黃 勇

(北京大地高科煤層氣工程技術(shù)研究院，北京 100040)

0 引言

黔北地區(qū)是我國頁巖氣勘探開發(fā)的重要地區(qū)之一。隨著國土資源部第二輪頁巖氣招標(biāo)區(qū)塊勘查工作的不斷推進(jìn)和黔北頁巖氣勘查試驗(yàn)區(qū)的確立，頁巖氣勘探開發(fā)步伐不斷加快[1-2]。近年來，相比黔北地區(qū)頁巖氣資源評(píng)價(jià)方面的研究成果，勘探開發(fā)適用性技術(shù)的研究成果較少，而鉆井技術(shù)方面的研究工作更顯薄弱。

目前，黔北地區(qū)已有的鉆井主要包括小井眼的地質(zhì)調(diào)查井和為數(shù)不多的預(yù)探井。地質(zhì)調(diào)查井的施工主要依靠具有本地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)的煤炭勘查和地勘隊(duì)伍，預(yù)探井主要由各大油田企業(yè)下屬井隊(duì)實(shí)施。黔北地區(qū)主要的頁巖氣勘查層系以下寒武統(tǒng)牛蹄塘組為主，上覆地層巖性多以碳酸鹽巖為主，加之本地區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，造成鉆井地質(zhì)條件復(fù)雜，地層漏失、出水等問題頻發(fā)，導(dǎo)致鉆井液消耗量大、輔助時(shí)間長(zhǎng)、鉆井周期長(zhǎng)等問題[3-5]。

1 鉆遇地層及含水層

YX1井是黔北某區(qū)塊部署的一口頁巖氣探井，鉆遇地層包括寒武系婁山關(guān)組、高臺(tái)組、清虛洞組、金頂山組、明心寺組、牛蹄塘組及震旦系燈影組(未穿)。其中婁山關(guān)組及高臺(tái)組巖性以白云巖為主，含少量灰質(zhì)；清虛洞組灰質(zhì)成分增加，巖性以灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r為主；至金頂山組碳酸鹽成分明顯減少，以泥巖或砂質(zhì)泥巖為主；明心寺組以粉砂質(zhì)泥巖為主；目的層牛蹄塘組底部為黑色富粘土硅質(zhì)頁巖與硅質(zhì)頁巖，中上部以粉砂質(zhì)泥巖為主；燈影組頂部為層狀、塊狀白云巖。

由于上部地層以白云巖等碳酸鹽巖為主，溶洞、裂縫發(fā)育，為該區(qū)主要含水層。YX1井在鉆遇婁山關(guān)組至金頂山組時(shí)多次發(fā)生井漏、地層出水等情況，傳統(tǒng)堵漏方法效果很不明顯，阻礙了鉆井施工的順利進(jìn)行。通過分析研究已有鉆井工藝技術(shù)，借鑒相似地質(zhì)條件鉆井經(jīng)驗(yàn)，選擇充氣鉆進(jìn)技術(shù)作為適用性工藝，經(jīng)過工藝改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了漏失地層鉆井和地質(zhì)錄井，是漏失地層鉆井技術(shù)的一種有益嘗試，為本區(qū)頁巖氣鉆井工藝選擇積累了經(jīng)驗(yàn)。

2 鉆井施工概況及存在的問題

2.1 鉆井施工概況

YX1井位于黔中隆起東緣，目的層為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣，開孔層位為婁山關(guān)組，鉆穿寒武系牛蹄塘組進(jìn)入震旦系燈影組90m完鉆。本井為本區(qū)第一口預(yù)探井，主要鉆探目的為獲得牛蹄塘組儲(chǔ)層特征、生烴能力、儲(chǔ)集性能、含氣性、壓裂工程及產(chǎn)氣能力等參數(shù)，為下一步勘探開發(fā)提供基礎(chǔ)。本井構(gòu)造勘探程度低，鄰井參考資料缺乏，地層壓力存在不確定性；同時(shí)，油氣顯示層位及含硫性未知。

二開從井深65m處開鉆，井深72m時(shí)發(fā)生井漏，清水強(qiáng)鉆至井深85m，期間最大漏速達(dá)7.0m3/h，一般漏速約3.5m3/h。采用水泥堵漏后清水強(qiáng)鉆至井深136.98m再次發(fā)生井漏，最大漏速達(dá)12.2m3/h，一般漏速為4.0m3/h。續(xù)清水強(qiáng)鉆至井深317m，發(fā)現(xiàn)鉆具放空、井漏失返。先后4次堵漏，共計(jì)注入水泥漿78m3，水泥球200粒，棕墊、白棕繩和舊工衣若干后出口未返，宣告堵漏失敗。

2.2 施工存在的問題

(1)井漏失返。本井二開采用清水鉆進(jìn)的過程中，在井深317m處放空，發(fā)生了井漏失返，利用水泥堵漏后未見成效。綜合考慮可能為地層裂縫性漏失，在進(jìn)行氣體鉆井的過程中，依然可能會(huì)出現(xiàn)井漏失返的狀況。

