下?lián)P子地區(qū)望江坳陷頁巖氣地質(zhì)調(diào)查皖望地4 井鉆井技術(shù)

歐陽志勇，徐軍軍*，張培豐，趙志濤，石砥石，徐秋晨，戚 鋼

（1.北京探礦工程研究所，北京 100083； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；3.山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，山東 青島 266427）

0 引言

天然氣是一種高效潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源資源，已成為當(dāng)今油氣工業(yè)主要勘探領(lǐng)域。作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，頁巖氣的勘探與開發(fā)研究受到了廣泛關(guān)注。我國上揚子地區(qū)頁巖氣勘探取得進展和突破，主要包括四川盆地奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組，鄂西地區(qū)三疊系嘉陵江組-大冶組、二疊系龍?zhí)督M-孤峰組。同屬揚子地塊的下?lián)P子地區(qū)，發(fā)育有多套厚層富有機質(zhì)頁巖，頁巖氣勘探開發(fā)目前還未取得明顯突破［1-5］。

皖望地4 井是中國地質(zhì)調(diào)查局在下?lián)P子盆地安徽省望江縣布置的一口大口徑地質(zhì)調(diào)查井，通過鉆探工程的實施，獲取巖心巖屑實物和鉆井、測井、錄井等相關(guān)數(shù)據(jù)資料，查明地層層序、驗證地球物理信息，為評價油氣資源潛力和資源勘查開發(fā)建設(shè)提供必要的科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 地質(zhì)概況

皖望地4 井位于安徽省望江縣雷池鄉(xiāng)，構(gòu)造屬于下?lián)P子盆地望江坳陷江南斜坡帶［3］。通過本井鉆探工作，獲取巖心巖屑實物資料和測錄井?dāng)?shù)據(jù)信息，揭示望江坳陷白堊系-二疊系地層序列，標(biāo)定已有地球物理資料，深化區(qū)域構(gòu)造演化認識，有利于油氣資源潛力評價。

1.1 區(qū)域構(gòu)造及特征

下?lián)P子望江坳陷處于望江-無為對沖帶，構(gòu)造相對穩(wěn)定，油氣資源潛力好。通過對地質(zhì)地球物理剖面分析，該區(qū)處于江南隆起向望江坳陷過渡的沖斷抬升帶，發(fā)育印支期形成的斷層相關(guān)褶皺，為構(gòu)造相對穩(wěn)定單元，對頁巖氣保存有利，主要目的層埋藏深度適中，適合探索三疊系周沖村組常規(guī)油氣及二疊系頁巖氣［2］。

1.2 鉆遇地層

皖望地4 井實際鉆遇上部地層有2 處逆斷層，出現(xiàn)地層重復(fù)，下部地層層序正常，與設(shè)計基本一致，如表1 所示。鉆遇地層依次為第四系，新近系，古近系，白堊系赤山組，三疊系黃馬青組、周沖村組，二疊系吳家坪組，三疊系周沖村組、南陵湖組、和龍山組，二疊系吳家坪組，三疊系和龍山組、殷坑組，二疊系大隆組、龍?zhí)督M（吳家坪組、武穴組）、孤峰組、棲霞組。

表1 皖望地4 井鉆遇地層情況Table 1 Lithology drilled by Well Wanwangdi-4

2 鉆探工程實施

2.1 井身質(zhì)量要求

皖望地4 井井身質(zhì)量執(zhí)行《鉆井井身質(zhì)量控制規(guī)范》（SY/T 5088-2017）［6］，具體要求如下：

（1）全井段最大井斜≯6°，全角變化率＜3°/30 m。

（2）井底水平位移≯50 m。

（3）目的層平均井徑擴大率≤20%。

（4）完鉆直徑215.9 mm，為應(yīng)對鉆井復(fù)雜情況，預(yù)留一級152.4 mm 直徑裸眼終孔。

2.2 井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計和區(qū)域資料，由于望江-無為對沖帶存在三疊系膏巖層，2019 年皖為頁1 井鉆遇膏巖層時見高壓地層，含有高濃度的硫化氫氣體，本次鉆井應(yīng)引起高度重視并采取防范措施；三疊系灰?guī)r地層局部可能比較破碎，裂隙、孔洞發(fā)育，鉆井過程中注意防漏［7-9］。皖望地4 井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計如下。

