高鵬舉,董向宇,馬 峰,王 昭,王曉賽
(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊065000;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北石家莊050061;3.河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì),河北 衡水053000)
D15 井是中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“京津冀地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)與綜合開(kāi)發(fā)示范工程”2019 年在雄安新區(qū)的一口地?zé)岬刭|(zhì)勘探井,由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所進(jìn)行工程部署,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所承擔(dān)實(shí)施。該井鉆探目的為揭露容城凸起北部斜坡帶地層發(fā)育情況,服務(wù)于新區(qū)地?zé)衢_(kāi)發(fā)規(guī)劃,為晾馬臺(tái)特色小鎮(zhèn)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)提供參數(shù),設(shè)計(jì)井深為3000 m,目的層為薊縣系地層[1-5]。
根據(jù)二級(jí)項(xiàng)目部署,在容城縣晾馬臺(tái)鎮(zhèn)南側(cè)實(shí)施地?zé)峥碧?,勘探井地理位置如圖1 所示,在雄安新區(qū)北部,榮烏高速公路以北。北京、天津、石家莊通過(guò)高速公路用數(shù)小時(shí)就能到達(dá)雄安新區(qū),交通非常便利,通訊便捷。
圖1 D15 井鉆井位置Fig.1 Drilling position of D15
2.2.1 地層情況
工作區(qū)所處容城凸起北部東側(cè)斜坡區(qū),鉆遇地層如表1 所示。
2.2.2 熱儲(chǔ)特征
D15 井鉆遇霧迷山組、高于莊組裂隙巖溶熱儲(chǔ)。霧迷山組裂隙巖溶熱儲(chǔ)巖性主要為白云巖含有泥質(zhì)成分,上部風(fēng)化程度較高,裂隙(水層)總厚度22.4 m,占地層總厚度的10%(裂隙率)。高于莊組裂隙巖溶熱儲(chǔ)巖性主要為白云巖、含燧石條帶白云巖,裂隙(水層)總厚度19.6 m,占地層總厚度的9.18%(裂隙率)。
2.2.3 鉆井難點(diǎn)分析
第四系、明化鎮(zhèn)組、沙河街組易坍塌,重點(diǎn)調(diào)整鉆井液參數(shù),確保井壁穩(wěn)定。孔店組含石膏層,易出現(xiàn)鈣侵,造成鉆井液粘度升高、失水增大等性能惡化。薊縣系霧迷山組上段風(fēng)化殼地層破碎嚴(yán)重,鉆透易出現(xiàn)大量漏失,進(jìn)入風(fēng)化殼后,加強(qiáng)錄井巖性判定工作。薊縣系地層孔隙和裂縫發(fā)育良好、易漏失,做好隨鉆堵漏的準(zhǔn)備。局部夾雜泥巖,下套管前避免清水洗井,以免造成井壁坍塌。
鉆遇地層巖性包括泥巖、砂巖、白云巖等,針對(duì)不同巖性特性,優(yōu)選鉆進(jìn)和取心工藝。
D15 井設(shè)計(jì)井深3000 m,井斜率要求:300 m 內(nèi)不 大 于1°,2000 m 內(nèi) 不 大 于7°,3000 m 內(nèi) 不 大 于10°。
表1 D15 井鉆遇地層簡(jiǎn)況Table 1 Brief geology at D15
全井取心進(jìn)尺≮40 m,巖心直徑≮70 mm,一般地層巖心采取率≮80%,破碎地層巖心采取率≮50%。
一開(kāi)采用?444.5 mm 鉆頭鉆至井深1030.3 m,下?339.7 mm 套管,下入深度0~1026.11 m。封隔表層松軟、易垮塌地層,作為泵室段滿足下入水泵、保護(hù)地表水及井控裝置安裝的要求。
二開(kāi)采用?311.1 mm 鉆頭鉆至井深2301.68 m,下 ?244.5 mm 套 管,下 入 深 度 972.17~2301.98 m。
三開(kāi)采用?215.9 mm 鉆頭鉆至井深2777.72m,下?177.8 mm 套 管,下 入 深 度2250.82~2777.72 m。
四開(kāi)采用?152.4 mm 鉆頭鉆至井深3111.58m,下?127 mm 套管、篩管組合,下入深度2773.55~3111.30 m[6-11]。
根據(jù)鉆遇地層情況、設(shè)計(jì)孔深等條件,選擇ZJ30/1700B 型石油鉆機(jī),主要配置見(jiàn)表2。
表2 鉆機(jī)主要配置Table 2 Main parts of the drilling rig
