頁巖氣調(diào)查黔地4井鉆探技術(shù)

王宗友，陳 剛，喬生貴

(四川省煤田地質(zhì)局一四一隊(duì)，四川 德陽 618000)

1 地層概況

黔地4井是部署在渝東南凹陷褶皺帶濯河壩向斜南段的一口頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組—上奧陶統(tǒng)五峰組，設(shè)計(jì)井深2400 m。鉆探目的是進(jìn)一步探索黔江頁巖氣區(qū)塊南部有利區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖含氣性，獲取目的層段有關(guān)評(píng)價(jià)頁巖氣的各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)。

1.1 地層

鉆井位置區(qū)域預(yù)測(cè)地層見表1。

1.2 油、氣、水層位置預(yù)測(cè)

表1 區(qū)域地層

預(yù)計(jì)井漏及氣顯示層段見表2。

1.3 預(yù)測(cè)地層產(chǎn)狀及斷層情況

表2 黔地4井油、氣、水、漏顯示層段預(yù)測(cè)

黔地4井位于濯河壩向斜南部，西臨天館背斜，東臨咸豐背斜，向斜軸線呈南北條帶分布(兩背斜夾一凹)；凹陷軸部發(fā)育順軸斷層F5，斷層西部地層較陡，地層為東傾，斷層?xùn)|部地層相對(duì)較為寬緩，地層傾角約為18°，龍馬溪組—五峰組地層與咸豐背斜接觸處為逐漸尖滅，黔地4井位置距目的層尖滅線6.2 km，埋深相對(duì)較深。

2 鉆井質(zhì)量指標(biāo)及技術(shù)要求

鉆井工程質(zhì)量按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227—2010)第16條鉆探工程質(zhì)量執(zhí)行。其中目的層段五峰組—龍馬溪組巖心采取率≮95%。嚴(yán)格控制全井井斜，正常鉆進(jìn)中用ADS測(cè)斜儀進(jìn)行井身質(zhì)量監(jiān)控，根據(jù)規(guī)范測(cè)斜，每鉆進(jìn)50 m測(cè)一次，取得井斜角和方位角資料，井斜超標(biāo)時(shí)要采取控制措施并加密測(cè)量。鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)如下。

項(xiàng)目名稱：黔地4井鉆井工程；

井號(hào)：黔地4井地質(zhì)調(diào)查井；

地理位置：重慶市酉陽縣雙泉鄉(xiāng)城墻村3組；

設(shè)計(jì)井深：2400 m；

設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：SYT 5965—2010；

井型：直井；

完鉆層位：中奧陶統(tǒng)寶塔組；

目的層：龍馬溪組—五峰組。

3 鉆井工藝技術(shù)

3.1 鉆探設(shè)備、機(jī)具配置

鉆探主要設(shè)備根據(jù)施工的鉆井目的、施工的環(huán)境條件、鉆探方法、鉆井深度、終孔直徑等綜合因素確定。主要設(shè)備見表3。

3.1.1 鉆機(jī)

黔地4井設(shè)計(jì)孔深2400 m，終孔口徑95 mm，鉆機(jī)選用AC-VFD-AC交流變頻電驅(qū)動(dòng)全數(shù)字控制的XD-30DB型頂驅(qū)巖心鉆機(jī)[1],主要部件及配套系統(tǒng)包括:鉆塔、頂驅(qū)、主絞車、電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)(VFD房)、司鉆房、繩索取心絞車、液壓站、動(dòng)力鉗、工具卷揚(yáng)、泥漿泵。鉆機(jī)遠(yuǎn)景見圖1。

表3 鉆探設(shè)備配置

圖1 XD-30DB型交流變頻頂驅(qū)巖心鉆機(jī)

XD-30DB型交流變頻頂驅(qū)巖心鉆機(jī)鉆井深度?77 mm口徑鉆深能力可達(dá)4000 m，?95 mm口徑3000 m，?122 mm口徑2000 m，滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)井深要求。該型鉆機(jī)配以先進(jìn)的數(shù)字化操控司鉆臺(tái)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆孔內(nèi)鉆進(jìn)參數(shù)，能有效地控制并減少鉆探事故，最大行程15 m，工藝適用性好，信息化程度高。

