米合江，張 飛

(新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，新疆烏魯木齊830000)

1 工程概述

新疆頁巖氣調(diào)查井準(zhǔn)頁2井位于新疆吉木薩爾縣境內(nèi)，該頁巖氣調(diào)查井是我單位承擔(dān)的《新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣重點(diǎn)遠(yuǎn)景區(qū)頁巖氣資源潛力調(diào)查評價》項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一口調(diào)查井。項(xiàng)目管理單位為自治區(qū)地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目管理中心。項(xiàng)目的目的是:掌握準(zhǔn)噶爾盆地南緣晚古生界—中生界沉積充填系列，初步確定主要目標(biāo)層段巖相類型和空間分布特征;系統(tǒng)采集各類樣品，初步掌握頁巖氣賦存層段、含氣性以及儲層特征和影響頁巖氣富集的主要因素，為下一步開展頁巖氣調(diào)查評價選擇有利目標(biāo)區(qū)。項(xiàng)目共設(shè)計(jì)3口調(diào)查井，準(zhǔn)頁2井是其中測試氣量最好的一口井，儲氣量平均品位可達(dá)6～7 m3/t，工業(yè)可開采最低品位為0.3 m3/t，儲氣最好的井段在760～1000 m。該井于2014年1月17日開鉆，2014年7月9日結(jié)束，歷時172天，設(shè)計(jì)井深1700 m，直井，實(shí)際完鉆井深1617.18 m，要求取心的井段巖礦心采取率達(dá)到100%，調(diào)查井質(zhì)量完全滿足地質(zhì)要求，達(dá)到了地質(zhì)目的?？偨Y(jié)準(zhǔn)頁2井的施工經(jīng)驗(yàn)和探討存在的問題，對今后施工頁巖氣調(diào)查井具有一定的指導(dǎo)意義。

2 地層概述

準(zhǔn)頁2井為一套沉積巖地層，巖石主要為泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖等，各類巖石交替出現(xiàn)。區(qū)域內(nèi)地層發(fā)育較為完善，自石炭系至新生界均有發(fā)育。構(gòu)造位置在博格達(dá)山東段阜康－大龍口向斜北翼，目的層主要為二疊系蘆草溝組烴源巖。主要目的是了解區(qū)內(nèi)二疊系蘆草溝烴源巖地層地質(zhì)情況，掌握烴源巖地層地球化學(xué)、儲層物性及含氣性等基本特征，為準(zhǔn)南頁巖氣資源潛力評價提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。準(zhǔn)頁2井鉆遇的地層主要為二疊系泉子街組、蘆草溝組。0～750 m為泥質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)，上部風(fēng)化嚴(yán)重，巖層較為松軟，可鉆性4～5級，井徑擴(kuò)大嚴(yán)重;750～1400 m以硅質(zhì)膠結(jié)為主，巖層較硬，較完整，可鉆性6～7級;1400～1617 m完鉆，白云質(zhì)、鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)，巖層較軟，可鉆性5級左右，較完整。井壁巖層微裂隙發(fā)育，鉆進(jìn)中鉆井液有滲漏現(xiàn)象。

3 主要的工程質(zhì)量要求

(1)鉆井井斜質(zhì)量要求:依據(jù)巖心鉆探規(guī)程的要求，直井井斜角增幅≯2°/100 m。

(2)巖心采取率:第四系不做具體要求，其它地層中全井巖心采取率按規(guī)范要求。合格巖心采取率≮60%，優(yōu)質(zhì)巖心采取率≮75%;合格烴源巖巖心長度采取率≮75%，質(zhì)量采取率≮60%;優(yōu)質(zhì)烴源巖層長度采取率≮90%，質(zhì)量采取率≮75%。

(3)巖心的采取必須采用繩索取心技術(shù)進(jìn)行取心。

(4)巖心直徑要求＞60 mm。

(5)烴源巖巖心保持結(jié)構(gòu)完整，不污染、不磨燒變質(zhì)。

(6)為了盡量使氣體少散失，保證頁巖氣含氣量測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，要求1000 m以淺的井深打撈巖心的時間＜20 min。

(7)為減少含氣巖心在空氣中的暴露時間，要求含氣巖心到達(dá)地面后，在10 min內(nèi)快速取出其中一段裝入事先準(zhǔn)備好的氣體解吸罐中，并立刻開始進(jìn)行現(xiàn)場解吸。

