黃晟輝， 奎 中， 吳金生， 趙遠剛， 馬銀龍

(1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026)

1 工程概況

中國地質科學院探礦工藝研究所2017年承擔“中揚子地區(qū)古生界頁巖氣基礎地質調查項目”中的單列項目以中揚子地區(qū)古生界富含有機質頁巖為評價對象，開展頁巖氣基礎地質調查，完成2口頁巖氣調查井鉆探工程施工任務；湘洞地1井便是其中的鉆井之一。

湘洞地1井位于湖南省邵陽市洞口縣雙聯(lián)村，在構造位置上屬邵陽凹陷長塘嶺向斜西翼，出露地層為上泥盆統(tǒng)佘田橋組中層狀泥灰?guī)r夾薄層狀泥晶灰?guī)r，地層產狀比較平緩，為100°∠30°，構造相對簡單。目的層位為泥盆系易家灣組黑色頁巖。對黑色頁巖目的層常規(guī)取心，完成目的層頁巖氣現場解吸，完成配套的測井、錄井、固井及完井工作。

湘洞地1井鉆井施工周期115 d，實鉆井深1708.56 m。

2 鉆井設計要求

湘洞地1井屬于頁巖氣地質調查垂直井，設計井深1500 m。

井斜要求：井深在500 m內最大井斜≯2°，井深>500 m后，井斜≯5°，井深>1000 m后，井斜≯8°，全井全角變化率要求控制在2.25°/30 m，終孔水平位移≯150 m。

井徑要求：終孔直徑≮96 mm，備用終孔直徑≮76 mm。

取心要求：全井段取心，平均巖心采取率≥85%；氣層取心時以最大速度提高內管提心速度，提心速度>100 m/min，以減少氣體的損失。

鉆井液要求：不得摻入含油、熒光、與巖石產生化學反應的處理劑和添加劑。

3 鉆井施工工藝

3.1 實鉆地層分層(見表1)

表1 湘洞地1井地層分層

本井開孔層位為第四系，鉆遇地層自上而下依次為：第四系、泥盆系上統(tǒng)佘田橋組，泥盆系中統(tǒng)榴江組。

3.2 鉆機選型與主要設備配套

(1)鉆機選型：所選擇的鉆機設備負荷能力及配置應能滿足1500 m鉆井的需要，并考慮到完井直徑96 mm及一開井徑150 mm，要求選用鉆深能力為2500 m的XY- 8B型巖心鉆機；但受目前擁有設備條件所限，湘洞地1井實際施工選用XY- 6N型巖心鉆機(鉆深1500～2000 m；鉆桿直徑65、50 mm)，實鉆證明滿足當前施工要求。

(2)設備配套：配備SG24型四角管子直塔；NBB- 250/60型泥漿泵；1.0 m3泥漿攪拌機；KXP- 2X型數字測斜儀；SFZ18- 21型單閘板防噴器；唐山金石JS- 2500B型繩索取心絞車；SQ114/8型繩索取心鉆桿液壓鉗；25 kW發(fā)電機等。

3.3 鉆井結構及施工工藝

鉆井實際施工1708.56 m，最終完井井身結構如圖1所示。

一開0～3.8 m，采用?150 mm普通金剛石取心鉆進，為防止孔斜，特別是開孔孔斜，采用粗徑鉆具、擴孔器等防斜鉆具組合，做到“以滿保直、以剛保直”；鉆穿表層碎巖石，進入完整致密基巖后，下入?146 mm表層套管3.8 m保護孔口，并用425水泥漿固井。3.8～5.13 m，采用?114 mm普通金剛石取心鉆進，形成1.33 m的過渡井段，為便于二開井段開孔時鉆頭對中。

圖1 湘洞地1井完井井身結構示意圖

因施工設備所限，本井未采用二級鉆井平臺施工，井口無法直接安裝防噴器，不符合頁巖氣施工的安全要求，故固井后要求再下挖1.6 m深坑預留空間安裝單閘板防噴器、放噴及壓井管匯，并按規(guī)范進行試壓試驗。

二開5.13～1500.69 m，采用?96 mm金剛石繩索取心鉆進，實鉆地層穩(wěn)定(奈田橋組灰?guī)r)；如地層較復雜，原則上盡可能采用沖洗液或其他注漿材料護壁或堵漏，以簡化鉆孔結構(使用高粘度、大密度的膨潤土泥漿進行護壁鉆進，無固相鉆井液)，下入?89 mm套管至井深1500.69 m，未固井。

三開1500.69～1708.56 m，采用?76 mm金剛石繩索取心鉆進至終孔。

3.4 鉆進規(guī)程參數

(1)一開0～5.13 m，孔及上部地層較為復雜，且開鉆井段要保證井斜<0.2°，所以采用低轉速、輕壓力、中泵量鉆進施工。為防止開孔孔斜，采用粗徑鉆具、擴孔器防斜鉆具組合，做到“以滿保直、以剛保直”鉆進。

(2)二開5.13～1500.69 m，實鉆地層為泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r不等厚互層，采用金剛石繩索取心鉆進施工，通常采用中低轉速、輕壓力、中泵量鉆進施工,實鉆中根據地層情況，鉆頭使用情況等適當調整鉆進參數，以維持所鉆地層與鉆進工具兩者的平衡，如：在213.73～625.09 m井段鉆遇產狀陡立，傾角近90°的灰?guī)r地層，采用中轉速、輕鉆壓、中泵量，838.82～1028.42 m井段鉆遇黑色中層狀泥質灰?guī)r，含泥質成分，質軟，鉆速提高，巖粉多，采用低轉速、輕鉆壓、中泵量。

