恩施盆地恩熱1井鉆探工藝技術(shù)研究及應(yīng)用

洪 毅， 鄭興華， 張所邦， 譚建國， 雷祝蓉， 葉輝兵， 陳 程， 周鵬飛

(湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊(duì),湖北 宜昌 443000)

中國具有豐富的可開發(fā)地?zé)豳Y源，據(jù)估算，淺層地?zé)豳Y源量可折合7億t標(biāo)準(zhǔn)煤，水熱型地?zé)豳Y源量可折合12 500億t標(biāo)準(zhǔn)煤，干熱巖遠(yuǎn)景資源量可折合856萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤[1-2]。目前開發(fā)利用的地?zé)豳Y源以水熱型地?zé)釣橹鱗3]。地?zé)豳Y源的獲取依賴于地質(zhì)、物探、鉆探等技術(shù)手段的應(yīng)用，其中鉆探是最為直觀的手段之一[4-7]。隨著一些新型破巖方法等新技術(shù)、新工藝[8-11]的提出和使用，進(jìn)一步提高了地?zé)峋你@探質(zhì)量、效率和成功率。

恩施地處湖北省西南部，所處的恩施盆地具有良好的水熱型地?zé)豳Y源成礦條件[12]。2019年，恩施州人民政府與湖北省地質(zhì)局決定在恩施地區(qū)合作開展地?zé)豳Y源專項(xiàng)調(diào)查工作，并確定在恩施市龍鳳鎮(zhèn)小龍?zhí)洞宀渴鹨豢诘責(zé)峋鳠?井。該井于2020年9月25日開鉆，2021年1月5日完鉆，經(jīng)抽水試驗(yàn)，日涌水量達(dá)700 m3，井口出水溫度最高達(dá)44.2℃，且含豐富的礦物質(zhì)成分，達(dá)到理療地?zé)崴畼?biāo)準(zhǔn)，水溫、水量、水質(zhì)均滿足商業(yè)開發(fā)利用。

恩熱1井是恩施州首口大口徑中深層地?zé)峋?，其成功?shí)施具有很強(qiáng)的工程示范意義。本文在分析該井技術(shù)難點(diǎn)基礎(chǔ)上，總結(jié)鉆探工藝技術(shù)方法和施工過程，形成針對深層、高溫和硬質(zhì)地層的高效鉆探技術(shù)方案，為區(qū)域地?zé)豳Y源開發(fā)中鉆探方案優(yōu)選和技術(shù)攻關(guān)提供借鑒。

1 鉆井概況及技術(shù)難點(diǎn)

恩熱1井位于恩施市城區(qū)，恩施盆地北部的小龍?zhí)兑粠?。恩施盆地為一近南北向延伸的條帶狀盆地，盆地內(nèi)海拔高程為430～500 m。盆地內(nèi)主要出露下奧陶統(tǒng)婁山關(guān)組—中三疊統(tǒng)巴東組、上白堊統(tǒng)跑馬崗組和第四系地層。構(gòu)造線總體呈NNE向展布，發(fā)育恩施大斷裂和黃巖路向斜、白果壩背斜、高橋壩向斜、慶陽壩背斜等褶皺。恩熱1井位于恩施大斷裂東側(cè)和白果壩背斜北東段，因此該井所處位置具有復(fù)雜的地質(zhì)條件。

恩熱1井設(shè)計(jì)井深2 000 m，鉆探目的是基本查明工作區(qū)地層巖性、構(gòu)造等地質(zhì)特征，確定熱儲層、蓋層、導(dǎo)水與控?zé)針?gòu)造發(fā)育情況，鉆獲有開發(fā)價值的地?zé)崴Φ責(zé)崴Y源的開發(fā)潛力、對周邊地?zé)峋挠绊懠碍h(huán)境影響進(jìn)行評價。該井最終終孔深度為2 000.05 m，鉆遇白堊系、志留系、奧陶系和寒武系地層(表1)，其中奧陶系和寒武系地層為該井探索的主要熱儲層。

表1 恩熱1井地層信息Table 1 Stratigraphic information of Enre 1 well

在鉆探過程中經(jīng)常遇到各種技術(shù)問題，主要存在的難點(diǎn)如下：

(1) 對鉆井沖洗液性能要求高。540 m以淺地層主要為中—厚層狀細(xì)砂巖、含礫細(xì)砂巖，碎屑粒度大小混雜，并為鈣質(zhì)膠結(jié)。790 m以淺含有多層炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖。地層易水化膨脹、縮徑等情況均有發(fā)生。