(8)要求全孔隨鉆氣體檢測，即地質(zhì)上另外安排隨鉆氣測錄井的工作，要求機(jī)臺制作符合氣測錄井要求的水泥方磚砌制的規(guī)整泥漿循環(huán)槽，斷面規(guī)格:20 cm(寬)×20 cm(高)，并選擇靠近鉆塔的位置砌一個規(guī)格為:50 cm(長)×50 cm(寬)×60 cm(高)的方池，用于放置氣測錄井用的脫氣機(jī)。

4 鉆井設(shè)備的選擇

因單位沒有現(xiàn)成合適的鉆機(jī)、鉆塔、泥漿泵、柴油發(fā)電機(jī)組等主要鉆探設(shè)備，所以必須重新購置，選擇依據(jù)如下。

4．1 鉆機(jī)

通過多方調(diào)研，選擇了連云港黃海機(jī)械廠生產(chǎn)的HXY－9型立軸式巖心鉆機(jī)(見圖1)。

(1)鉆機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)滿足頁巖氣調(diào)查井井深和口徑的要求。其設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度為2000～4000 m，準(zhǔn)頁2井設(shè)計(jì)井深1700 m;鉆桿直徑114、89 mm，而準(zhǔn)頁2井所用鉆桿為89 mm繩索取心鉆桿;鉆機(jī)最大起重力為640 kN，約為64 t，1700 m井深89 mm繩索取心鉆桿的自重約為17.6 t，鉆機(jī)起重力遠(yuǎn)大于鉆桿自重，滿足了準(zhǔn)頁2井的需要，更重要的是又為今后施工2000 m以深的頁巖氣調(diào)查井做好了準(zhǔn)備。

圖1 HXY－9型立軸式巖心鉆機(jī)

(2)操作簡便，易于掌握，油壓立軸鉆機(jī)是我隊(duì)常用的鉆機(jī)類型，工人對這類鉆機(jī)十分熟悉，因此使用操作不需要進(jìn)行專門的學(xué)習(xí)培訓(xùn)，廠家在現(xiàn)場簡單指導(dǎo)后就可掌握。

(3)價格合適，單位有能力采購，不會給單位造成較大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

(4)工廠有現(xiàn)貨，可馬上購買使用，不影響施工。

實(shí)際使用效果:鉆機(jī)可以滿足工程施工要求，保證了準(zhǔn)頁2井的順利完成。不足之處:體積過于龐大，操作不夠方便，鉆機(jī)故障率較高。

4．2 鉆塔

深井施工，鉆具重，有時還需強(qiáng)力起拔，需要鉆塔有較大的承載力，并要求能夠提升較長的立根，以提高提鉆速度。為此選擇了連云港黃海機(jī)械廠生產(chǎn)的HA－29/90型鉆塔(見圖2)，該塔承載力大，可達(dá)900 kN;高度較高，塔高29 m，可提升25 m的立根，此均大于常用鉆塔;底座面積大，規(guī)格為11 m×6.8 m，適合安裝HXY－9型這樣大體積的鉆機(jī)，同時可擺放較多的鉆桿。

4．3 泥漿泵

準(zhǔn)頁2井為深井鉆進(jìn)，需要選用耐壓值較高的泥漿泵，為此選擇了河北永明地質(zhì)工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的NBB260/7A型泥漿泵(見圖3)，該泵公稱壓力7 MPa;最大壓力8 MPa，公稱流量在35～260 L/min之間，正常鉆進(jìn)的泵量一般為60～90 L/min，正是所選的中間檔泵量，這樣就留有較大的增加空間，適合深孔鉆進(jìn)的要求。實(shí)際使用效果較好，泥漿泵性能較穩(wěn)定可靠，保證了鉆井的順利施工。

4．4 動力設(shè)備

根據(jù)鉆孔施工設(shè)計(jì)計(jì)算，施工現(xiàn)場生產(chǎn)和生活用電總功率為260 kW，鉆機(jī)用電動機(jī)功率為160 kW，為了保證鉆機(jī)啟動時有充足的余量，購置了400 kW的沃爾沃柴油發(fā)電機(jī)組。實(shí)際施工過程中因?yàn)榭梢越尤胪鈦砉I(yè)用電，所以就沒有使用購置的發(fā)電機(jī)組，只是將其作為備用電源。使用工業(yè)用電成本低，使用方便，噪聲小。

5 鉆井施工技術(shù)