(3)三開1500.69～1708.56 m，實鉆地層為炭質鈣質頁巖，泥晶灰?guī)r，含炭硅質巖，泥質灰?guī)r不等厚互層，屬典型的軟硬互層，巖層傾角較大，是極易產生鉆井傾斜的地層，施工中采用金剛石繩索取心鉆進，為控制井斜，采用低轉速、輕鉆壓、中泵量。

3.5 鉆井液配制和維護

本井采用無固相鉆井液或低固相鉆井液。

一開井段0～5.13 m的大井眼攜巖問題和井壁穩(wěn)定問題是上部地層鉆進的關鍵，采用清水鉆進，下套管護壁。

二開、三開5.13～1708.56 m主要是目的層泥頁巖遇水膨脹、防垮塌，同時考慮溢流和井噴等，采用基本配方及處理添加劑，基本配方：3.0%～4.0%膨潤土+0.1%～0.2%燒堿(0.1%～0.2%純堿)+0.1%～0.3%聚丙烯酰胺+1%～3%聚合醇防塌劑+0.1%～0.2%CMC鈉羧甲基纖維素，處理劑：抗鹽降粘濾失劑、稀釋劑、潤滑劑等。密度1.03～1.06 g/cm3；漏斗粘度18～25 s；泥餅厚<0.5 mm；含砂量<0.3%；pH值8～9；固相含量3%～5%。

每回次必須專人清理鉆井液，用鐵鏟或專業(yè)工具撈取沉淀槽、沉淀池中的泥沙。嚴格控制鉆井液中的有害固相，正常鉆進時1班清理巖粉2次，定期更換鉆井液。

4 實鉆施工效果及分析

4.1 鉆井效率

全井施工純鉆時間共1091.7 h，純鉆時間利用率39.5%；機械鉆速1.57 m/h，臺月效率445.7 m，全井平均鉆時38.34 min/m。

湘洞地1井鉆時曲線見圖2。依據不同井段的平均鉆時及井徑可將全井分為4個井段，分析鉆時曲線：鉆時隨井深呈增長趨勢；在同一井徑下，井深>1000 m后，鉆時較之前至少增長1倍，其中，第三井段1133.19～1500.69 m及第四井段1500.69～1708.56 m，鉆時曲線波動明顯，且幅度較大，表明該井段地層軟硬互層現象較為明顯。

圖2湘洞地1井鉆時曲線圖

4.2 巖心采取率

巖心采取率要求：全孔平均采取率≥85%，目的層平均采取率≥90%。湘洞地1井終孔孔深1708.56m,全孔取心1698.51m，全孔巖心采取率達99.41%，巖心采取率高于設計要求。共取巖心618回次，平均每個回次收獲巖心2.75 m。

湘洞地1井巖心致密，完整，質地較軟，采用金剛石繩索取心鉆進工藝，極大地提高了鉆進效率及巖心采取率，全孔采取率高達99.41%。

4.3 鉆井彎曲度

采用KXP- 2X型數字測斜儀共進行了17次井斜測量。設計井斜要求：井深在500 m內最大井斜≯2°，井深>500 m后，井斜≯5°，井深>1000 m后，井斜≯8°，測斜儀及測井測量數據均顯示實鉆過程中鉆井頂角得到了有效控制，最終施工鉆井彎曲度符合設計要求。鉆孔彎曲度測量記錄見表2。

結合測斜數據及位移投影曲線(圖3)分析：湘洞地1井自500 m井深井斜開始加劇，結合實際鉆遇地層情況，可知遇軟硬互層及陡傾角強造斜地層對鉆孔頂角影響較大，但通過適時調整鉆進參數(降低鉆壓，調節(jié)轉速)的措施成功地預防了產生較大孔斜，滿足質量要求。

4.4 井徑擴大率

二開裸井段中20～1500 m段井徑平均縮小率為1.1%，三開裸井段1520～1700 m井徑平均擴大率為5%，反映出二、三開裸井段井徑無明顯縮徑和擴徑現象。

結合實鉆地層分析：全井段以泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，巖心致密，完整，吸水性較差，故無明顯縮徑和擴徑現象，湘洞地1井井徑擴大率遠優(yōu)于優(yōu)質井的評價指標(非頁巖氣層井段平均井徑擴大率≯15%，頁巖氣層井段平均井徑擴大率≯10%)。

表2 鉆孔彎曲度測量記錄

圖3 湘洞地1井0～1700.00 m井斜位移各向投影圖(測井數據)

5 結語

中國地質科學院探礦工藝研究所通過前期充分論證鉆井施工組織設計，優(yōu)選施工方案，中期嚴控施工質量及安全管理，順利有效地完成了湘洞地1井的鉆井及配套的測、錄井、固井及完井工作。

(1)通過監(jiān)控調整泥漿性能參數，定期檢查卡簧、卡簧座及內管等措施，預防“單管”鉆進，取心途中未出現拔斷巖心、損傷巖心、丟心、脫心等現象，保證了獲取巖心的質量及采取率，湘洞地1井施工全孔巖心采取率達99.41%，優(yōu)于設計要求。

(2)湘洞地1井500 m以深鉆遇軟硬互層及陡傾角強造斜地層，鉆孔軌跡明顯出現了偏移現象，對鉆井頂角這一成井質量指標影響極大，但通過適時調整鉆進參數的措施，有效地控制了井斜，施工完井井斜滿足設計要求。

(3)在鉆探施工管理中，多采取加強事前控制的措施，極大減少了金剛石繩索取心鉆進施工中常見的鉆探事故，有效預防井內事故的發(fā)生，提高了施工臺月效率(臺月效率達445.7 m)，湘洞地1井在鉆探設備條件有限的情況下滿足了施工質量和安全生產的要求。

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