(2)地層出水。在井深317m井漏失返，注水泥堵漏后下鉆未探得塞面；起鉆時(shí)發(fā)現(xiàn)液面始終保持在井深40m左右，分析在井深317m可能存在地下暗河，故本井實(shí)施氣體鉆井過程中可能出現(xiàn)地層出水的現(xiàn)象。

(3)錄井工作困難。因井漏失返，巖屑錄井等工作難以開展，造成錄井工作困難，無法完成準(zhǔn)確建立地層巖性剖面的工作。

3 充氣鉆井工藝技術(shù)改進(jìn)

充氣泥漿是把空氣壓縮后注入立管和泥漿混合后進(jìn)入鉆具內(nèi)形成泥漿泡沫。充氣泥漿在解決裂縫性漏失地層堵漏和提高機(jī)械鉆速方面具有良好的應(yīng)用效果，其堵漏原理為：鉆井注入的高結(jié)構(gòu)粘度泡沫群體吸附聚集于地層孔隙中不僅能夠封堵滲漏通道，還能對(duì)滲向地層的自由水產(chǎn)生強(qiáng)烈的排斥作用，形成穩(wěn)定的疏水屏障，阻礙了自由水的流動(dòng)，使?jié)B漏進(jìn)一步減弱；由于泡沫流動(dòng)產(chǎn)生界面變形吸收能量，并相互粘滯形成高粘度泡沫泥漿，該高粘度泡沫的流變特性既有利于提高鉆進(jìn)效率，又有利于防止和減少漏失；與常規(guī)泥漿相比，充氣泥漿具有低密度、低液柱壓力的特點(diǎn)，依靠低液柱壓力形成負(fù)壓鉆進(jìn)，可以防止脆弱巖石被壓裂或閉合裂隙張開貫通，起到防漏作用[6-12]。

(1)充氣鉆井參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)HK模式，要實(shí)現(xiàn)成功鉆穿漏層和水層，就必須使注入氣量介于最小注氣量與最大注氣量之間。通過充氣鉆井專業(yè)軟件計(jì)算可知：地層壓力系數(shù)為0.87時(shí)，該井段最優(yōu)充氣量為30～60m3/min，液量為40～50L/s。采用兩臺(tái)空壓機(jī)加一臺(tái)增壓機(jī)用6～9MPa壓力，空氣排量30～60m3/min把空氣通過高壓管線注入井內(nèi)，采用空鉆和清水強(qiáng)鉆相結(jié)合：空氣排量30～90m3/min，液量40～50L/s立壓6.9～7.0MPa，調(diào)整好液/氣量比同時(shí)工作，確保正常鉆進(jìn)，砂子也能返出，大大提高了鉆井速度(圖1)。

充氣鉆井期間，通過不斷調(diào)整氣液比，建立了連續(xù)循環(huán)，使排砂管線出口可以持續(xù)返出，有效解決了井漏、出口失返的難題，滿足了地質(zhì)巖屑錄井的需要。

(2)地層水返注解決地層出水問題。由于井下存在暗河等原因，充氣鉆井過程中排砂出口出水量較大，約為80m3/h，污水池容量有限難以容納，容易造成污水流出造成污染。所以，充氣鉆井期間，間斷采用清水回注井筒內(nèi)的方法來消耗地面沉砂池內(nèi)的清水。

(3)帶壓鉆井可以保證鉆井安全。何淼等通過實(shí)驗(yàn)研究表明：環(huán)空近井口段截面含氣率對(duì)井口回壓的變化相當(dāng)敏感，帶壓1～2 MPa 鉆進(jìn)可以大幅改善環(huán)空近井口處兩相流流型，保證充氣控壓鉆井的安全高效作業(yè)[13-14]。YX1井鉆進(jìn)過程中，井口壓力控制在1.5 MPa，保證了施工安全，充氣鉆井層段(317～980m)鉆效86.6m/d，鉆井作業(yè)安全高效。

圖1 空氣鉆進(jìn)工藝流程示意Figure 1 A schematic diagram of aerated drilling technology flow chart

(4)增加碳酸鹽巖分析儀，提高巖性識(shí)別準(zhǔn)確度。充氣鉆井過程中，巖屑在上返過程中由于高速運(yùn)動(dòng)，與鉆具、井壁之間的碰撞加劇，使巖屑的顆粒直徑由常規(guī)的塊狀變成粉塵狀，偶見細(xì)粒狀巖屑顆粒，給現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)錄井技術(shù)人員對(duì)巖性識(shí)別、定名及分層卡層帶來較大困難。因此，在錄井過程中增加碳酸鹽巖分析儀，以提高巖性識(shí)別準(zhǔn)確度。在黑色頁巖層段還可增加地化錄井，以解決判層及優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層準(zhǔn)確定位的問題。