5．1 井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)準(zhǔn)頁2井的地層特點(diǎn)以及受巖心直徑的限制，只能設(shè)計(jì)成二開的井身結(jié)構(gòu)，即覆蓋層后，取心段用金剛石繩索取心鉆具一徑到底，實(shí)際井身結(jié)構(gòu)也是二開結(jié)構(gòu)(見圖4)。

圖4 實(shí)際井身結(jié)構(gòu)

5．1．1 一開

5．1．2 二開

5．2 取心鉆具、鉆頭的使用

5．2．1 鉆具

使用唐山金石超硬材料有限公司生產(chǎn)的H口徑XJS95規(guī)格金剛石繩索取心鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)取心。選擇這套鉆具，是因?yàn)榈刭|(zhì)方面定做的氣體解吸罐內(nèi)徑為70 mm，并要求巖心直徑≮60 mm，因此巖心直徑必須在60～70 mm之間，該套鉆具取出巖心的直徑為63 mm，符合地質(zhì)要求;同時地質(zhì)要求取心時間要短，速度要快，繩索取心鉆進(jìn)是目前國內(nèi)取心鉆進(jìn)中，提心速度最快的鉆進(jìn)方法，因此使用H口徑金剛石繩索取心鉆具勢所必然，其他口徑的繩索取心鉆具，其巖心直徑不是大于就是小于氣體解吸罐內(nèi)徑，不能使用。該鉆具實(shí)際使用效果良好，在取心井段取心1611.99 m，巖礦心采取率達(dá)100%，完全滿足地質(zhì)要求，回次打撈成功率達(dá)95%以上，很好地保證了采取氣體的質(zhì)量。

5．2．2 鉆頭

圖5 外徑加大的金剛石繩索取心鉆頭

5．3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

取心鉆進(jìn)井段主要使用XJS95規(guī)格繩索取心鉆具，并將鉆頭外徑加大至110 mm，因?yàn)殂@進(jìn)時井壁與鉆桿間的環(huán)狀間隙較大，井壁巖層不夠穩(wěn)定，有較嚴(yán)重的超徑現(xiàn)象，又因巖石硬度不高，為保證鉆進(jìn)平穩(wěn)安全順利進(jìn)行，鉆進(jìn)中采用的鉆進(jìn)壓力和轉(zhuǎn)速都較低。整個取心井段巖性大致相近，所選用的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)在一個變化不大的范圍內(nèi)，因此未對巖層再進(jìn)行細(xì)分，具體數(shù)據(jù)如下。

鉆壓:5.19～285 m井段加壓鉆進(jìn)，鉆壓在5～8 kN之間;285～1617.18 m井段，即至完鉆為減壓鉆進(jìn)，鉆壓在6～11 kN之間。

轉(zhuǎn)速:120～340 r/min。

泵量:一般使用68 L/min的泵量。

準(zhǔn)頁2井鉆進(jìn)施工整體較為平穩(wěn)順利，未出現(xiàn)過大的井內(nèi)問題，說明所選用的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)較為合理，但是鉆進(jìn)效率較低，臺月效率僅為282 m。

5．4 鉆井液的使用

這里主要介紹取心井段的鉆井液體系。因井壁不穩(wěn)定，為保護(hù)井壁，保證取心鉆進(jìn)順利地進(jìn)行，采用了高粘度、高靜切力、高密度，有較強(qiáng)防塌能力的優(yōu)質(zhì)泥漿體系，該泥漿體系護(hù)壁效果好，攜帶巖粉能力強(qiáng)，可較好地平衡地層壓力，實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)。又因?yàn)殂@頭外徑加大，使鉆桿與井壁間的環(huán)狀間隙增大，泥漿上返平穩(wěn)，避免了因環(huán)狀間隙小，鉆井液上返速度快，對井壁地強(qiáng)力沖刷，從而有效地保護(hù)了井壁。整個取心鉆進(jìn)井段中未出現(xiàn)過大的坍塌掉塊現(xiàn)象，有效地保證了鉆井施工的順利完成，說明所選用的泥漿體系比較適合地層特點(diǎn)。泥漿配方:1 m3水+100 kg膨潤土+3 kg NaOH+8～10 kg植物膠+60 kg 2%PAC141溶液 +8～10 kg腐植酸鉀(KHm)+8～10 kg特效防塌護(hù)壁劑+1～2 kg潤滑劑。泥漿性能:粘度40～60 s，密度1.10～1.15 g/cm3，pH值9～11，膠體率96%，失水量6～8 mL/30 min。

