劉文武, 趙志濤, 翁 煒, 朱迪斯, 單文軍, 賀云超

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

1 地質概況

皖南地1井是部署在安徽省南陵縣煙墩鎮(zhèn)的一口頁巖氣基礎地質調(diào)查井，目的層為五峰-高家邊組，兼探牯牛潭組-侖山組，設計井深1500 m。鉆探的目的是查明安徽皖江地區(qū)地層層序，獲取五峰-高家邊組頁巖厚度、有機地球化學、儲集性能及含氣性等頁巖氣評價參數(shù)，摸清五峰-高家邊組在皖江地區(qū)的發(fā)育情況，為評價皖南地區(qū)五峰-高家邊組頁巖氣資源潛力提供資料支撐，同時兼顧奧陶系灰?guī)r常規(guī)儲層含氣性調(diào)查。

1.1 地形地貌

工區(qū)位于皖南山區(qū)與沿江平原的過渡地帶，地貌類型較復雜，呈平原、低山、丘陵和山間盆谷區(qū)的地貌組合。北部和東北部屬于長江下游平原，海拔高度在6～60 m；其余大部分地區(qū)地貌以低山、丘陵和山間盆谷區(qū)為主，海拔高度在80～600 m，且工區(qū)西部海拔整體低于東部，表現(xiàn)為南高北低、東高西低的地勢。

1.2 地層預測

鉆井位置區(qū)域預測地層見表1。

1.3 油氣水層位置預測

淺水層預測在300 m以淺。

油氣層依據(jù)區(qū)域地質資料，即皖南地1井頁巖目的層段見表2。

1.4 地層壓力預測

根據(jù)南陵1井資料和本井鉆遇地層預測，902～1500 m可能存在高壓。鉆遇高家邊組泥頁巖地層及奧陶系灰?guī)r地層，鉆進中需注意防塌、防漏。目的層段應注意防噴、防火、防硫化氫，要儲備一定的重泥漿備用。

2 鉆井質量指標及技術要求

皖南地1井涉及鉆探工程施工與測試，技術要求按照國土資源部、中國地質調(diào)查局的相關技術規(guī)范、規(guī)程、標準和井位論證方案執(zhí)行。采用直井多開次鉆探方法，要求井深≮1500 m，同步開展錄井、測井、固井等配套工作。

表1 皖南地1井地質分層數(shù)據(jù)

表2 皖南地1井預計高家邊組-侖山組主要目標層段

(1)井身質量參照《鉆井井身質量控制規(guī)范》(SY/T 5088-2008)標準。

(2)井口允許移動范圍50 m。

(3)全井段井斜≯8°，全井全角變化率控制在3°/30 m。

(4)井底水平位移≯80 m。

(5)全井井徑擴大率≯25%。

3 鉆井工藝技術

3.1 鉆探設備、機具配置

鉆探主要設備根據(jù)施工的鉆井目的、施工的環(huán)境條件、鉆探方法、鉆井深度、終孔直徑等綜合因素確定[1-2]。

鉆探主要設備配置見表3。鉆探施工現(xiàn)場如圖1所示。

表3 鉆探設備配置

圖1 皖南地1井鉆探施工現(xiàn)場

3.2 井身結構設計及優(yōu)化

3.2.1 井身結構設計[3]

根據(jù)地層特點、鉆孔深度及終孔直徑，鉆孔設計結構如表4所示。

3.2.2 井身結構優(yōu)化

3.2.2.1 優(yōu)化依據(jù)

表4 皖南地1井鉆孔結構設計

注：二開以?98 mm繩索取心鉆進，視工況決定是否一徑到底。如需三開，則擴孔至?122 mm，?114 mm繩索取心鉆桿作為技術套管。

在二開鉆進過程中，采用?98 mm繩索取心鉆進，因在井深1223.34～1226.34 m處發(fā)現(xiàn)2.8 m高的溶洞，失返，嚴重井漏，經(jīng)論證下套管封隔，因此二開鉆深1230.84 m，將二開使用的?91 mm繩索取心鉆桿作為活動套管封隔溶洞，下深1230 m，接著用?77 mm金剛石取心鉆頭+?73 mm繩索取心鉆具總成+?73 mm繩索取心鉆桿鉆至終孔。

