奎 中， 黃晟輝

(1.中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734)

1 概述

隨著世界能源消費的不斷攀升，包括頁巖氣在內(nèi)的非常規(guī)能源越來越受到重視。美國和加拿大等國已實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)性開發(fā)。我國頁巖氣資源潛力大，2011年，國務院批準頁巖氣為新的獨立礦種，為我國第172種礦產(chǎn)。可以預見，通過不斷探索和實踐，我國的頁巖氣定將迎來爆發(fā)式的增長。

2018年1月14日，中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所(以下簡稱探礦工藝研究所)承擔的中揚子地區(qū)古生界頁巖氣基礎地質(zhì)調(diào)查湘永地1井按地質(zhì)要求順利完成鉆探、錄井及測井工作，完鉆井深2224.69 m，完鉆口徑96 mm，全孔平均巖心采取率98.80%，最大井斜為4.3°，在孔底2201 m處，閉合位移為24.28 m，平均井徑擴大率為4.83%，各項技術(shù)指標均滿足地質(zhì)設計要求。

湘永地1井位于湖南省湘西州永順縣芙蓉鎮(zhèn)孔坪村，是部署在屬保靖-黃平?jīng)_撞帶涂乍-松柏復向斜的頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，鉆探目的是為了獲取寒武系敖溪組和牛蹄塘組巖心，評價寒武系黑色頁巖含氣性。該井所屬工程為“南方頁巖氣基礎地質(zhì)調(diào)查工程”，是中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心牽頭的二級項目的預算單列鉆井工程項目，屬“雪峰山地區(qū)1∶25萬頁巖氣基礎地質(zhì)調(diào)查”子項目的鉆探工程，由探礦工藝研究所組織實施。設計井深為1500 m，由于鉆達設計深度時未鉆遇目的層，根據(jù)專家組意見，并經(jīng)有關(guān)單位同意，湘永地1井加深700 m至2200 m。

該井2017年7月11日開鉆，一開采用?150 mm金剛石取心鉆進至井深10.86 m，下?146 mm套管至井深10.86 m，固井；二開采用?96 mm金剛石繩索取心鉆進至井深2224.69 m終孔。本井實際鉆遇地層自上而下依次為第四系-追屯組-比條組-車夫組-花橋組-敖溪組-清虛洞組-杷榔組(未穿)，鉆穿了目的層敖溪組，未鉆遇另一目的層牛蹄塘組，考慮到鉆探施工的安全性和設備能力而終孔。與預測地層相比，所揭示地層層序正常，厚度明顯增厚。2018年1月21日，探礦工藝研究所組織專家對該項目的人員配備、原始資料整理、目標任務、工作量及完成情況、委托業(yè)務實施情況、質(zhì)量體系運行和項目三級質(zhì)量檢查情況進行了室內(nèi)檢查，并對湘永地1井的巖心實物資料進行了野外實地檢查，項目野外驗收綜合評定為優(yōu)秀。巖心已交由武漢地質(zhì)調(diào)查中心保管。

湘永地1井是目前為止湖南頁巖氣調(diào)查井鉆探施工最深的井，施工中遇到的井漏、燒鉆、鉆桿折斷等孔內(nèi)事故均得到了很好的解決，形成了一套頁巖氣調(diào)查井深井施工鉆探工藝技術(shù)及孔內(nèi)事故處理技術(shù)體系。通過湘永地1井的鉆探及測錄井施工工作，收獲了巖心，建立了該地區(qū)寒武系地層序列，揭示出該地區(qū)各地層巖性組合特征，獲取地層厚度及有機化學、巖石礦物學、物性、含氣性等參數(shù)，為區(qū)域頁巖氣評價提供了基礎資料。通過湘永地1 井的施工組織，積累了頁巖氣調(diào)查井的施工經(jīng)驗，提高了探礦工藝研究所調(diào)查井施工管理水平，培養(yǎng)了頁巖氣鉆探技術(shù)人才，加強了探礦工藝研究所頁巖氣鉆探團隊建設，為今后頁巖氣調(diào)查井施工打下了堅實的基礎。湘永地1井鉆探施工現(xiàn)場見圖1。