6 安全措施

在新疆北部，當(dāng)年11月到次年4月中旬為冬季施工時間，天氣寒冷，給施工帶來很多困難。冬季施工過程中必須做好防寒保暖工作，準(zhǔn)頁2井有3個月的冬季施工時間。頁巖氣為可燃性氣體，因此防火是安全施工的重點(diǎn)，為此采取了以下幾項(xiàng)安全措施。

(1)在施工現(xiàn)場準(zhǔn)備相當(dāng)數(shù)量的砂土，并配備足夠的鐵鍬、桶等工具。這是為防備井口一旦出現(xiàn)氣體噴涌現(xiàn)象就用砂土填埋覆蓋井口。

(2)要求井場及周圍50 m范圍內(nèi)不得有明火出現(xiàn)。

(3)鉆塔用棉塔衣圍裹嚴(yán)密。

(4)井場配備有電暖氣的工作房。

(5)井場搭建一個防寒工作棚，將泥漿循環(huán)系統(tǒng)、泥漿攪拌罐、泥漿材料及工作前機(jī)場包裹其中，并用水暖氣加熱取暖。工作棚選用結(jié)實(shí)耐用的帆布圍裹嚴(yán)密。

(6)井場取暖采用水暖氣片取暖。在距機(jī)場200 m的地方安裝水暖鍋爐，鋪設(shè)地下輸水管線給機(jī)場供暖，管線埋深1 m。

(7)井場內(nèi)所有用電線路和用電器具均安裝防爆裝置，即照明選用防爆燈，接電采用防爆插頭、插座，以防電火花引發(fā)火災(zāi)。

因安全防護(hù)措施到位，整個施工過程中未出現(xiàn)任何安全事故，更未出現(xiàn)火險，保證了鉆井施工的安全順利完工。

7 氣體測試方法簡介

氣體測試分析工作外包給了專業(yè)的物探測試單位，他們主要采用以下2種方式對氣體進(jìn)行測試，從而確定氣體的有效成分、地層含氣量、儲氣層位等。

7．1 采集測試鉆井液中的氣體

在鉆井液循環(huán)槽靠近鉆塔的位置放置一個脫氣機(jī)，并按前述質(zhì)量要求中的規(guī)格在鉆井液循環(huán)槽中挖掘一個池子放置脫氣機(jī)，脫氣機(jī)用塑料管線連接至距機(jī)場30 m左右的氣體測試房中，由相應(yīng)的儀器連續(xù)測試脫氣機(jī)從鉆井液中采集的氣體。對目標(biāo)儲氣層，只要有鉆井液循環(huán)，測試人員就必須每天24 h不間斷連續(xù)測試，以便能夠及時準(zhǔn)確地掌握儲氣層位并初測儲氣量大小。

7．2 測試目標(biāo)儲氣層中鉆取巖心的氣體

根據(jù)鉆井液氣體測試情況，對有氣體的層位，每一鉆進(jìn)回次提取巖心時，從鉆取的巖心中，取出50 cm左右長的巖心洗凈后快速放入氣體解吸罐中，密封嚴(yán)密，并放入機(jī)場的測試房中對氣體進(jìn)行較為準(zhǔn)確地分析測試，以準(zhǔn)確確定氣體的單位儲氣量、有效氣體的百分比含量等，最后再將檢測的巖心交由專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精確的分析測試。每回次采集巖心時，要求從巖心管內(nèi)退出巖心后，必須在10 min內(nèi)選取合適的巖心快速放入氣體解吸罐中，盡量減少巖心在空氣中的暴露時間，減少氣體的損失，使測試數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

8 問題探討

上述鉆井技術(shù)方法總體上說合理有效，保證了準(zhǔn)頁2井的順利完成，工程質(zhì)量完全滿足地質(zhì)要求，同時也做到了安全生產(chǎn)，但是依然存在一些技術(shù)和安全上的問題值得進(jìn)一步探討，這將更有利于提高頁巖氣調(diào)查井的施工效率和施工質(zhì)量。