3.2.2.2 優(yōu)化后實際井身結構

?165 mm鉆頭鉆至233.49 m，下?146 mm套管，水泥固井，井口安裝防噴器。為了保證級配，?131 mm鉆頭鉆至246.50 m，下?127 mm活動套管246.50 m。?98 mm鉆頭鉆至1230.84 m，因遇到溶洞，直接將?91mm繩索取心鉆桿作為活動套管，封隔溶洞，下至1230 m。?77 mm鉆頭鉆至終孔井深1506.91 m。實際井身結構見圖2。

圖2 實際井身結構

3.3 鉆進工藝

皖南地1井除開孔及擴孔段外，一開、二開、三開口徑均采用繩索取心鉆進工藝[4-5]。利用繩索打撈器撈取巖心管取心鉆進技術具有多方面的優(yōu)點，其中最突出的優(yōu)點就是工程質量高，地質效果好，提高鉆進效率。

3.4 鉆頭設計

皖南地1井鉆遇地層主要巖性為灰?guī)r、泥巖、粉砂質泥頁巖、泥質粉砂巖、灰質粉砂巖，巖石可鉆性級別以4級為主。巖石硬度較軟，研磨性較弱，選用中等硬度細顆粒孕鑲金剛石鉆頭。繩索取心鉆頭的水口適當加寬，方便排渣，降低泵壓，鉆頭內(nèi)徑加大金剛石濃度，防止鉆頭內(nèi)徑磨損過快。根據(jù)巖石可鉆級別，以胎體硬度HRC30～40，唇面形式為同心尖齒、同心階梯齒鉆頭為主。

3.5 鉆進參數(shù)

XY-8型鉆機是一款成熟的立軸鉆機，其轉速為Ⅰ擋：0～300 r/min，Ⅱ擋：0～1100 r/min。鉆壓略大于鉆桿二次彎曲臨界鉆壓，對防止鉆孔偏斜有利[6]。鉆進參數(shù)見表5。

表5 鉆進參數(shù)

3.6 鉆井液及護壁[7-8]

3.6.1 鉆井液性能

皖南地1井鉆井液性能主要從以下幾個方面進行控制。

(1)泥漿潤滑性能。繩索取心鉆進工藝主要是靠高轉速研磨破碎，在鉆具高轉速下泥漿的潤滑性能對鉆具的保護尤為重要，尤其是深孔鉆進。

(2)泥漿攜帶巖屑的能力。深孔鉆進過程中巖粉及巖屑若不能及時排出，就會造成巖屑重復破碎，影響鉆進效率，同時巖粉過多會造成打撈巖心時(停泵)泥漿反壓，造成內(nèi)管遇卡情況的出現(xiàn)。

(3)泥漿的護壁性能。泥頁巖及破碎地層要控制好泥漿失水量及泥餅質量，減少泥漿中水的滲透，降低巖層吸水膨脹及垮塌的風險，長井段的裸眼需要穩(wěn)定的井壁，保證取心鉆進順利進行。

3.6.2 鉆井液配方

3.6.2.1 一開鉆井液

要求配制快捷，凈化能力好，能支撐上部第四系粘土層及高家邊組上部較松散地層，采用不分散低固相化學鉆井液。配方：清水1 m3+4%～6%鈉土粉+0.1%～0.3%純堿+600 ppm聚丙烯酰胺+0.1%～0.2%CMC鈉羧甲基纖維素，輔之以磺化瀝青護壁劑等。性能指標：密度1.03～1.07 g/cm3、漏斗粘度22～24 s、失水量8～12 mL/30 min、pH值8～9。

3.6.2.2二開鉆井液

針對水敏性的泥頁巖、泥質含量高的砂巖且大傾角地層，改用防塌性好，排粉能力強，流變性好、抑制性強的低固相防塌聚合物鉆井液體系。配方：1 m3水+1.0～2.0 kg純堿+30～50 kg膨潤土+5～10 kg降失水劑(GPNH)+5～10 kg增粘劑(GTQ)+1～3 kg包被劑+10～20 kg隨鉆堵漏劑(GPC)+20～50 kg封堵劑+5～20 kg極壓潤滑劑(GLUB)。性能指標： 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。

3.6.2.3三開鉆井液

頂漏鉆進灰?guī)r、白云巖地層，采用普通化學泥漿，輔以鋸末、麻繩等堵漏材料，保證潤滑降溫，且減少漏失污染。性能指標：密度1.02～1.07 g/cm3、粘度20～25 s。

4 復雜問題的處理

4.1 溶洞處理

皖南地1井在井深1223.34～1226.34 m處發(fā)現(xiàn)2.8 m高的溶洞，上部0.3 m直接失鉆壓，下部2.2 m有填充物，巖心缺失，自然漏失，進行溶洞堵漏，共進行7次。