導(dǎo)管段，選用?660.4 mm 鉆頭，鉆進至60 m，入新近系穩(wěn)定巖層，下入?508 mm 套管固井；封隔松散表、土層系，建立鉆井液循環(huán)。

一開擬選用?444.5 mm 鉆頭鉆穿新近系和古近系，進白堊系赤山組，至260 m，下入?339.7 mm表層套管固井，水泥漿返至地面。

二開選用?311.2 mm 鉆頭鉆穿白堊系，三疊系黃馬青組、周沖村組、南陵湖組與和龍山組，進三疊系殷坑組，至2000 m（視情況可提前），下入?244.5 mm 技術(shù)套管固井，水泥漿返至地面。

三開選用?215.9 mm 鉆頭鉆進至2500 m 完鉆，鉆遇三疊系殷坑組，二疊系大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組、棲霞組，裸眼測井完鉆。

鉆探實施過程中，自1009 m 進入三疊系周沖村組，由于地層擠壓逆沖，鉆遇砂泥巖、灰?guī)r、礫石互層，特別是一直伴有厚薄不均的石膏層間斷出現(xiàn)，造成鉆井液鈣侵，鉆井液濾失量增大、粘切快速增高（45 s 增至200 s），流動性變差，井內(nèi)縮徑、坍塌、漏失均有顯現(xiàn)，但并未出現(xiàn)嚴(yán)重漏失現(xiàn)象。

根據(jù)實鉆地層和施工情況安排，導(dǎo)管段采用? 660.4 mm 鉆頭鉆至64.10 m，?508 mm 套管下深63.10 m，一開采用?444.5 mm 鉆頭鉆至308.44 m，?339.7 mm 套管下深307.36 m，二開采用?311.2 mm 鉆頭鉆至1601.5 m，?244.5 mm 套管下深1599.85 m，各開次固井順利，質(zhì)量合格，三開采用? 215.9 mm 鉆頭鉆至2503.90 m，裸眼終孔。實鉆井身結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 實鉆井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Actual wellbore structure diagram

2.3 鉆探設(shè)備

本井設(shè)計井深2500 m，終孔直徑≮215.9 mm，根據(jù)鉆機設(shè)備負荷能力及滿足井深需要，選擇ZJ30鉆機，為保障項目順利實施，同時配套2 臺套YX3NB-1300A 泥漿泵配套設(shè)備，主要鉆井設(shè)備見表2。

表2 主要鉆井設(shè)備Table 2 Main drilling equipment

2.4 鉆具組合

皖望地4 井各開次鉆具組合見表3。

表3 鉆具組合Table 3 Drilling assembly

2.5 各開次施工情況

2.5.1 一開鉆井

一開鉆進井徑?444.5 mm，井段0～308.44 m。地層為新近系、白堊系含礫，主要以打直、防塌為主。選用?444.5 mm 鋼齒牙輪鉆頭，采用雙泵大排量、輕壓慢轉(zhuǎn)。打完鉆鋌后再接鉆桿，未出現(xiàn)表土層坍塌、漏失、孔斜超標(biāo)等現(xiàn)象。

鉆進中，提高鉆井液排量帶砂，鉆完立柱后循環(huán)泥漿充分?jǐn)y砂后再接立柱作業(yè)；鉆至一開完鉆井深后，調(diào)整維護鉆井液粘度，充分循環(huán)后靜止探底，確保無沉砂，對全井段進行封閉，為套管一次下入成功打下基礎(chǔ)。