一開(kāi)采用?311.1 mm 開(kāi)鉆,使用牙輪、PDC 鉆頭鉆至1030.10 m,穿過(guò)新近系明化鎮(zhèn)組。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)表明,300 m 內(nèi)最大井斜為0.94°,一開(kāi)井段最大井斜1.15°,平均井徑319.9 mm,平均井徑擴(kuò)大率2.84%,最大“狗腿”度0.36°/25 m,符合設(shè)計(jì)要求。然后采用?444.5 mm 牙輪鉆頭擴(kuò)孔至1030.30 m。
一開(kāi)鉆進(jìn)主要鉆遇上部第四系土層和下部明化鎮(zhèn)組砂巖、泥巖,鉆進(jìn)時(shí)控制鉆壓、轉(zhuǎn)速,大泵量噴射鉆進(jìn)。鉆進(jìn)時(shí)控制鉆進(jìn)速度,確保一開(kāi)井眼垂直度。加接單根時(shí)泥漿泵充分循環(huán)攜砂,根據(jù)井深和鉆速情況不斷調(diào)整泵量,同時(shí)調(diào)整鉆井液性能,滿足護(hù)壁、防塌及堵漏要求,保證起下鉆具通暢。一開(kāi)鉆進(jìn)完成后,提鉆前充分循環(huán)泥漿,保護(hù)孔壁。
一開(kāi)采用聚合物鉆井液體系,配方為:清水+5% 膨 潤(rùn) 土+0.4%HV-CMC+1%NH4-HPAN+0.5%KPAM+2%復(fù)合瀝青+火堿+純堿,調(diào)整泥漿密度在1.01~1.15 g/cm3,漏斗粘度28~42 s,失水量10~15 mL,泥餅厚度≤0.1 mm。
二開(kāi)采用?311.1 mm 開(kāi)鉆,使用牙輪、PDC 鉆頭鉆至2301.68 m 二開(kāi)中完。 本開(kāi)次上部地層為古近系沙河街組泥巖、砂巖,地層較松散,遇水易膨脹、縮徑,鉆井液性能以護(hù)壁和降失水為主,同時(shí)控制好粘度和密度。
二開(kāi)采用硅基防塌鉆井液體系,配方為:基漿+0.1%~0.2%大鉀+3%硅穩(wěn)定劑+2%復(fù)合瀝青+1%液體降粘劑+1%LV-PAC+火堿,調(diào)整泥漿密度在1.15~1.29 g/cm3,漏斗粘度41~71 s,失水量4~10 mL,泥餅厚度≤0.1 mm。
測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)表明,該井段最大井斜為2.65°,平均井徑為323.92 mm,平均井徑擴(kuò)大率為4.1%,最大“狗腿”度0.57°/25 m,符合設(shè)計(jì)要求。
三開(kāi)采用?215.9 mm 開(kāi)鉆,鉆至2777.72 m 三開(kāi)中完。本開(kāi)次鉆遇地層復(fù)雜,主要為古近系沙河街組泥巖、砂巖,孔店組泥巖、砂巖,薊縣系霧迷山組白云巖。
三開(kāi)采用硅基鉆井液體系,配方與二開(kāi)相同,調(diào)整泥漿密度在1.15~1.23 g/cm3,漏斗粘度48~82 s,失水量5~6 mL,泥餅厚度≤0.1 mm。
測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)表明,該井段最大井斜4.75°,平均井徑為209.13 mm,平均井徑擴(kuò)大率為-3.13%,最大“狗腿”度1.55°/25 m,符合設(shè)計(jì)要求。
四開(kāi)?152.4 mm 牙輪鉆頭開(kāi)鉆,鉆至3111.58 m 完鉆。本開(kāi)次鉆遇地層主要為薊縣系霧迷山組白云巖,楊莊組泥巖、砂巖,高于莊組白云巖。
四開(kāi)采用低固相防漏鉆井液體系,配方為:原漿+20%清水+3%隨鉆堵漏劑,調(diào)整泥漿密度在1.15~1.23 g/cm3,漏斗粘度48~82 s,失水量5~6mL,泥餅厚度≤0.1 mm。
測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)表明,該井段最大井斜為4.34°,平均井徑為148.00 mm,平均井徑擴(kuò)大率為-2.88%,最大“狗腿”度2.67°/25 m,符合設(shè)計(jì)要求。
D15 井于2019 年6 月25 日開(kāi)始井場(chǎng) 建設(shè)、設(shè)備同步進(jìn)場(chǎng),2019 年7 月26 日開(kāi)鉆,于2019 年12 月25日鉆至3111.58 m 完鉆,鉆井周期152 d。2020 年5月20 日筑好井口,2019 年野外工作全部完成,野外工作周期為330 d。其中鉆前工程31 d,鉆井時(shí)間131 d,測(cè)井時(shí)間5 d,下套管(含通井)、候凝36 d,抽水試驗(yàn)(含試抽水、抽水前洗井等工作)27 d,射孔2 d,鉆后工程27 d,春節(jié)及疫情停工82 d,時(shí)間統(tǒng)計(jì)如圖2 所示。
