 m×1.5 m池子(鉆塔、鉆機位置)，填土石方料，壓密夯實，增強地基的穩(wěn)定性。

(4)按照鉆機生產(chǎn)標準化要求，對場地進行功能分區(qū)，擺放鉆桿、套管等材料。泥漿池、沉淀池、重泥漿儲備池邊緣硬化處理，并刻槽、拉毛，防止跌滑。

3.2 鉆井設備

選擇的主要鉆井設備見表1。

表1 武地1井鉆井設備

3.3 普通硬質(zhì)合金鉆進和繩索取心鉆進工藝

由于武地1井地層的特殊性，依據(jù)地質(zhì)巖心鉆探鉆具口徑系列，采取普通硬質(zhì)合金鉆進與多級繩索取心鉆進工藝相結(jié)合的工藝方式。鉆具組合及套管尺寸見表2，井身結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表2 鉆具組合及套管尺寸

圖3 武地1井井身結(jié)構(gòu)示意

一開、二開采用普通硬質(zhì)合金鉆進，硬質(zhì)合金鉆頭唇面較小，鉆進過程中很大程度上減少了對沙層的磨蝕擾動，減緩了上部孔壁擴大率。

鉆至井深237.13 m，未見基巖，巖性為紅色細砂，為預防單管鉆進頻繁起下鉆具抽吸作用對井壁的擾動而引起井壁垮塌，另外也預防上部第四系在鉆井液中浸泡時間過長，可能造成井壁不穩(wěn)，換用JS122繩索取心鉆進工藝(使用薄壁金剛石鉆頭)，利用繩索取心的鉆進優(yōu)勢，快速穿過第四系覆蓋層，鉆至井深660.21 m處見基巖，鉆至井深661.97 m，下入護壁套管。

四開采用JS98金剛石繩索取心鉆進，揭穿第三系后，起鉆更換薄壁金剛石鉆頭，鉆桿涂抹黃甘油，直接將鉆桿作為套管下入井內(nèi)，做為技術套管儲備。在繼續(xù)鉆進過程中，如再次遇局部地層復雜，還可以在不起鉆的情況下繼續(xù)鉆進追加技術套管，減少了事故的發(fā)生，為鉆孔順利完工提供了有利的保障。

3.4 防斜及巖心采取

3.4.1 井斜預防控制措施

確保安裝質(zhì)量，保證“天車、回轉(zhuǎn)器、井口”三點一線。立軸要同心，不能有曠動，在鉆進過程中要經(jīng)常檢查和校正鉆機水平。

第四系地層、沙層無膠結(jié)，鉆進時采用大壓力小泵量，快速突進。

進入基巖后，針對易傾斜地層(傾角25°～55°之間的地層)，采取適當降低鉆進壓力、提高轉(zhuǎn)速的方式來控制井斜。具體操作方式為:先控制回次進尺為3 m/(2.5～3 h)，記錄每回次的鉆進壓力、轉(zhuǎn)速、泵量，每鉆進25～30 m，使用JTL－40FW型陀螺測斜儀進行定點測斜，當井斜突然增大或有增大趨勢時，應及時調(diào)整鉆進參數(shù)，適時減小鉆壓、增加轉(zhuǎn)速;如孔斜無增大或是較小的增幅，則可以適當?shù)卦黾鱼@壓、轉(zhuǎn)速來提高鉆進效率。原則上提高鉆進效率不能以井斜超標為代價。

如發(fā)現(xiàn)鉆井偏斜超限，應采取反鉆或螺桿鉆具糾正，達到要求斜度后方可正常鉆進。

3.4.2 巖心采取

基巖段:內(nèi)管總成下井前，要認真檢查取心鉆具的完好性，即內(nèi)管的單動性、內(nèi)鉆頭與外鉆頭的間隙、卡簧的有效性等，不合格者嚴禁下井;鉆遇破碎帶，或發(fā)生巖心堵塞時，應及時打撈內(nèi)管，防止巖心磨損;取心困難時，應限制回次進尺在0.5 m以內(nèi)。

煤層段:鉆頭采用二階梯金剛石鉆頭，該鉆頭接觸煤層唇面較小，在很大程度上減少了對煤層的磨蝕，保證了煤樣的采取成功率。其次，該鉆頭在階梯處設計斜水口，鉆井液經(jīng)過內(nèi)外管的間隙，流經(jīng)鉆頭時從階梯處的斜水口流出，避免了鉆井液從鉆頭底部水口流出對煤樣的沖刷。

3.5 鉆井液

根據(jù)頁巖氣評價技術規(guī)范要求，進入目的層鉆進時，鉆井液不能加入任何含油、含熒光等會影響頁巖氣評價樣品分析化驗結(jié)果的處理劑和添加劑。在鉆井施工前，由于無其他地質(zhì)鉆井資料做參考，只能針對施工區(qū)域黃沙進行室內(nèi)小樣實驗，實驗室調(diào)配鉆井液性能，可保證在室內(nèi)狀態(tài)下沙粒成團不松散。經(jīng)過實驗及施工操作對比，提供了3種鉆井液的配方。