2.5.2 二開鉆井

二開鉆進井徑?311.2 mm，井段308.44～1601.50 m。

該井段鉆遇地層多，復(fù)雜情況多。周沖村組角礫巖和南陵湖組灰?guī)r地層可鉆性極差，裂縫發(fā)育充填硬度高的石英脈，跳鉆嚴(yán)重，地層傾角大、井斜控制困難，同時鉆頭磨損嚴(yán)重，頻繁起下鉆換鉆頭，施工效率低。周沖村組含石膏地層，泥漿粘度增長太快，造成泥漿流變性能差，泵壓不穩(wěn)。

（1）二開地層主要使用塔式穩(wěn)斜鉆具組合，解決跳鉆，控制井斜；每100 m 單點測斜，為保證下套管固井順利，將井斜控制在2°以內(nèi)，加密直井段測斜，為后期施工做好準(zhǔn)備；針對白堊系軟地層，可采用直螺桿復(fù)合鉆進，增加鉆鋌重量，控制鉆壓、提高轉(zhuǎn)速、提高排量，做到提前控制井斜。

（2）針對角礫巖、灰?guī)r可鉆性差的問題，優(yōu)化鉆頭選型，避免頻繁起下鉆。

（3）針對可能出現(xiàn)的石膏層和硫化氫危害，采用防鈣侵防H2S 的鈣基鉆井液，添加除硫劑，避免在周沖村組含石膏地層大排量定點循環(huán)，提高鉆井液穩(wěn)定性，提前準(zhǔn)備好堵漏材料，防止灰?guī)r地層漏失。

2.5.3 三開鉆井

三開鉆進井徑?215.9 mm，井段1601.5～2500 m。

出二開套管后，南陵湖組灰色灰?guī)r、灰色泥質(zhì)灰?guī)r、灰黑色泥巖地層使用高速牙輪配合螺桿復(fù)合鉆進，機械鉆速顯著提高。三開鉆進中，地層研磨性較強，可選用球形齒的牙輪鉆頭，防止掉、斷齒，延長鉆頭使用壽命，縮短起下鉆頻次。

由于地層裂縫發(fā)育且傾角較大，特別是間斷取心后，宜控壓吊打，防止形成增斜趨勢。三開至井深2019.52 m，單點測斜井斜增大，后下MWD 糾斜穩(wěn)斜。

鉆進中如機械鉆速低，需加強監(jiān)測和優(yōu)化泥漿性能，有效攜砂，改善井底環(huán)境，減少重復(fù)破碎。鉆進至下部泥頁巖地層，在泥漿性能穩(wěn)定的條件下，出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，提高泥漿密度至1.15 g/cm3后，地層相對穩(wěn)定，無掉塊發(fā)生。

3 鉆探工藝技術(shù)分析

3.1 鉆探施工進度

皖望地4 井施工進度見表4。

表4 鉆井施工進度Table 4 Drilling progress

望江區(qū)域油氣井施工較少，地層復(fù)雜多變，本井在鉆探工藝、鉆頭及鉆具選擇和三開井段取心上耗時較多，但整體施工進度較計劃提前，后續(xù)類似區(qū)域施工可優(yōu)選鉆頭和動力鉆具組合，匹配合適的鉆探工藝措施，提高鉆探效率和質(zhì)量。

3.2 鉆探工藝技術(shù)

3.2.1 各開次鉆頭選型

皖望地4 井上部含礫石層，中下部有逆斷層，部分巖心如圖2 所示，地層巖性復(fù)雜，含礫層，軟硬互層，傾角大，造成鉆頭選型的困難，提下鉆次數(shù)較多。針對復(fù)雜情況，優(yōu)化鉆頭切削具組合和結(jié)構(gòu)設(shè)計，匹配合適鉆進參數(shù)和孔底動力鉆具，保證鉆探效率［10-13］。