圖1 湘永地1井鉆探施工現(xiàn)場

2 使用的主要鉆探設備器具

湘永地1井使用的主要鉆探設備器具見表1。

采用的錄井設備為SK-2000G型綜合錄井儀測井設備選用西安物勘電子科技有限公司生產(chǎn)的MTC6600型數(shù)控測井系統(tǒng)采集測井數(shù)據(jù)。

表1 湘永地1 井主要鉆探設備器具

3 巖心鉆探工藝技術(shù)

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆進方法

一開：0～10.86 m。?150 mm普通金剛石取心鉆進，穿過1.6 m表層粘土后見灰?guī)r，鉆至10.86 m時，由于表土與巖層界面鉆井液漏失嚴重，鉆進困難，下?146 mm套管，用水泥固定井口，封閉井口，防止掉塊、溢流。

二開：10.86～2224.69 m。待水泥凝固后用?130 mm普通金剛石取心鉆進鉆穿水泥塞至11 m，然后用?114 mm普通金剛石取心鉆進5.98 m深的引導孔。最后用?96 mm金剛石繩索取心鉆進至終孔井深2224.69 m。 井深523.38 m處安裝2SFZ18-35型雙閘板防噴器。因上部地層發(fā)生井漏，泥漿漏失，用?114 mm金剛石鉆頭擴孔至井深170 m，用?130 mm金剛石鉆頭擴孔至井深10.54 m，并下?110 mm套管至井深170 m起封隔漏失層的作用，下?127 mm套管至井深10.54 m起導向作用。

3.2 鉆具組合與鉆進參數(shù)

3.2.1 鉆具組合

根據(jù)區(qū)內(nèi)主要巖石的物理機械性質(zhì)，巖石研磨性在弱-中之間，本著保證質(zhì)量、降低成本、提高鉆探效率的綜合考慮，湘永地1井開孔采用?150 mm普通取心鉆進，二開采用?96 mm繩索取心鉆進一徑到底。

全井段主要鉆遇灰?guī)r地層，為保證鉆孔在鉆進過程中安全，不出事故，順利完成鉆孔的施工，選用無錫鉆探工具廠生產(chǎn)的S96繩索取心鉆具。繩索取心鉆具主要由繩索取心鉆具外管、繩索取心內(nèi)管總成兩部分組成。具有單動性、內(nèi)管到位報信功能、巖心堵塞報信功能，可以有效防止沖洗液沖刷巖心和避免機械力對巖心的破環(huán)作用，保證取心質(zhì)量。?96 mm繩索取心鉆具(生產(chǎn)廠商為無錫鉆探)參數(shù)為：鉆具外徑89 mm，配套鉆頭外徑96 mm，擴孔器外徑96.5 mm，內(nèi)管內(nèi)徑67 mm，取心直徑64 mm，鉆具長度4500 mm。

該井一開采用?150 mm普通金剛石取心鉆進，并用?114 mm普通金剛石取心鉆進作為二開鉆進的引導孔，二開采用?96 mm繩索取心鉆進，其取心鉆具組合如表2所示。

表2 取心鉆具組合

3.2.2 鉆進參數(shù)

鉆進參數(shù)的原則：在較軟地層鉆進，采用低轉(zhuǎn)速、小泵量和適當?shù)膲毫?；在堅硬的研磨性強的巖層鉆進，則采用大鉆壓、較高的轉(zhuǎn)速和泵量；在裂隙發(fā)育的破碎巖層和研磨性強的巖層鉆進，則采用小鉆壓、中低轉(zhuǎn)速和適當?shù)谋昧?。在深孔鉆進時，為保證孔內(nèi)安全，則要限制轉(zhuǎn)速和鉆壓。