3.5.1 低固相鉆井液

(1)開孔至井深661.97 m，巖性主要為松散的黃色砂土和紅色細砂，松散易垮塌。

鉆井液配方:清水+8%～10%膨潤土+0.5%～1%CMC+0.3%～0.5%純堿+0.5%～1%仿磺化瀝青+6‰低熒光封堵降濾失防塌劑。

性能指標:密度1.06～1.10 g/cm3，粘度40～55 s，API失水量8～12 mL，pH值8.0～9.0，泥皮厚度＜1 mm。

(2)井深1190～2210.11 m，巖性主要以細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，部分巖層較為破碎。

鉆井液配方:清水+5%～8%膨潤土+0.5%～0.7%CMC+0.3%～0.5%純堿+0.4%～0.5%仿磺化瀝青。

性能指標:密度1.05～1.08 g/cm3，粘度24～35 s，API失水量6～10 mL，pH值8.0～9.0，泥皮厚度＜1 mm。

3.5.2 無固相鉆井液

井深661.97～1190 m，巖性主要以粗砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖、中礫巖及泥巖為主，巖石較為完整，采用無固相鉆井液。

鉆井液配方:清水+0.1%～0.15%PHP+0.3%～0.5%高效潤滑劑+1.0%～2.0%仿磺化瀝青。

性能指標:密度1.01～1.03 g/cm3，粘度18～24 s，pH值7.5～8.0。

在不同井深段采用無固相和低固相鉆井液，密度合理，基本滿足了鉆進工藝的要求，在后續(xù)的施工鉆進中，只有局部井段產(chǎn)生掉塊，沒有影響正常鉆進;同時泥漿粘度適當，保證了前期細砂的攜帶和沉淀;合理的鉆井液配比及參數(shù)，為武地1井鉆井順利竣工提供了保障。

3.6 防風

(1)井場分區(qū)后，要進行封閉包裹，為防止沙土進入泥漿池、沉淀池等沉淀后影響鉆探施工，在井場周圍張掛防沙網(wǎng)，高度6 m以上，定期檢查防沙網(wǎng)外黃沙的堆積情況，達到一定高度時及時清除。

(2)收集近3年氣象資料，對大風、沙塵、揚沙等極端天氣分布做統(tǒng)計，并手機訂閱本區(qū)域天氣預報信息，提前做好預防措施。

(3)若遇大風預警天氣，應提前卸下塔衣;將鉆具下至孔內(nèi)安全位置，用提引器吊住;扎好井口，防止風沙倒灌井口;采用遮塵布包裹機械設備，防止風沙進入發(fā)動機中影響工作;人員撤之生活區(qū)待命，不得隨意出門走動。

4 鉆井施工效果

經(jīng)過精心設計，嚴格組織管理，井隊努力克服外部施工環(huán)境惡劣的困難，順利安全完成了武地1井施工。完鉆井深2210.11 m，臺月效率389.79 m，目的層巖心采取率98.19%，完鉆井斜2.8°。通過鉆探探明該區(qū)域地下深部地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，為地層劃分提供了依據(jù)。并且在進入目的層后為該實驗井單孔頁巖氣資源含量數(shù)據(jù)提供了巖樣，為武威盆地頁巖氣區(qū)塊資源潛力評價和有利區(qū)優(yōu)選，提供了第一手資料。

5 結(jié)語

(1)生產(chǎn)實踐證明，鉆前井場建設及鉆井液小樣實驗，預防了地基的不均勻沉降及井壁垮塌，減少了井內(nèi)事故發(fā)生，保證了武地1井順利竣工。

(2)沙漠地區(qū)施工，應充分做好后勤保障工作，減少因待料而造成工期延誤;做好災害天氣的預防工作，避免發(fā)生人員財產(chǎn)損失。

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/YIN Liang-xian1，LI De-xin1，TIAN Xiao-lin1，XIE Zhi-guo2(1.137 Geological Team of Sichuan Coalfield Geology Bureau，Dazhou Sichuan 635006，China;2.Chongqing Mineral Resourses Development Co.，Ltd.，Chongqing 401123，China)

Construction Technology of Geological Survey Well for Shale Gas in Desert Area

Wudi－1 is a geological survey well in Ermahu depression of Wuwei basin and the drilling project is located in the hinterland of Inner Mongolia Autonomous Region Tengger Desert with bad construction conditions.The main lithologies of upper Quaternary overburden are yellow sand and red fine sand with large thickness，being loose and easy to collapse.According to the drilling difficulties of Wudi－1，the measures were taken in site construction，drilling equipments selection，casing program，and drilling fluid，the experience has been accumulated for drilling construction in desert area.

desert area;overburden layer;casing program;drilling fluid;geological survey well for shale gas

P634.5

:A

1672－7428(2017)03－0017－04

2016－09－25

尹亮先，男，漢族，1984年生，鉆探公司副總經(jīng)理，工程師，注冊二級建造師，從事鉆探項目管理工作，四川省達州市華蜀南路200號，yinliangxian1984@sina.com。