圖2 皖望地4 井部分巖心照片F(xiàn)ig.2 Partial cores from Well Wanwagndi-4

（1）一開鉆頭易泥包，選用HJT517 牙輪鉆頭，機械鉆速5.19 m/h，選用合適的水眼組合以保證足夠的鉆頭水功率，提高破巖能力和攜砂能力。

（2）二開上部新進系、白堊系地層含礫石，在鉆進中始終有不同程度的跳鉆現(xiàn)象，選用HJT517 牙輪鉆頭，加強保徑，保證了井眼規(guī)則，大直徑偏頂勺形內(nèi)排齒，楔形外排齒，在鉆進中采用低轉(zhuǎn)速55～56 r/min，鉆壓40～60 kN，提高了單只鉆頭的進尺，延長了鉆頭的使用時間；白堊系下部和三疊系地層，巖性為淺棕色細砂巖、棕色泥巖、棕色粉砂質(zhì)泥巖、褐色中砂巖，使用PDC 鉆頭，平均機械鉆速3.63 m/h，單只鉆頭進尺558.45 m，該類型的鉆頭適合于本地層的鉆進；進入南陵湖組灰黑色碳質(zhì)泥巖、灰色白云質(zhì)灰?guī)r地層鉆進后，地層巖性致密，耐磨性好，可鉆性差，使用HJT517 牙輪鉆頭效果不理想。換用PDC 鉆頭至二開完鉆，在破碎推覆體地層使用中井身質(zhì)量較好、鉆探效率較高。

（3）在三開二疊系地層，巖石裂隙發(fā)育、耐磨性強。使用5 刀翼PDC 鉆頭鉆進，單只鉆頭進尺40.49 m 后，鉆時增大、機械鉆速明顯下降，上鉆檢查鉆頭磨損嚴(yán)重。換用HJT617 鉆頭，純鉆時間相對較長，磨損輕，但機械鉆速偏低。使用HJT537G 高速牙輪鉆頭配合螺桿復(fù)合鉆進，鉆探效率明顯提高。

3.2.2 取心鉆頭技術(shù)與應(yīng)用

皖望地4 井為大口徑地質(zhì)調(diào)查井，取心工作量較大，由于鉆遇地層情況可預(yù)見性小、復(fù)雜多變，針對現(xiàn)場采用長筒提鉆取心的工藝，取心鉆探工藝特點如下：

（1）切削齒采用較小直徑（?10～13 mm）耐沖擊復(fù)合片與金剛石聚晶組合，增強保徑效果，盡可能提高鉆頭適應(yīng)性，適應(yīng)地層軟硬變化［12-14］，如圖3所示。

圖3 聚晶、復(fù)合片組合取心鉆頭Fig.3 Polycrystalline and PDC combined coring bit

（2）采用5～6 刀翼鉆頭結(jié)構(gòu)，保證復(fù)雜工況下鉆頭平穩(wěn)鉆進。

（3）嚴(yán)格取心鉆進工藝措施，做到鉆壓、排量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)與復(fù)雜地層的精確匹配。

3.2.3 鉆井液技術(shù)

依據(jù)本井地質(zhì)、工程設(shè)計，參考鄰井資料［15-19］，針對該井地質(zhì)條件及鉆井施工的復(fù)雜性，室內(nèi)在鉆井液體系選擇、處理劑優(yōu)選及配伍性、潤滑防塌和高溫高密度條件下的鉆井液性能維護與處理等方面進行了研究試驗，最終確定各開次主要鉆井液體系與配方如下：

（1）導(dǎo)管段、一開低固相鉆井液：淡水+0.2%燒堿+3%～8%膨潤土+0.3%～0.8%增粘劑。一開鉆遇地層層位：新近系、古近系、白堊系地層，主要巖性：灰?guī)r、白云巖、礫巖、砂巖。

（2）二開鉆遇地層層位：白堊系、三疊系、二疊系，主要巖性：泥巖、砂巖、白云質(zhì)灰?guī)r。采用雙聚防塌鉆井液：淡水+0.2% 燒堿+2%～4% 膨潤土+0.5%～1.5% 降失水劑GPNH+0.5%～1.5% 降失水劑GPNA+0.5%～1%接枝淀粉+1%～2%隨鉆堵漏劑+0.2%～0.5% 增粘劑+0.2%～0.3% 包被劑。