(2) 地層復(fù)雜，井壁穩(wěn)定性差。該井為區(qū)域性探采結(jié)合井，沒有實(shí)物鉆探資料可供比對。同時該井受恩施大斷裂影響，巖體較破碎，井壁穩(wěn)定性差，出于對熱儲層的保護(hù)要求，限制了某些帶有封堵性材料的使用，容易造成坍塌掉塊，極易引發(fā)井內(nèi)事故。

(3) 取心難度大。取心位置為泥頁巖層段，地層容易引起“打滑”，井壁容易水化剝落[13]。加之該地區(qū)沒有大口徑取心案例,無經(jīng)驗(yàn)方法可供借鑒，造成在某些井段取心較困難。

2 鉆探工藝技術(shù)

2.1 主要設(shè)備

恩熱1井鉆探作業(yè)的主要設(shè)備包括DB3500型電動水源鉆機(jī)，JJ135/31-K型井架，F(xiàn)-500泥漿泵，630 kVA變壓器，QXZ172-101型和DZ-146型取心鉆具，配備ZS/Z-1型直線振動篩、CSQ-150型和LW450×1 000-N2型離心機(jī)等固控設(shè)備。

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該井身結(jié)構(gòu)依據(jù)工作區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。該井在0～100.88 m一開井段穿越強(qiáng)風(fēng)化帶和淺含水層，下入Φ339.7 mm表層套管。在100.88～935.00 m二開井段穿越炭質(zhì)泥巖段，有縮徑現(xiàn)象發(fā)生，經(jīng)過測井?dāng)?shù)據(jù)顯示該段溫度不理想，因炭質(zhì)泥巖容易對水質(zhì)產(chǎn)生影響，遂在該井段下入Φ244.5 mm技術(shù)套管。在935.00～1 861.86 m三開井段，井內(nèi)發(fā)生明顯垮孔掉塊現(xiàn)象，伴隨卡鉆現(xiàn)象的發(fā)生，通過測井?dāng)?shù)據(jù)顯示，推測該段為斷層帶，遂于該井段下入Φ177.8 mm花管和實(shí)管交叉連接的生產(chǎn)套管。鑒于保障水溫水量和設(shè)置沉砂段的要求，在1 861.86～2 000.05 m四開井段采用Φ152.4 mm鉆頭鉆至完井，四開為裸孔。恩熱1井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 恩熱1井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Actual well bore structure diagram of Enre 1 well

2.3 取心工藝及鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

2.3.1取心工藝

該井要求階段性取心。二開采用QXZ172-101型取心工藝取心，取心結(jié)束后采用Φ311.1 mm鉆頭擴(kuò)孔。該取心工具利用巖心爪與巖心之間的摩擦力，使得巖心爪收縮包心實(shí)現(xiàn)割心，一般適用于中硬—硬地層或成巖性較好的軟地層取心。因?yàn)樵摼疄閰^(qū)域性探采結(jié)合井，無相應(yīng)取心經(jīng)驗(yàn)供參考，為了規(guī)避堅(jiān)硬地層取心困難問題，本次施工期間同時配備了DZ-146型取心鉆具作預(yù)備，該鉆具采用金剛石鉆頭，口徑更小。

2.3.2鉆進(jìn)施工技術(shù)參數(shù)

一開鉆具組合：Φ444.5 mm鉆頭+變徑接頭+Φ203 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。一開的重點(diǎn)是防斜，該段井身質(zhì)量情況很大程度上決定了整口井的井身質(zhì)量。由于上部巖性為細(xì)砂巖夾石英砂巖、礫巖，鉆進(jìn)速度較快，容易引發(fā)井斜問題的發(fā)生，因此一開采用塔式鉆具組合防斜，有效規(guī)避了井斜問題的發(fā)生。同時該井嚴(yán)格控制測斜間距，使用施工單位自行改進(jìn)研發(fā)的KXP-3D型連續(xù)測斜儀加密單點(diǎn)間距，及時跟蹤井斜并調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，始終將井斜控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

二開鉆具組合：Φ311.1 mm鉆頭+變徑接頭+Φ203 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。二開井段上部巖性主要為粉砂質(zhì)頁巖、水云母頁巖、粉砂巖，下部巖性為炭質(zhì)泥巖夾炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r，易發(fā)生縮經(jīng)問題。該段的重點(diǎn)除了防止井斜外，還要抓好鉆井沖洗液性能控制，防止井壁失穩(wěn)坍塌、掉塊等，以免引發(fā)卡鉆、埋鉆事故。