在低固相泥漿鉆進條件下，為避免鉆桿內(nèi)結(jié)泥垢，應限制鉆具轉(zhuǎn)速和回次時間。鉆探開孔地層為寒武系上統(tǒng)比條組，自上而下依次鉆遇：寒武系上統(tǒng)比條組、中統(tǒng)車夫組、花橋組、熬溪組，下統(tǒng)清虛洞組、杷榔組(未鉆穿)。本井使用的鉆進參數(shù)如表3。

表3 鉆進方法及鉆進技術(shù)參數(shù)選擇

注：具體施工時，需根據(jù)孔內(nèi)情況及鉆機的額定轉(zhuǎn)速選用，鉆采頁巖時選用低鉆進參數(shù)。

3.3 鉆井液設計

3.3.1 鉆井液配置

鉆井液是鉆井工作的“血液”，使用不同類型的鉆井液是鉆井工作中克服漏失、垮塌、縮徑等復雜地層需要解決的主要技術(shù)問題。配制鉆井液的主要材料：膨潤土、纖維素、磺化瀝青、腐植酸鉀、聚丙烯酰胺等。

配制程序：鉆井液配制前，首先加純堿浸泡粘土，進行預水化處理，溶解度較差的纖維素事先按要求溶于水中；按照地層要求配制基漿，按比例加入鉆井液添加劑。

施工鉆進第四系粘土層及上部較松散地層(?150 mm口徑施工的孔段)，采用不分散低固相鉆井液的配方為：1 m3清水+4%～6%鈉土粉+0.1%～0.3%純堿+600 ppm聚丙烯酰胺+0.1%～0.2%CMC羧甲基纖維素，輔之以磺化瀝青護壁劑等，以防孔壁坍塌。配制后鉆井液性能指標控制在： 密度1.03～1.08 g/cm3；漏斗粘度22～24 s；失水量8～12 mL/30 min；pH值8～9。

進入完整基巖地層或破碎地層后，改用防塌性好，排粉能力強，流變性好的不分散低固相鉆井液，具有良好的剪切稀釋作用和選擇性絮凝作用。具體配方為：1 m3清水+6%納土粉+600 ppm聚丙烯酰胺+1%腐植酸鉀KHm+0.1%～0.2%CMC羧甲基纖維素，配制后鉆井液性能指標控制為： 密度1.03～1.07 g/cm3；漏斗粘度20～25 s；失水量9～12 mL/30 min；pH值8～9。

配備鉆井液測試儀一套，由小班副班長負責管理鉆井液，定期測試鉆井液成分，以便及時對鉆井液成分進行調(diào)整。為防止井噴發(fā)生，井場儲備高密度鉆井液材料，加重材料應選用重晶石(BaSO4)。

3.3.2 鉆井液固相控制及現(xiàn)場維護

控制鉆井液中的固相含量，鉆井液的循環(huán)系統(tǒng)不少于10 m，使鉆井液有充分的沉降距離；沉淀池的深度≮0.5 m，使鉆井液有充分的沉降深度；以清除鉆井液中大部分的固相顆粒。

每回次必須專人清理鉆井液，正常鉆進時1班清理巖粉1～2次。

鉆井液越用越濃，鉆屑絮凝不好或固相無法沉淀，粘度較大時，不能直接加清水稀釋，應加入低粘鉆井液或稀釋劑降粘。

鉆井液越來越稀，有時產(chǎn)生水土分離現(xiàn)象。一般是孔內(nèi)鉆井液柱壓力小于地層徑流壓力，地下水浸入并稀釋鉆井液。應加入高粘鉆井液或增粘劑增粘。

鉆進過程中，當?shù)貙幼兓淮髸r，一般每班應向泥漿池內(nèi)補充一定同樣性能的鉆井液。如果地層變化較大，要加大監(jiān)測鉆井液性能的頻率，發(fā)現(xiàn)鉆井液不能滿足鉆進時要及時調(diào)整。

4 鉆井事故處理

鉆探施工孔內(nèi)事故的處理，是保障鉆探施工工作順利完成的重要環(huán)節(jié)。在湘永地1井鉆井施工過程中，出現(xiàn)了井漏、燒鉆及鉆桿折斷等孔內(nèi)事故，這些孔內(nèi)事故均得到了妥善的處理，確保了鉆井工作的順利完成。