（3）三開鉆遇地層層位：二疊系，主要巖性：灰?guī)r、泥頁巖。維持雙聚防塌鉆井液體系，并在二開鉆井液性能基礎(chǔ)上，提高降失水材料的加量，進一步降低濾失量，減少水進入泥頁巖地層造成吸水膨脹、坍塌縮徑等問題。

（4）二開鉆遇石膏層，地質(zhì)預(yù)告有硫化氫溢出風(fēng)險。長井段多次鉆遇石膏層，造成現(xiàn)場鉆井液性能大幅變化，很難保證正常施工工藝與井內(nèi)安全。在現(xiàn)場雙聚防塌鉆井液體系基礎(chǔ)上，通過實驗室分析研究和現(xiàn)場試驗，鉆井液鈣侵后不添加純堿除鈣，而是添加燒堿和除硫劑，提高pH 值控制游離鈣離子含量并預(yù)防硫化氫，添加稀釋劑調(diào)整鉆井液流變性，添加降濾失劑控制鉆井液濾失量。實際鉆井液性能：漏斗粘度（馬氏）控制在37～45 s，密度1.08～1.14 g/cm3、濾失量6～7 mL/30 min，pH 值9～12。鉆井施工中每次起鉆無遇阻，下鉆暢通，一次到底；二開完鉆電測4 趟，起下儀器順利，井徑規(guī)則，提高了測井效率，并給后面下套管施工奠定了基礎(chǔ)，固井施工安全順利。

3.3 井控設(shè)備

為確保鉆井施工安全，進入油氣地層的二開、三開井段，做好全員井控培訓(xùn)與安全演練；二開、三開井口配備2FZ35-35B 型雙閘板防噴器、JG35-35 型節(jié)流管匯與YG35-35 型壓井管匯，配齊便攜式和固定式硫化氫檢測儀、FKQ640-6 型遠控房、液氣分離器與點火裝置。

4 工程質(zhì)量分析

4.1 取心質(zhì)量

皖望地4 井鉆進期間共取心13 次，進尺88.96 m，巖心長76.44 m，巖心直徑80～100 mm，采取率85.93%，達到設(shè)計要求，取心情況見表5，取心工具如圖4 所示。

圖4 長筒取心鉆具取心鉆頭Fig.4 Long-barrel coring tools and coring bits

表5 皖望地4 井取心統(tǒng)計Table 5 Cores from Well Wanwangdi-4

4.2 井身軌跡質(zhì)量

皖望地4 井實測在2015.00 m 處最大井斜角為3.76°，測量井段內(nèi)井底閉合方位為127.12°，閉合位移逐漸增大，在2190.00 m 閉合位移最大41.45 m，井底閉合位移31.32 m，全角變化率在2140 m 最大值1.74%。水平位移、全角變化率和井斜均小于設(shè)計值，井眼軌跡符合鉆井工程設(shè)計要求。

4.3 井徑控制

皖望地4 井各開次井徑見表6，井徑擴大率均＜15%，符合鉆井工程設(shè)計要求。

5 取得的成果

5.1 查明井位地區(qū)地層情況

皖望地4 井完井井深2503.9 m，通過實施測錄井工程和目的層間隔取心工作，獲取了全井段巖屑和綜合測錄井?dāng)?shù)據(jù)、部分地層巖心，鉆遇望江地區(qū)二疊系完整地層序列，揭示了望江坳陷白堊系-二疊系地層層序，為區(qū)域基礎(chǔ)地質(zhì)研究、油氣資源發(fā)現(xiàn)奠定了良好基礎(chǔ)。