3.1.2 泥漿泵

泥漿泵選擇主要根據(jù)鉆孔的深度及直徑，以能順利循環(huán)、排渣，達(dá)到攜帶巖粉，冷卻鉆具、鉆頭的能力。本井選擇BW300/16型泥漿泵，該泵主要用于中深孔及深孔巖心鉆探泵送沖洗液,交流變頻，最大流量300 L/min。

3.1.3 防噴器

防噴器是井控裝置的關(guān)鍵部分，通過分析臨近鉆孔資料，該地區(qū)屬于低壓區(qū)，選擇額定工作壓力為35 MPa的2FZ18-35型液動(dòng)雙閘板防噴器。

3.2 鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[2]

3.2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)地層特點(diǎn)、鉆孔深度及終孔直徑，鉆孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為：?219 mm鉆頭開孔鉆進(jìn)至10 m，下?180 mm套管并固井；換?122 mm鉆頭鉆進(jìn)至600 m，穿過灰?guī)r漏失地層；?165 mm鉆頭擴(kuò)孔，下?140 mm套管護(hù)壁固井；?122 mm鉆頭鉆進(jìn)至1200 m，直接用?114 mm鉆桿作為技術(shù)套管；?95 mm鉆頭鉆進(jìn)至終孔。

3.2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2.2.1 優(yōu)化依據(jù)

鉆井井深至491 m，在最易漏失段茅口組、棲霞組灰?guī)r沒遇見大的裂隙及溶洞，有中小漏失通過隨鉆堵漏已能止漏，只在431～454 m井段地層換層，出現(xiàn)裂隙及巖石破碎,發(fā)生過幾次失返性漏失，采用水泥漿液封堵已護(hù)好井壁。鉆孔已經(jīng)穿過易漏失的茅口組、棲霞組灰?guī)r，并通過梁山組鉆進(jìn)至韓家店組50 m，漏失情況完全控制住，返漿良好。經(jīng)地質(zhì)部門綜合對(duì)比分析，目前已鉆韓家店組穿過了頂部漏失層段，下部巖石整體較為完整，在韓家店組及下部地層可能存在微裂縫較發(fā)育現(xiàn)象，但可排除較大規(guī)模裂縫發(fā)育、發(fā)生惡性井漏的可能。對(duì)黔江、酉陽東區(qū)塊已有鉆井情況的分析，受區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造條件的控制，黔地4井保存條件差，地層壓力系數(shù)低，在韓家店地層不可能發(fā)育高壓氣層。

若鉆孔直徑從?122 mm擴(kuò)孔至?165 mm至井深491 m，上部地層長井段擴(kuò)孔會(huì)導(dǎo)致已封堵地層出現(xiàn)再次漏失，導(dǎo)致堵漏、蓄水等輔助時(shí)間長，且增加出現(xiàn)井內(nèi)復(fù)雜情況的擴(kuò)孔風(fēng)險(xiǎn)，延長工期。原井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擴(kuò)孔固井的目的是防止漏失、垮塌、安裝防噴器，目前孔內(nèi)漏失問題已解決，并且孔內(nèi)無垮塌情況，431～454 m井段水泥固井良好。

3.2.2.2 優(yōu)化后實(shí)際井身結(jié)構(gòu)

?122 mm鉆頭鉆至849.73 m，直接將?114 mm繩索取心鉆桿作套管，下部100 m水泥固井，井口安裝防噴器。?95 mm鉆頭鉆至終孔井深2258 m，實(shí)際井身結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 實(shí)際井身結(jié)構(gòu)

3.3 鉆進(jìn)工藝

黔地4井除?219～165 mm開孔導(dǎo)管及擴(kuò)孔段外，一開、二開口徑采用繩索取心鉆進(jìn)工藝[3-4]。利用繩索打撈器撈取巖心容納管取心鉆進(jìn)技術(shù)具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，其中最突出的優(yōu)點(diǎn)之一是工程質(zhì)量高，地質(zhì)效果好，提高鉆進(jìn)效率。

3.4 繩索取心金剛石鉆頭

3.4.1 鉆頭方案設(shè)計(jì)