三開鉆具組合：Φ215.9 mm三牙輪鉆頭+變徑接頭+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿和Φ215.9 mm PDC鉆頭+Φ172 mm螺桿鉆具+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。三開地層上部為灰?guī)r，下部為中—厚層狀結(jié)晶白云巖、薄—中層夾厚層狀白云巖，地層較為穩(wěn)定，是提高鉆進(jìn)效率的主要階段。該井段采用兩種鉆具組合，依據(jù)實(shí)際井斜和鉆進(jìn)效率變化情況及時調(diào)整鉆進(jìn)工藝。

四開鉆具組合：Φ152.4 mm PDC鉆頭+變徑接頭+Φ121 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。該井段主要為沉砂段，采取祼孔鉆進(jìn)(表2)。

表2 鉆進(jìn)參數(shù)Table 2 Drilling parameters

2.4 鉆頭選擇

井深935.00 m以上井段分別選用Φ444.5 mm LS517G型三牙輪鉆頭、Φ311.1 mm LS517G型三牙輪鉆頭、121/4HAT127型鋼齒鉆頭，配備了Φ216 mm復(fù)合片鉆頭和特制Φ152 mm金剛石鉆頭(圖2)用于取心。935.00～2 000.05 m井段選用Φ216 mm LS1663型5刀翼PDC鉆頭和LS537G型三牙輪鉆頭，同時配備了Φ152.4 mm LS1654型5刀翼PDC鉆頭。在鉆頭的選擇上，由于缺乏區(qū)域鉆探實(shí)物資料的參考，該井在各開次備足備全了各類鉆頭，以減少停等和輔助時間[14-15]。

為了分析選用鉆頭的合理性，對其進(jìn)行仿真計(jì)算[16-17]，得到PDC鉆頭鉆進(jìn)過程中的巖石Mises應(yīng)力云圖(圖3)。從圖3可以看出，巖石的最大Mises應(yīng)力值通常出現(xiàn)在與PDC鉆頭切削齒接觸的單元體上，隨著PDC鉆頭切削深度的增加，巖石中的Mises應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后略有減小的趨勢，說明較大的切削深度有利于提高PDC鉆頭的破巖效率。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，考慮到地層的非均質(zhì)性、破巖工具工作條件的波動會對PDC鉆頭產(chǎn)生影響，如果切削深度過大，PDC鉆頭可能會因承受過大的沖擊載荷而損壞，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)采取一些必要措施控制PDC鉆頭的切削深度。

圖2 取心鉆頭Fig.2 Coring bit

圖3 PDC鉆頭井眼形成過程和巖石Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Formation process of PDC bit borehole andMises stress contour of rock

本文選用8 mm復(fù)合齒鉆頭進(jìn)行仿真分析，齒的前角為20°，齒倒角為45°，倒角半徑為0.5 mm。在模擬過程中，切削深度分別取1.5、2和2.5 mm，圖4顯示了切削過程中PDC鉆頭齒上的接觸壓力分布情況。從圖4可以看出，隨著切削深度的增加，PDC鉆頭齒上的接觸壓力逐漸增加，在接觸邊緣產(chǎn)生較大壓力。這是因?yàn)殡S著切削深度的增加，切削齒與巖石之間的接觸面積增大，巖石對切削齒阻力也增大。同時，齒上的切削力、摩擦阻力和系統(tǒng)的總能量也逐漸增加。切削過程中，切削力和摩擦阻力應(yīng)力值波動情況符合脆性材料的基本特性。當(dāng)切削深度相對較小時，主要產(chǎn)生擠壓破碎的粉末碎片，此時切削力的最大變化不明顯，波動趨勢也不是很明顯。當(dāng)切削深度增加時，大多數(shù)切削過程會產(chǎn)生大顆粒塊狀斷屑，此時隨著大顆粒切屑的產(chǎn)生，切削力將大幅波動，同時巖石材料的不均勻性也使切割過程變得不穩(wěn)定。

2.5 鉆井沖洗液技術(shù)

一開施工難點(diǎn)為該井段地層膠結(jié)性差，巖質(zhì)疏松；含流砂層、礫石層井壁不穩(wěn)定，易坍塌掉塊，滲透率高易漏失，鉆井沖洗液消耗量大，因此采用不分散體系。二開、三開、四開施工難點(diǎn)為該井段泥頁巖造漿縮徑、斷裂帶坍塌和掉塊問題，因此采用聚合物防塌體系。鉆井沖洗液配方及性能如表3、表4所示。

圖4 不同切削深度時PDC鉆頭齒上壓力分布Fig.4 Pressure distribution on PDC bit teeth at different cutting depths