5.2 獲取油氣顯示情況

皖望地4 井鉆井工程，獲取2503.9 m 巖屑、76.44 m 地層巖心、2503.9 m 綜合測錄井?dāng)?shù)據(jù)，本井共鉆遇不同級別的油氣顯示層28 層，累計厚度193.86 m，氣測異常11 層，累計厚度84.92 m，地化TOC 異常17 層，累計厚度108.94 m。本井油氣顯示較好，顯示層位主要集中在殷坑組、大隆組、吳家坪組、孤峰組。

5.3 先進鉆探技術(shù)應(yīng)用示范

皖望地4 井發(fā)揮北京探礦工程研究所鉆探優(yōu)勢技術(shù)，整合了鉆頭鉆具技術(shù)［20-22］、鉆井液及固控技術(shù)，應(yīng)用于現(xiàn)場油氣鉆探施工。

（1）長筒取心技術(shù)。采用射流式取心結(jié)構(gòu)設(shè)計、內(nèi)涂層巖心管等關(guān)鍵技術(shù)，提高復(fù)雜地層的取心效果，可配雙筒（18 m）或三筒（27 m），配合針對不同地層設(shè)計的隔水底噴鉆頭和聚晶復(fù)合鉆頭，采取合適的操作工藝，可明顯提高取心收獲率、鉆頭適應(yīng)性和取心鉆進效率。

（2）防H2S 防鈣侵飽和鈣基鉆井液。根據(jù)皖望地4 井長段石膏層出現(xiàn)的鈣侵預(yù)防H2S 的需求，保證高效取心、鉆進提速和井壁安全，成本也大幅降低。

（3）耐沖擊高耐磨金剛石復(fù)合片鉆頭碎巖技術(shù)。針對鉆遇軟硬互層變化快、硬地層堅硬致密復(fù)雜地層，通過鉆頭切削具的碎巖機理研究，合理化切削具組合排布、優(yōu)化鉆頭水力結(jié)構(gòu)、精密化鉆頭焊接和加工工藝，提高復(fù)合片鉆頭適應(yīng)性，獲取更快鉆進速度、延長鉆頭使用壽命。

（4）隨鉆防斜打直技術(shù)。鉆遇地層軟硬互層頻繁，地層傾角大，易井斜，采用穩(wěn)斜控斜鉆進參數(shù)和PDC 鉆頭+單彎螺桿+MWD 鉆具組合，打直提速效果顯著。

（5）保壓密閉取心鉆進技術(shù)。鉆井現(xiàn)場試驗了保壓密閉取心鉆具及配套保壓取心鉆頭，取得了良好效果。該型鉆具為提鉆式雙動雙管取心鉆具，使巖樣出井后能夠保持與地層原位壓力相近的壓力，減少巖樣油、氣組分的流失，為后期研究提供更準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

（6）井場環(huán)保措施。鉆探井場地處農(nóng)田，現(xiàn)場優(yōu)選土地復(fù)墾方案，鉆前鉆后做好耕植土剝離和回填，施工中配合固控循環(huán)和使用可降解泥漿材料，做好污染物隔離防滲處理，做到綠色環(huán)保鉆探［23-24］。

6 結(jié)語

在皖望地4 井鉆井施工中，針對下?lián)P子望江坳陷地層多變、軟硬互層的鉆探復(fù)雜情況，應(yīng)用北京探礦工程研究所自有鉆頭巖石切削工藝、穩(wěn)定可靠的鉆井液體系和系統(tǒng)全面的鉆探工藝措施，實現(xiàn)在堅硬致密白云巖、石英砂巖和膏巖層、大傾角地層、礫石層等地層防斜打直快速穿越；復(fù)雜地層高效長筒取心、氣層密閉保壓取心、堵漏護壁環(huán)保鉆井液體系等鉆井器具與材料技術(shù)應(yīng)用，安全高效環(huán)保實施鉆、測、錄、固井各項工程，為區(qū)域油氣調(diào)查鉆探技術(shù)體系建立提供有益經(jīng)驗，為開辟長江下游油氣調(diào)查新領(lǐng)域發(fā)揮支撐作用。