1次堵漏：3編織袋鋸末配漿，加纖維素、聚丙烯酰胺、植物膠；鉆桿內(nèi)泵入井底，165 L/min，無效。

2次堵漏：5編織袋鋸末，經(jīng)篩選長度3～6 cm，配漿，加纖維素、聚丙烯酰胺、植物膠；鉆桿內(nèi)泵入井底，165 L/min，無效。

3次堵漏：5編織袋鋸末，且加入4～6 cm的稻草、麻繩和棉絮，配漿，加纖維素、聚丙烯酰胺、植物膠；鉆桿內(nèi)泵入井底，165 L/min，無效。

4次堵漏：海帶10 kg，黃豆25 kg、混合鋸末，拌漿；分3次堵漏，無效。

5次堵漏：篩選大顆粒鉆渣50 L配漿堵漏，無效；混合70 L鉆渣堵漏，無效；靜置一段時間后，發(fā)現(xiàn)返漿，沖掃孔至井底井漏。

6次堵漏：一次加入12編織袋鋸末，堵漏無效。

7次堵漏：堵漏網(wǎng)，500 kg堵漏王，主要為玻璃纖維絲、膨脹劑、堵漏劑等成分，無效。

鑒于堵漏一直無效，經(jīng)過專家論證，用?98 mm的鉆頭鉆至溶洞下面取出完整巖心，用現(xiàn)有?91 mm的鉆桿做套管下放到溶洞下面完整巖石的位置，?91 mm的鉆桿接頭避開溶洞的位置，下入孔內(nèi)的套管全部抹上鈉質黃油，S73 mm的繩索取心鉆具鉆進鉆至1500 m終孔。做好后期再遇溶洞的預案：如果在1223.54 m孔深下面還鉆遇溶洞，取出孔內(nèi)?89 mm的套管再用S89 mm的繩索鉆桿鉆至完整巖石再下?89 mm的套管，還是用S73的繩索鉆具鉆至1500 m。

4.2 孔斜控制

孔斜預防和控制是影響鉆井質量和鉆探效率的主要工藝技術因素之一[9-12]。本井采用SDYQ-48型無線隨鉆測斜儀，鉆進過程中為減少提鉆時間，在鉆桿內(nèi)測斜，主要記錄頂角、方位角。在330～360和620～640 m由于地層傾角較大，通過扶正器及降低鉆壓在8～12 kN，保證了鉆孔的孔斜度。全孔最大孔斜度6.17°，符合設計要求。

5 鉆井周期及鉆效分析

5.1 鉆井周期

2017年9月30日開鉆，2018年1月31日完鉆，共計124 d，且在施工中實際鉆進遇見2.8 m溶洞，處理時間24 d。

5.2 鉆進效率

皖南地1井鉆井工期為124 d，平均機械鉆速2.26 m/h，臺月效率364.57 m，平均鉆時26.60 min/m，不計溶洞處理24 d，鉆機臺月效率452.07 m。詳見表6。

表6 鉆進效率統(tǒng)計

5.3 效率分析

全井生產(chǎn)時間占87.88%，其中純鉆進時間22.36%，全井非生產(chǎn)時間12.12%。與同口徑、深度的地質孔相比，皖南地1井施工周期略長。主要原因是在鉆進過程中出現(xiàn)溶洞，護壁堵漏及堵漏無效后變更設計等待鉆桿鉆具時間較長，延誤了一部分工期。同時鉆機的維修時間略長，占據(jù)11.23%。

6 結語

皖南地1井于2017年9月29日通過開鉆驗收，采用繩索取心工藝鉆進，同步開展錄井，2018年1月31日23:53順利完鉆，完鉆深度1506.91 m，完鉆層位奧陶系紅花園組。該工程實現(xiàn)了鉆探的目的，梳理了安徽皖南地區(qū)地層層序，特別摸清了五峰-高家邊組發(fā)育情況；在高家邊組發(fā)現(xiàn)2層氣測異常井段：886.60～900.00 m井段和965.40～971.00 m井段。項目的順利實施為頁巖氣優(yōu)質儲層的理論推測提供了有力的實物數(shù)據(jù)支撐和驗證。同時今后項目施工中應在不超鉆機額定最高轉速的情況下，提高轉速，發(fā)揮繩索取心工藝孕鑲金剛石鉆頭高轉速碎巖的特點，鉆效會進一步得到提高。針對性的技術措施須與嚴格的組織管理措施結合，方能更好地實現(xiàn)優(yōu)質高效。