表3 鉆井沖洗液配方Table 3 Drilling fluid formulation

表4 鉆井沖洗液性能Table 4 Drilling fluid performance

在鉆進(jìn)過程中，鉆井沖洗液施工堅(jiān)持做好以下幾項(xiàng)重點(diǎn)工作：

(1) 鉆進(jìn)過程中，加強(qiáng)固控設(shè)備的管理及使用，保證三級固控設(shè)備性能穩(wěn)定，從設(shè)備上控制鉆井沖洗液性能。

(2) 嚴(yán)格堅(jiān)持2 h/次的鉆井沖洗液性能監(jiān)測，及時掌握鉆井沖洗液性能變化，注意及時添加處理劑，調(diào)整鉆井沖洗液性能。

(3) 泥漿鉆進(jìn)過程中，保持鉆井沖洗液低失水、低摩阻、抑制能力強(qiáng)，以及良好的流變性；嚴(yán)格控制鉆井沖洗液密度，保證安全快速鉆進(jìn)。

(4) 多與地質(zhì)技術(shù)人員溝通，及時、全面收集地層巖性和特點(diǎn)，提前預(yù)測下部地層情況，以便提前調(diào)整鉆井沖洗液性能。

3 應(yīng)用效果

恩熱1井共施工102 d，完鉆井深2 000.05 m，鉆進(jìn)時效為1.74 m/h。鉆探施工達(dá)到了設(shè)計(jì)目的和要求，最終施工效果如下：

(1) 井身結(jié)構(gòu)。恩熱1井按探采結(jié)合井設(shè)計(jì)，井身為四開結(jié)構(gòu)，一開孔徑Φ444.5 mm，孔深100.88 m；二開孔徑Φ311.1 mm，孔深935.00 m；三開孔徑215.9 mm，孔深1 861.86 m；四開孔徑Φ152.4 mm，孔深2 000.05 m。各井段按設(shè)計(jì)施工，滿足取樣、測井、完井和未來開采要求。

(2) 鉆井沖洗液體系。有效抑制了泥頁巖段的分散坍塌，控制住了540 m以淺易水化分散地層，保證了巖屑樣錄取。巖屑采樣及時，標(biāo)識醒目；巖性描述仔細(xì)，地層層位判斷準(zhǔn)確；樣品采集足量，保管妥當(dāng)(圖5)。

圖5 鉆井沖洗液體系在復(fù)雜地層的運(yùn)用成果Fig.5 Application of drilling fluid system in complex formation

(3) 孔深與孔斜。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，每鉆進(jìn)100 m提鉆校正一次孔深，鉆進(jìn)深度符合設(shè)計(jì)要求。即對井斜進(jìn)行測量檢查，終孔后通過專業(yè)測井測得全孔平均井斜1.68°，成井井身質(zhì)量符合《地?zé)徙@探技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0260—2014)[18]和《水文水井地質(zhì)鉆探規(guī)程》(DZ/T 0148—2014)[19]等規(guī)定。

(4) 抽水試驗(yàn)。成井后開展了3次降深的穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，最大降深460 m，最高水量700 m3/d，水溫>42℃，結(jié)果表明單井出水量滿足設(shè)計(jì)預(yù)期，符合規(guī)范要求，預(yù)期能取得良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

(1) 恩熱1井主要存在鉆井沖洗液性能要求高、取心難度大、井壁穩(wěn)定性差等技術(shù)難點(diǎn)，施工過程中結(jié)合地?zé)峋蔚牡刭|(zhì)特點(diǎn)，選擇合適的鉆井沖洗液體系，開展高頻次的鉆井沖洗液性能測試，及時調(diào)整鉆井沖洗液性能；選擇合適的取心鉆頭，配備充足的各類鉆頭，提高巖性采取率和鉆進(jìn)效率；合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)，選用合適的鉆井設(shè)備，提高鉆探效率和成井質(zhì)量。

(2) 考慮到地層的非均質(zhì)性、破巖工具工作條件的波動會對PDC鉆頭產(chǎn)生影響，對PDC鉆頭破巖過程進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明選擇牙齒切深為2 mm時，可有效減少鉆頭切削力的波動，延長鉆頭使用壽命。

(3) 恩熱1井為恩施州首口大口徑中深層地?zé)峋?，井身結(jié)構(gòu)、完鉆井孔深、井身質(zhì)量及抽水試驗(yàn)等技術(shù)指標(biāo)均滿足工程設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，且單井出水量超過設(shè)計(jì)預(yù)期，最終成功探獲水溫>42℃的地?zé)崴?，具有很?qiáng)的工程示范意義，其鉆探工藝對該區(qū)域地?zé)徙@井施工具有指導(dǎo)和借鑒意義。