4.1 井漏事故的處理

一開?150 mm普通金剛石取心鉆進時，由于表土與巖層界面鉆井液漏失嚴重，鉆進困難，直接下?146 mm表層套管固井解決了漏失問題。

二開?96 mm繩索取心鉆進時，在30多米至160多米處發(fā)生井漏，調(diào)節(jié)鉆井液性能堵漏效果不理想，鉆至井深202.38 m處鉆井液全部漏失，無法鉆進，用水泥封孔堵漏后繼續(xù)鉆進。當鉆至井深523.38 m時，上部水泥封堵段水泥皮被破壞，鉆井液再次漏失，決定用?114 mm金剛石鉆頭擴孔至井深170 m，并下?110 mm套管至井深170 m進行封堵。為了減小?110 mm套管與?146 mm孔口套管之間的間隙，在孔口下入?127 mm套管10.54 m。

4.2 燒鉆事故的處理

湘永地1 井在井深1185.77 m處發(fā)生燒鉆事故。用200 kN力、300 kN力多次強拉，沒有效果。然后采用S71鉆桿先打撈S96內(nèi)管總成，因把內(nèi)管撈茅頭拉斷，只好用?75 mm的金剛石鉆頭磨銑內(nèi)管總成。由于內(nèi)管總成的單個零件能轉(zhuǎn)動、磨銑失敗。

在孔深1178 m處割斷鉆具、起鉆，用水泥封孔至1078 m。采用5LZ73×7.0-3型螺桿鉆具進行造斜繞障施工。2017年10月5日透孔至1140 m，采用上述螺桿鉆具帶復合片?89 mm無心鉆頭(圖2)造斜繞障，用時5 d，造斜繞障未成功。10月17日采用上述螺桿鉆具帶?89 mm平底鉆頭，在1170 m處開始造斜鉆進，施工過程中泵壓比較穩(wěn)定，進尺均勻，隨著偏斜進尺增加，泥漿槽內(nèi)的巖屑也逐漸增多，至10月22日側(cè)鉆繞障進尺7.62 m起鉆。

圖2 ?89 mm無心鉆頭和平底鉆頭照片

10月23日下?96 mm繩索取心鉆具鉆進，在1173.5 m處遇阻，輕壓慢轉(zhuǎn)掃至新孔底，鉆進1.6 m取心打撈，巖心呈完整狀態(tài)，說明側(cè)鉆繞障成功。分析認為：這次燒鉆事故主要是因鉆桿接頭處密封不嚴引起，故繼續(xù)鉆進2.5 m后，提鉆更換全部鉆桿接頭，10月26日起正常鉆進。處理湘永地1井燒鉆事故歷時46 d，終于處理成功。鉆進至1200 m時，用測斜儀測井斜，頂角是2.78°，表7是湘永地1井采用螺桿鉆具進行人工造斜繞障后，鉆進到1683 m時第一次測井測出的井斜數(shù)據(jù)。從表4可看出，最大井斜出現(xiàn)在1200 m處，正是側(cè)鉆繞障之處，頂角3.7°，符合設計要求的超過1000 m時井斜≯8°。

表4 湘永地1井1683 m孔深時測井的頂角數(shù)據(jù)

4.3 鉆桿折斷事故處理

湘永地1井施工過程中共出現(xiàn)3次鉆桿折斷事故，分別是2017年12月29日進尺2064.53 m時于1173 m處折斷，2018年1月4日進尺2212.42 m時于1180 m處折斷，2018年1月8日進尺2224.65 m時于1173 m處折斷。第1 次折斷是在鉆桿絲扣處，后2次折斷都是新鉆桿接頭絲扣位置。1170～1180 m正是湘永地1井處理燒鉆事故時側(cè)鉆繞障的井段，顯然，采用側(cè)鉆繞障處理燒鉆事故形成的“狗腿彎”是造成這幾次鉆桿折斷事故的主要原因。這3次折斷都是用公錐打撈斷在井底的繩索鉆桿，由于鉆桿折斷位置較深，打撈鉆桿時間長，勞動強度大，安全隱患高。