(1)井身結(jié)構(gòu)過于簡單，不利于井壁的維護(hù)。在復(fù)雜地層中施工1600 m的深井一般應(yīng)采用多級井身結(jié)構(gòu)，并配合相應(yīng)的技術(shù)套管進(jìn)行井壁的維護(hù)，準(zhǔn)頁2井因受到氣體解吸罐內(nèi)徑的限制，采用了兩徑井身結(jié)構(gòu)，主要依靠優(yōu)質(zhì)泥漿進(jìn)行井壁維護(hù)，雖然也達(dá)到了目的，但是有點(diǎn)冒險。較合理的方法應(yīng)該是:二開時應(yīng)采用P口徑繩索取心鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)取心，并將鉆頭外徑加大至130 mm，鉆進(jìn)到750 m左右下入127 mm套管，然后進(jìn)行三開鉆進(jìn)至完鉆。如果施工更深的井，如2000 m以深的井，或者地層相當(dāng)復(fù)雜，也可加大一開口徑，二開采用S口徑，然后進(jìn)行三開、四開鉆進(jìn)。增加口徑應(yīng)與地質(zhì)方面溝通，做好設(shè)計(jì)，提前定制相應(yīng)的氣體解吸罐，以免影響施工。

(2)HXY－9型巖心鉆機(jī)體積過于龐大，操作十分不方便，操縱把距井口的距離有些遠(yuǎn)，操作人員觀察井口很不方便;另外，鉆機(jī)操作人員與塔上工作人員在起下鉆桿時的配合也很不方便，因距離太高，鉆機(jī)操作人員看不清楚塔上工作人員的動作，完全是靠人喊和經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行起下鉆桿的操作，存在一定的安全風(fēng)險。我們計(jì)劃在以后的使用中安裝一套視頻和語音的監(jiān)控系統(tǒng)，以提高鉆機(jī)操作的安全性和起下鉆桿的速度。同時，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)研，選擇更加先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、合理的施工鉆機(jī)。

(3)頁巖氣是可燃?xì)怏w，施工中必須做好防火工作。因此，筆者認(rèn)為頁巖氣調(diào)查井的施工，盡量不要安排在冬季施工，因?yàn)槎臼┕C(jī)場取曖十分困難，施工中要求不能有明火出現(xiàn)，用鍋爐供暖雖然也可以基本滿足需要，但是取曖效果仍不理想，同時，鍋爐供暖要架設(shè)鍋爐、管線、暖氣片等，大幅推高了施工成本。非冬季施工不需要采用復(fù)雜的取暖措施，可大幅降低鉆井施工成本。

(4)我單位設(shè)計(jì)施工的頁巖氣調(diào)查井均要求巖心直徑≮60 mm，準(zhǔn)頁2井也是如此，同時因前述原因，完鉆口徑只能用H口徑金剛石繩索取心鉆具才能符合要求，而H口徑繩索取心鉆具用鉆桿設(shè)計(jì)施工深度一般＜2000 m，如果施工2000 m以深的井，則面臨較大困難。因此，今后應(yīng)與地質(zhì)方面協(xié)商探討，2000 m以深的井用N口徑金剛石繩索取心鉆具作為完鉆口徑，這樣可提高頁巖氣調(diào)查井的施工深度，大幅降低施工難度和施工成本，提高施工效率。據(jù)同行業(yè)兄弟單位的經(jīng)驗(yàn)，N口徑金剛石繩索取心鉆具是可以作為完鉆口徑的。

以上問題探討只是筆者個人的一點(diǎn)不太成熟的看法，希望能與各位同行共同探討，以期提高頁巖氣調(diào)查井的鉆進(jìn)施工水平。

9 結(jié)語

(1)頁巖氣調(diào)查井雖然稱為“井”，但實(shí)際上卻是地質(zhì)巖心鉆探的“孔”，只是要求的終孔口徑稍大，整個鉆探技術(shù)工藝為巖心鉆探工藝，主要是H口徑金剛石繩索取心鉆探技術(shù)，與石油鉆井有相當(dāng)大的區(qū)別，同時，工程質(zhì)量要求也主要以地質(zhì)巖心鉆探為主，因此，本文盡量使用“井”的概念，個別使用“孔”的概念。準(zhǔn)頁2井的實(shí)踐證明，地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)可以滿足頁巖氣調(diào)查井的施工要求。

(2)加大金剛石繩索取心鉆頭外徑，可增大鉆桿與井壁間的環(huán)狀間隙，從而降低鉆井液的循環(huán)壓力，使鉆井液平緩流動，減少鉆井液對井壁地沖刷，較好地保護(hù)了井壁。

(3)鉆井液粘度高、密度高，具有護(hù)壁和攜帶巖粉能力強(qiáng)的特點(diǎn)，是保證復(fù)雜地層長井段裸眼鉆進(jìn)順利施工的有效技術(shù)措施。同時，因密度較高，可較好地平衡地層壓力，實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)。此外，由于環(huán)狀間隙較大，使用中泵壓一般不會很高。

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