黔地4井鉆遇地層主要巖性為灰?guī)r、泥頁巖、粉砂質(zhì)泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰質(zhì)粉砂巖，巖石可鉆性級(jí)別以4級(jí)為主。巖石硬度較軟，研磨性較弱，選用中等硬度細(xì)顆粒孕鑲金剛石鉆頭[5]。繩索取心鉆頭的水口適當(dāng)加寬，方便排渣，降低泵壓,鉆頭內(nèi)徑加大金剛石濃度，防止鉆頭內(nèi)徑磨損過快。根據(jù)巖石可鉆級(jí)別，胎體硬度HRC30～40，唇面型式為同心尖齒、同心階梯齒為主。見圖3。

圖3 繩索取心金剛石鉆頭

3.4.2 鉆頭效率

鉆進(jìn)施工中，開孔導(dǎo)管段?219、165 mm為單管復(fù)合片鉆頭。?122、95 mm為繩索取心孕鑲金剛石鉆頭，胎體硬度為HRC37～39。

一開使用?122 mm金剛石鉆頭4個(gè)，平均進(jìn)尺180 m,最大鉆頭壽命412 m；二開使用?95 mm鉆頭9個(gè)，平均進(jìn)尺158 m，最大壽命466 m。

3.5 鉆進(jìn)參數(shù)

XD-30DB型鉆機(jī)最大轉(zhuǎn)速600 r/min，為新購鉆機(jī)，對(duì)鉆機(jī)性能掌握有限，使用中為預(yù)防頂驅(qū)電機(jī)溫度過高損壞頂驅(qū)，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行限速設(shè)置；鉆壓略大于鉆桿二次彎曲臨界鉆壓，對(duì)防止鉆孔偏斜有利[7]，鉆進(jìn)參數(shù)見表4。1015～1185 m鉆壓>15 kN，孔斜增大，為控制孔斜，1185 m后將鉆壓控制在12 kN以內(nèi)。

表4 鉆進(jìn)參數(shù)

3.6 鉆井液及護(hù)壁

3.6.1 鉆井液性能

黔地4井鉆遇地層相對(duì)穩(wěn)定，鉆井液[6-9]性能主要控制以下幾點(diǎn)。

3.6.1.1 泥漿潤滑性能

繩索取心鉆進(jìn)工藝主要是靠高轉(zhuǎn)速研磨破碎，在鉆具高轉(zhuǎn)速下泥漿的潤滑性能對(duì)鉆具的保護(hù)尤為重要，尤其是深孔鉆進(jìn)。

3.6.1.2 泥漿攜帶巖屑的能力

深孔鉆進(jìn)過程中巖粉及巖屑若不能及時(shí)排出，就會(huì)造成巖屑重復(fù)破碎，影響鉆進(jìn)效率，同時(shí)巖粉過多會(huì)造成打撈巖心時(shí)(停泵)泥漿反壓，造成內(nèi)管遇卡情況的出現(xiàn)。

3.6.1.3 泥漿的護(hù)壁性能

泥頁巖及破碎地層要控制好泥漿失水量及泥餅質(zhì)量，減少泥漿中水的滲透，降低巖層吸水脹及垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，長井段的裸眼需要穩(wěn)定的井壁，保證取心鉆進(jìn)順利進(jìn)行。

3.6.2 鉆井液配方

鉆井液采用無固相—低固相泥漿，配比為：基漿+0.3%片堿+0.5%CMC+0.02%聚丙酰胺+0.5%特效潤滑劑+0.5%聚乙烯單體共聚物141+0.3%保壁劑+低熒光防塌降失水劑。鉆遇漏失地層加0.2%～1%隨鉆堵漏劑。

3.6.3 鉆井液測(cè)試

主要測(cè)試其粘度、密度、失水量。粘度控制在20～24 s，密度1.01～1.03 g/cm3，API失水量<10 mL/30 min。

該井鉆井液主要強(qiáng)調(diào)降失水、潤滑性。消耗較多的材料為低熒光防塌護(hù)壁降失水劑、特效潤滑劑。

3.6.4 護(hù)壁堵漏[10]

(1)堵漏:失返性漏失有2段，通過常規(guī)堵漏無效后用水泥封堵，輕微漏失段通過隨鉆堵漏劑堵漏。水泥封孔堵漏見表5。

表5 水泥漿堵漏統(tǒng)計(jì)