5 小口徑頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井鉆探施工技術(shù)探討

湘永地1井的鉆探目的是開展雪峰山地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖氣鉆探調(diào)查研究，查明牛蹄塘組富有機質(zhì)泥頁巖的垂向分布、厚度，獲取有機地化、巖石礦物學、儲集性能、保存條件、含氣性和巖石力學等關(guān)鍵參數(shù)，為優(yōu)選頁巖氣遠景區(qū)奠定基礎。屬小口徑頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，設計深度1500 m，終孔直徑≮76 mm，全井段取心，平均巖心采取率≥85%，目的層段平均巖心采取率≥90%。據(jù)了解，我國此類頁巖氣調(diào)查井的設計深度大多在1500～2000 m，超過2000 m的很少?，F(xiàn)結(jié)合湘永地1井鉆探施工技術(shù)，對小口徑頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井鉆探施工技術(shù)進行初步探討。

5.1 鉆機選型

從施工效率、成本等綜合考慮，一開井徑≤152.4 mm的小口徑頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，宜選用XY系列巖心鉆機。鉆機的選擇是根據(jù)最大鉆具重和遇卡允許上提載荷進行計算。依據(jù)鉆機負荷的選擇原則，同時考慮到鉆井加深的可能性，小口徑頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井鉆探施工優(yōu)先選用鉆進能力大于XY-8型鉆機的巖心鉆機。

XY-8型鉆機是一種大通徑(118 mm)深孔(1000～3000 m)巖心鉆機。湘永地1井鉆探施工使用的XY-8B型鉆機是在XY-8型鉆機上增加了轉(zhuǎn)盤,既可作為傳統(tǒng)的立軸鉆機使用,又可作為轉(zhuǎn)盤鉆機使用,實現(xiàn)一機多用。正是選用了XY-8B型鉆機，湘永地1井才得以完成設計鉆孔加深700 m的鉆探目標。

5.2 巖心鉆探工藝技術(shù)

對井深1500～2500 m的小口徑頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井取心鉆進，優(yōu)先選用繩索取心鉆探技術(shù)。繩索取心鉆探技術(shù)最初用于石油、天然氣鉆探。1947年美國長年公司(Longyear Co.)研究用于金剛石地質(zhì)巖心鉆探，到20世紀50年代形成系列，目前已成為世界范圍內(nèi)應用最廣的一種巖心鉆探方法。1972年，中國地質(zhì)礦產(chǎn)部開始研究繩索取心鉆探技術(shù)。金剛石巖心鉆探是鉆探技術(shù)的重大改革，而繩索取心又是金剛石鉆進工藝的重要發(fā)展，繩索取心鉆進是在回次終了，巖心裝滿巖心管時，不提升全套鉆具而是用帶鋼絲繩的打撈器從鉆桿中把取心管提出，待把巖心取出后又從鉆桿中把取心管投入孔底的鉆進方法。其操作特點是取巖心時不需要提出鉆孔內(nèi)的全部鉆桿柱，而用專用帶鋼絲繩的打撈器，通過孔內(nèi)鉆桿中心孔將裝有巖心的孔底內(nèi)管提至地面，獲得巖心，從而減少了提下鉆次數(shù)和升降鉆具的輔助時間，提高了鉆進效率。其特點是“三高、一低”，即鉆速高、金剛石鉆頭壽命長、時間利率高，工人勞動強度低。

此類調(diào)查井的取心鉆進一般是采用三開方式鉆進，備用四開鉆進。一開采用?150 mm普通取心鉆進，下?146 mm套管，固井，并安裝井口裝置；二開采用?122 mm繩索取心鉆進，下?108 mm套管，封隔中上部漏失垮塌地層；三開采用?96 mm繩索取心鉆進至終孔；并備用?76 mm繩索取心鉆進：若遇地層特別復雜或設計加深井深時，需要套管護壁時，下?89 mm套管換徑，采用?76 mm繩索取心鉆進至完鉆。湘永地1井的取心鉆進采用二開方式鉆進，備用三開鉆進。一開采用?150 mm普通取心鉆進，下?146 mm套管固井并安裝井口裝置；二開采用?96 mm繩索取心鉆頭取心至2224.69 m終孔。省去了?122 mm繩索取心鉆進這一道鉆進工序，實踐證明，這一鉆進工藝技術(shù)方法是可行的。