(5)探沉砂防沉砂卡鉆。鉆進(jìn)中發(fā)生惡性漏失，氣體返出量減少或不返時(shí)，注意鉆進(jìn)一段后探沉砂情況。如沉砂少，則繼續(xù)鉆進(jìn)；沉砂多，則增大氣量鉆進(jìn)，并根據(jù)沉砂情況及時(shí)改變或終止氣體鉆進(jìn)，防沉砂卡鉆。

4 實(shí)施效果

通過采用改進(jìn)后的充氣鉆井工藝，鉆效由泥漿鉆井時(shí)的62.2m/d提高至87.08m/d，地層漏失情況得到大幅改善，巖屑上返效果大大改善，保證了巖屑錄井的正常進(jìn)行，為巖性剖面的準(zhǔn)確建立奠定了基礎(chǔ)(圖2)。

圖2 YX1井鉆時(shí)及鉆效柱狀Figure 2 Well YX 1 drilling time and drilling efficiency column

5 結(jié)語

(1)充氣鉆井工藝很好的解決了黔北地區(qū)頁巖氣鉆井過程中地層漏失和出水問題，為改善易漏失地層鉆井質(zhì)量，提高鉆井效率，保證施工安全提供了有效途徑。

(2)黔北地區(qū)充氣鉆井參數(shù)可以以以下參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整：空氣排量30～90m3/min，液量40～50L/s，立壓6.9～7.0MPa。同時(shí)在鉆進(jìn)過程中采用清水回注可以解決地層出水問題，井口帶壓鉆井可以提高鉆效保證安全。

(3)為彌補(bǔ)充氣鉆井對(duì)巖屑錄井的影響，鉆井現(xiàn)場(chǎng)建議配備碳酸鹽巖分析儀，優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育層段建議配備地化分析儀，以提高巖性識(shí)別精度。

[1]周仕來.頁巖氣在貴州省開發(fā)利用的現(xiàn)狀及難題[J].潔凈煤技術(shù),2016,22(1):101-104.

[2]許坤,李豐,姚超.我國頁巖氣開發(fā)示范區(qū)進(jìn)展與啟示[J].石油科技論壇,2016,1:44-49.

[3]甘祥永.鳳參1井鉆井工藝技術(shù)及問題處理[J].中小企業(yè)管理與科技(中旬刊),2016,1:213.

[4]宋繼偉,李勇.貴州省頁巖氣調(diào)查井施工工藝[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)2013,40(8):26-30.

[5]鄧亮,張承飛,鄧少東.貴州省頁巖氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)(黔北項(xiàng)目)鉆探施工技術(shù)[J].西部探礦工程,2014,12,57-60.

[6]朱麗華,黃曉川,劉英,等.國外充氣鉆井液鉆井技術(shù)[J].鉆采工藝,2006,29(5):9-12.

[7]鄧虎,李功玉,肖洲,等.基于充氣鉆井的川東地區(qū)防漏治漏技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鉆采工藝,2011,34(5):22-24.

[8]余晟,李黔,康雪林.充氣欠平衡鉆井環(huán)空氣液固三相流動(dòng)力學(xué)分析[J].鉆采工藝,2007,30(02):5-6,43-45.

[9]楊赟.隴東惡性漏失區(qū)域充氣鉆井及封堵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鉆采工藝,2014,37(6):42-44.

[10]韓朝輝,張建斌.川東北地區(qū)空氣鉆井中幾種復(fù)雜情況診斷與處理[J].鉆采工藝,2008,31(6):24-25.

[11]蔣振偉,姜生輝,王銳.充氣泥漿堵漏鉆井技術(shù)在靖平51-13井的應(yīng)用[J].內(nèi)江科技,2013,1:93-94.

[12]左星,李發(fā)水,李照.充氣鉆井技術(shù)在四川地區(qū)的應(yīng)用[J].天然氣勘探與開發(fā),2010,33(3):59-61.

[13]王延民,孟英峰.充氣控壓鉆井過程壓力影響[J].石油鉆采工藝,2009,31(1):31-34.

[14]何淼,柳貢慧,李軍.充氣控壓鉆井關(guān)鍵工程參數(shù)研究[J].特種油氣藏,2014,21(5):138-142.

[15]林小琰,李強(qiáng),田旭.影響氣體鉆井地層出水因素[J].油氣地球物理,2014,12(3):57-59.

[16]王金茹,楊寶剛,黃玉康,等.空氣鉆井地層出水判斷技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,15(5):46-49.

[17]華學(xué)理,佘明軍,張建立,等.空氣鉆井技術(shù)對(duì)地質(zhì)錄井工作的影響及對(duì)策[J].錄井工程, 2007,18(1):5-8.

[18]卓云,胡顯智,鄭霞,等.氣體鉆井遇地層出水時(shí)的充氣鉆井技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2011,31(8):73-75.

[19]黃小兵,陳次昌,董耀文.氣體鉆井的巖屑特征及粒度分布測(cè)試[J].天然氣工業(yè),2008,28(11):83-84.

[20]王文剛,王萍,楊景利.充氣泡沫鉆井液在元壩地區(qū)陸相地層的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2010,38(4):45-48.