D15 井在鉆探施工過(guò)程中,完成了一開(kāi)、二開(kāi)、三開(kāi)、四開(kāi)的鉆井、測(cè)井、錄井、固井、下套管等任務(wù),完鉆井深3111.58 m,完成率103.72%。根據(jù)物探測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),全孔最大井斜處為2750 m,井斜4.75°,總方位200.55°;井底3110 m 處,井斜為2.56°,總方位204.08°(見(jiàn)圖3),滿足設(shè)計(jì)要求。
圖2 D15 井工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)Fig.2 Working time composition of D15
圖3 D15 井井斜、方位數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Inclination and azimuth data curve of D15
5.2.1 覆蓋層防塌鉆井液技術(shù)
覆蓋層包括第四系、明化鎮(zhèn)組、沙河街組、孔店組,覆蓋層厚2623 m,對(duì)鉆井液技術(shù)要求較高。
一開(kāi)第四系、明化鎮(zhèn)組地層,井眼直徑大,泥漿排量?。▎伪茫?、上返速度低,加之上部井段泥巖分散造漿嚴(yán)重,在優(yōu)選聚合物泥漿體系的同時(shí)要確保體系中足夠的大分子含量,使泥漿有足夠的包被抑制能力。盡可能降低有害固相含量,防止鉆頭泥包。適當(dāng)控制鉆速,打完單根上下大幅度活動(dòng)鉆具劃眼,便于攜砂,保持井眼清潔。鉆完一開(kāi)進(jìn)尺,盡量采用大排量循環(huán)洗井。
二開(kāi)沙河街組地層,鉆進(jìn)前在套管內(nèi)循環(huán)泥漿,加入大分子、瀝青、PAC-LV、硅穩(wěn)定劑等材料,改型為硅基防塌鉆井液,控制失水,調(diào)整pH 值、用重晶石提高密度。鉆進(jìn)期間加入潤(rùn)滑劑等控制摩阻,加入瀝青類(lèi)、大分子、細(xì)目碳酸鈣等改善泥餅質(zhì)量,加入乳化瀝青提高鉆井液防塌、潤(rùn)滑性能。同時(shí)加強(qiáng)泥漿流型的調(diào)整,加大排量,便于攜砂,保證井眼清潔。
三開(kāi)沙河街組、孔店組地層延續(xù)使用硅基防塌鉆井液體系。各開(kāi)次中完提鉆前,配制封閉漿,封閉裸眼井段,防止電測(cè)和下套管遇阻、遇卡。
5.2.2 熱儲(chǔ)層防漏鉆井液技術(shù)
熱儲(chǔ)層為薊縣系霧迷山組、高于莊組,以白云巖為主,裂隙發(fā)育良好,易漏失,采用低固相鉆井液體系。
四開(kāi)鉆進(jìn)前用原漿加水稀釋?zhuān)缓蠹尤腚S鉆堵漏劑,鉆進(jìn)過(guò)程中根據(jù)消耗情況補(bǔ)充鉆井液,并適量補(bǔ)充CMC 等降失水材料,改善泥餅質(zhì)量。
提鉆前用磺化瀝青、石墨封閉裸眼井段,確保電測(cè)和下套管順利。
D15 井全井段根據(jù)設(shè)計(jì)要求及實(shí)際鉆遇地層情況共計(jì)取心11 回次,取心進(jìn)尺49.44 m,巖心長(zhǎng)度43.56 m,巖心采取率88.11%。取心情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。全井單個(gè)回次取心率最高100%,最低66.06%。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì),巖心采取率30%~70%有1 次,70%以上10 次。其中覆蓋層的泥巖、砂巖等地層,優(yōu)先選擇川系列取心鉆具,配合PDC 復(fù)合片取心鉆頭。熱儲(chǔ)層霧迷山組地層燧石條帶、團(tuán)塊發(fā)育良好,軟硬不均,選擇單動(dòng)雙管取心鉆具,配合孕鑲金剛石鉆頭,可保證巖心采取率,但是易堵心、進(jìn)尺較慢。
表3 D15 井取心情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Coring data of D15
按照地質(zhì)設(shè)計(jì)要求,需要對(duì)霧迷山組及高于莊組分別進(jìn)行抽水試驗(yàn),同時(shí)為保證孔壁的穩(wěn)定性,采用先套管成井、后射孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)的方法,射開(kāi)三開(kāi)套管,為霧迷山組熱儲(chǔ)層開(kāi)出流體通道[13-15]。
5.4.1 射孔層位確定及射孔作業(yè)
根據(jù)D15 井三開(kāi)測(cè)井解釋成果圖內(nèi)裂隙發(fā)育情況,確定射孔層位,射孔段共計(jì)50 m,如表4 所示。該段為?177.8 mm 套管,127 型射孔彈具有較強(qiáng)的穿透能力,本次射孔選擇常用規(guī)格102 槍和127 型射孔彈進(jìn)行射孔作業(yè)(圖4),能夠滿足作業(yè)要求,確定射孔孔數(shù)15 個(gè)/m,相鄰彈孔成90°相位。