(2)固井:0～10.7 m下?180 mm套管，10.7～21 m下?140 mm套管并固井；一開?122 mm鉆進(jìn)結(jié)束，用?114 mm繩索取心鉆桿做技術(shù)套管，并在底部和頂部封固套管，考慮到井控安全及后期方便起拔套管，下部固井段至少封閉100 m，在705.93 m處用正反扣接頭連接上下部套管，方便起拔，在上部環(huán)空封閉以防止巖屑、巖粉竄入環(huán)空間隙。

4 保質(zhì)增效技術(shù)

4.1 加長巖心容納管

二開?95 mm鉆進(jìn),采購和配套4.5 m長繩索取心內(nèi)外管組合，每回次的取心長度增加1.5 m，提高了純鉆進(jìn)時(shí)間,相同時(shí)間內(nèi)鉆進(jìn)效率提高12.6%。

4.2 卡取巖心技術(shù)

4.2.1 巖心脫落原因

在鉆進(jìn)韓家店組地層1114～1145 m，新灘組地層2060～2080 m多次掉落巖心，主要原因?yàn)殂@進(jìn)過程中巖層軟硬互層，存在鉆速差,造成巖心外徑大小不一，在巖心上形成葫蘆狀凹槽，回次取心時(shí)，遇到巖心直徑較小處，卡不住而脫落。

4.2.2 卡取巖心技術(shù)

減小卡簧內(nèi)徑，從廠家定制非常規(guī)?62 mm卡簧(常規(guī)卡簧直徑62.5 mm)，或通過點(diǎn)焊增加卡簧內(nèi)徑，適當(dāng)加大卡簧開口處寬度，讓卡簧行程更長，適應(yīng)巖心直徑，見圖4?；卮芜M(jìn)尺結(jié)束前，適當(dāng)提高鉆壓，使鉆進(jìn)巖心減少磨損，更利于卡取巖心。每次卡取巖心時(shí)，快速回轉(zhuǎn)鉆具，使已卡斷的巖心在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中在內(nèi)管或卡簧內(nèi)遇到較大的扭矩而卡穩(wěn)，不易脫落。通過上述措施提高了巖心采取率及鉆進(jìn)效率。黔地4井共取心681回次，進(jìn)尺2258 m，心長2214.30 m，巖心采取率98%。

圖4 卡簧點(diǎn)焊后巖心上形成的拉痕

4.3 孔斜控制

孔斜預(yù)防和控制[11-15]是影響鉆井質(zhì)量和鉆探效率的主要工藝技術(shù)因素之一。本井采用多點(diǎn)KXP-2X型無線數(shù)字羅盤測(cè)斜儀，由于KXP-2X型測(cè)斜儀測(cè)方位是在非磁性環(huán)境中工作，鉆進(jìn)過程中為減少提鉆時(shí)間，在鉆桿內(nèi)測(cè)斜，主要記錄頂角，方位角則通過與內(nèi)管連接的變徑接頭伸出鉆具在無磁環(huán)境中測(cè)量，提高測(cè)斜效率。鉆井在1015～1185 m井斜彎曲強(qiáng)度增大較快，在1185 m控制鉆壓后孔斜基本保持不變。

(1)井斜原因分析：二開鉆進(jìn)井徑由直徑?122 mm變?yōu)?95 mm，在1065 m井深內(nèi)管長度由3.0 m增加到4.5 m,粗徑鉆具直徑變小，長度增加,因而二次彎曲臨界鉆壓降低，未及時(shí)調(diào)低鉆壓，造成井斜彎曲強(qiáng)度增大。

(2)孔斜控制措施及效果：在粗徑鉆具上增加一個(gè)擴(kuò)孔器，起扶正作用。降低鉆壓在8～12 kN，孔斜得到控制，甚至出現(xiàn)下降情況。通過井斜控制，該井至完鉆，沒有出現(xiàn)二次增斜,完鉆井斜12.6°,見表6。據(jù)地質(zhì)鉆探行業(yè)鉆孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，孔斜為甲級(jí)孔標(biāo)準(zhǔn)。

表6 黔地4井測(cè)斜數(shù)據(jù)

5 環(huán)境保護(hù)

5.1 環(huán)境保護(hù)措施

(1)鉆場(chǎng)、生活區(qū)挖掘廢液池，收集鉆探機(jī)械水泥砂漿硬化，厚度>15 cm,池內(nèi)壁作混凝土磚砌筑防滲處理，保證廢液、廢液、廢沖洗液、生活污水。廢液池及泥漿循環(huán)槽底用廢漿不滲漏污染地下水體。