5.3 鉆井事故的預防與處理

鉆井事故要以預防為主，施工中要注意采取預防鉆井事故發(fā)生的措施，但往往防不勝防，所以還要有一些行之有效的事故處理方法。從實鉆結(jié)果來看，湘永地1井的地層結(jié)構(gòu)不算特別復雜，鉆探施工中主要遇到了井漏、燒鉆及鉆桿折斷事故。這次井漏事故主要是由于地層孔隙發(fā)育引起，燒鉆事故主要是沒有及時更換密封不良的鉆桿接頭引起，鉆桿折斷事故主要是由側(cè)鉆繞障處理燒鉆事故時形成的“狗腿彎”引起。

探礦工藝研究所長期進行鉆探技術(shù)研究，堵漏方法很多，對于微裂縫漏失、裂縫漏失，大多采取隨鉆堵漏、惰性材料、水泥漿等堵漏方式，對于大裂縫漏失，需要采用綜合堵漏技術(shù)進行堵漏。一般采用“三步曲”堵漏措施，第一步采用復合凝膠(FHD-1)進行堵漏，該方法是將不同粒徑級配的堵漏材料、智能凝膠有機組合，形成一種新型“方便面”式堵漏材料，堵漏時間短，見效快、操作方便；第二步采用膠質(zhì)泥漿+水泥漿復合堵漏，膠質(zhì)泥漿超前封堵大裂隙，水泥漿置后的一種復合型堵漏，它是復合凝膠堵漏技術(shù)的一種互補，在破碎漏失地層可以起到護壁作用；第三步采用攔截式堵漏工具堵漏，該方法是將灌滿水泥漿的攔截袋用鉆桿送到大漏點位置，堵住大裂縫。對于大溶洞漏失，上述方法無效時，只能考慮頂漏鉆穿漏失層后下套管更穩(wěn)妥。湘永地1井最終采取擴孔鉆穿漏失層后下活動套管封隔漏失層的方法完成堵漏。

探礦工藝研究所在“汶川地震斷裂帶科學鉆探工程”、“高原生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)綜合鉆探技術(shù)應用示范(四川省若爾蓋碳硅泥巖型鈾礦地質(zhì)調(diào)查”等工程項目中，多次應用側(cè)鉆繞障技術(shù)成功的繞過井內(nèi)各種事故鉆具。這次湘永地1井處理燒鉆事故，用過去常用的拉、掃、撈、錐等方法處理均未成功，采用了螺桿鉆具側(cè)鉆繞障的方法才得以完成，積累了處理繩索取心鉆進燒鉆事故的寶貴經(jīng)驗。

(1)處理燒鉆事故時，通常需反出孔內(nèi)的全部鉆桿，此次處理燒鉆事故時使用水力割管器，減少了使用反絲鉆桿起繩索鉆桿的次數(shù)，節(jié)約處理事故的時間和成本。

(2)采用螺桿鉆具進行人工造斜不宜用無心鉆頭，應配用平底鉆頭。

6 結(jié)語

通過湘永地1井的鉆探施工，有以下體會：

(1)在地層條件允許的情況下，鉆井結(jié)構(gòu)越簡單越好，可有效提高鉆探施工效率，節(jié)約施工成本；

(2)鉆探施工不可預見的因素較多，選用鉆探設備的能力要留有足夠的余地；

(3)在超過1500 m深的鉆探施工中，在上部200 m以淺發(fā)生井漏，直接用套管封隔漏失層，是一種簡單有效的方法；

(4)使用水力割管器及螺桿鉆具進行側(cè)鉆繞障，是一種處理1000 m以深燒鉆事故的有效方法。