射孔作業(yè)完成后取出射孔槍?zhuān)M(jìn)行磁定位測(cè)井。射孔槍槍眼完整(見(jiàn)圖5),全部射孔器材起爆正常。分析磁定位曲線圖,射孔位置與設(shè)計(jì)位置相符。
5.4.2 抽水試驗(yàn)
5.4.2.1 高于莊組抽水
(1)洗井。針對(duì)2700~3100 m 井段,鉆桿下深3103 m,注入1%焦磷酸鈉12 m3,浸泡并進(jìn)行活塞抽吸約20 h,隨后用清水替出焦磷酸鈉溶液并對(duì)井壁進(jìn)行沖洗。采用LGVF12.5/70 型空壓機(jī)氣舉洗井,空壓機(jī)額定排量為12.5 m3/min。將鉆桿下至515.60 m,共計(jì)洗井8 h。
(2)高于莊組抽水試驗(yàn)總計(jì)歷時(shí)100.5 h,其中抽水時(shí)間76.5 h,恢復(fù)水位時(shí)間24 h。抽水試驗(yàn)分2個(gè)落程,持續(xù)時(shí)間分別為48、28.5 h。抽水試驗(yàn)獲得熱水頭為107.98 m,動(dòng)水位埋深為253.50 m,水位降深145.52 m,涌水量30.54 m3/h,單位涌水量0.210 m3/(h·m),井口水溫66.5 ℃,試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。
表4 射孔位置Table 4 Perforation position
圖4 組裝完成的射孔彈Fig.4 Assembled perforating bullets
圖5 射孔后的射孔槍Fig.5 Perforating gun after use
表5 高于莊組抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 5 Pumping test data of Gaoyuzhuang Formation
(3)根據(jù)單孔抽水試驗(yàn)所得參數(shù),參照有關(guān)經(jīng)驗(yàn)值,滲透系數(shù)K=0.417 m/d,影響半徑R=916.89 m,導(dǎo)水系數(shù)T=8.1732 m2/d。
5.4.2.2 霧迷山組、高于莊組混合抽水
(1)針對(duì)射孔段2600~2800 m 進(jìn)行空壓機(jī)洗井,空壓機(jī)額定排量為12.5 m3/min,額定工作壓力為7 MPa。將鉆桿下至515.44 m,共計(jì)洗井15.5 h。洗井過(guò)程中空壓機(jī)最大壓力7 MPa,壓降在1.6~2.8 MPa 間波動(dòng),噴涌時(shí)間約1 min,噴涌時(shí)間間隔由最開(kāi)始的約20 min 至最終的約8 min。洗井前水位為133.58 m,停止洗井8 h 后測(cè)水位為123.80 m。
(2)霧迷山組、高于莊組混合抽水試驗(yàn)總計(jì)歷時(shí)104 h,其中抽水時(shí)間82 h,恢復(fù)水位時(shí)間22 h。抽水試驗(yàn)分3 個(gè)落程,持續(xù)時(shí)間分別為48、24、10 h。抽水試驗(yàn)獲得熱水頭為108.18 m,動(dòng)水位埋深為254.76 m,水位降深146.58 m,涌水量34.12 m3/h,單位涌水量0.233 m3/(h·m),井口水溫66 ℃,試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。
(3)根據(jù)單孔抽水試驗(yàn)所得參數(shù),參照有關(guān)經(jīng)驗(yàn)值,滲透系數(shù)K=0.284 m/d,影響半徑R=715.09 m,導(dǎo)水系數(shù)T=9.8264 m2/d。
表6 霧迷山組、高于莊組混合抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Mixed pumping test data of Wumishan Formation and Gaoyuzhuang Formation
在雄安新區(qū)完成了地?zé)峥碧骄瓺15 井鉆完井施工任務(wù),優(yōu)化鉆探技術(shù)為后期地?zé)峋碧介_(kāi)發(fā)優(yōu)選了技術(shù)方法,減少工程風(fēng)險(xiǎn),降低施工成本。獲取了巖心、巖屑實(shí)物資料,劃分了地層厚度、巖性變化特性、孔隙發(fā)育情況,基本查明了井區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu),為查明容城地?zé)崽镏攸c(diǎn)構(gòu)造位置提供了數(shù)據(jù)資料。采用射孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)了目的層抽水試驗(yàn),獲取了溫度、水量等參數(shù),為雄安新區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查提供數(shù)據(jù)支撐。