(2)廢液池中污水在施工和結(jié)束后委托酉陽縣污水處理廠運(yùn)移處理。

(3)廢棄巖粉及巖屑在復(fù)墾前通過加水泥攪拌現(xiàn)場(chǎng)固化，并通過運(yùn)移、填埋處理。對(duì)生活垃圾和其它廢棄物統(tǒng)一收集后,在指定場(chǎng)所進(jìn)行焚燒或填埋。

5.2 土地復(fù)墾

井場(chǎng)的碎石、片石墊層徹底清理，井場(chǎng)池類進(jìn)行回填，機(jī)臺(tái)基礎(chǔ)挖去60 cm厚。在原土地上覆以耕土，見圖5。

圖5 井場(chǎng)土地復(fù)墾恢復(fù)后的地貌

6 鉆井周期及鉆效

6.1 鉆井周期

本井2016年12月25日開孔,于2017年5月17日鉆至2258.00 m完井。7月13日通過鉆井井場(chǎng)環(huán)保驗(yàn)收。

6.2 鉆效

6.2.1 全井段鉆效

黔地4井鉆井工期141.7 d，平均機(jī)械鉆速1.78 m/h,鉆月效率478 m,不計(jì)春節(jié)組織停工,鉆月效率535 m,其中二開純鉆進(jìn)時(shí)間為42.5%,鉆效704 m,詳見表7。

表7 鉆進(jìn)效率統(tǒng)計(jì)

6.2.2 效率分析

全井生產(chǎn)時(shí)間占78.7%，其中純鉆進(jìn)時(shí)間37.4%，全井非生產(chǎn)時(shí)間21.3%。與同口徑、深度的地質(zhì)孔相比，黔地4井施工周期短，鉆進(jìn)效率高。一開純鉆進(jìn)時(shí)間33.0%,而非生產(chǎn)時(shí)間占34.3%，非生產(chǎn)時(shí)間超過純鉆進(jìn)時(shí)間，主要原因：一是春節(jié)放假停工15 d，復(fù)工完善、調(diào)試相關(guān)設(shè)備,排除孔底沉渣，護(hù)壁堵漏等延誤工期；二是?122 mm繩索取心鉆進(jìn)鉆速相對(duì)低。二開?95 mm鉆進(jìn)，施工時(shí)間60 d，進(jìn)尺1408.29 m,純鉆進(jìn)時(shí)間42.5%,生產(chǎn)時(shí)間98.2%，鉆效704 m。

7 結(jié)語

深孔頁巖氣全取心調(diào)查井配置交流變頻頂驅(qū)鉆機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)、油壓立軸式鉆機(jī)比,信息化程度高，鉆進(jìn)參數(shù)可無級(jí)調(diào)速、調(diào)整，精確控制，確保安全文明生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效。根據(jù)實(shí)鉆進(jìn)程優(yōu)化鉆井結(jié)構(gòu)，減小擴(kuò)孔風(fēng)險(xiǎn)及工作量，鉆井結(jié)構(gòu)與鉆具匹配合理，提高鉆井質(zhì)量與效率。選用適巖中等胎體硬度孕鑲齒輪形、同心圓階梯繩索取心金剛石鉆頭，加寬水口，加大鉆頭內(nèi)外徑金剛石濃度，鉆頭壽命高，減小起下鉆次數(shù)及時(shí)間，提高鉆進(jìn)效率。加長繩索取心內(nèi)管長度，由常規(guī)3.0 m加長至4.5 m,相同時(shí)間,鉆效提高10%以上。采用防滲、固化、運(yùn)移、污水外理、粘土覆土等環(huán)境保護(hù)措施，達(dá)到保護(hù)環(huán)境、土地復(fù)墾目的。黔地4井一開?122 mm鉆進(jìn)，今后項(xiàng)目施工應(yīng)在不超鉆機(jī)額定最高轉(zhuǎn)速的情況下，提高轉(zhuǎn)速，發(fā)揮繩索取心工藝孕鑲金剛石鉆頭高轉(zhuǎn)速碎巖的特點(diǎn)，鉆效會(huì)進(jìn)一步得到提高。針對(duì)性的技術(shù)措施須與嚴(yán)格的組織管理措施結(jié)合，方能更好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效。

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