余慎軍

湖北煤炭地質(zhì)局 湖北 武漢 430070

0引言

頁(yè)巖氣是賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖及其夾層中,以吸附及游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣,成分主要為甲烷,是一種清潔高效的新能源資源,正受到世界許多國(guó)家的重視。當(dāng)下,隨著礦業(yè)產(chǎn)業(yè)投資的減少,傳統(tǒng)礦產(chǎn)資源鉆探工作量銳減,頁(yè)巖氣資源調(diào)查井及參數(shù)井就成了鉆探市場(chǎng)的香餑餑。傳統(tǒng)地勘隊(duì)伍依據(jù)市場(chǎng)供求關(guān)系,均不同程度地進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)上的重新部署。而如何安全、經(jīng)濟(jì)、高效地完成頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查井鉆探施工,合格采取巖心,就是每個(gè)鉆探隊(duì)伍需要正視的問(wèn)題。[1]

本文對(duì)贛豐地1井鉆探施工過(guò)程尤其是對(duì)鉆孔內(nèi)復(fù)雜問(wèn)題的處理進(jìn)行了闡述,可以指導(dǎo)日后同類鉆孔的施工。

1 地質(zhì)概況

贛豐地1井是布置在江西省豐城市清江盆地北部斜坡曲江向斜的一口頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查井,目的層為二疊系上統(tǒng)樂(lè)平組、中統(tǒng)茅口組南港段,兼探小江邊組,設(shè)計(jì)孔深1500 m。鉆探目的是獲取二疊系上統(tǒng)樂(lè)平組、中統(tǒng)茅口組南港段地層頁(yè)巖厚度、有機(jī)地球化學(xué)、儲(chǔ)集性能及含氣性等頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)參數(shù),探討萍樂(lè)坳陷曲江向斜(清江盆地)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系(樂(lè)平組、小江邊組、茅口組南港段)的空間展布規(guī)律;,為該地區(qū)的頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)提供地質(zhì)依據(jù)。

1.1 地形地貌 工區(qū)位于鄱陽(yáng)湖盆地南端,以平原地貌為主。整個(gè)地勢(shì)由西南向東北逐漸傾斜,平原、低丘、崗地交錯(cuò),波狀起伏,南北高,中間低,呈馬鞍形。南部邊沿地勢(shì)高峻,海拔500 m 以上;中部平原地勢(shì)偏低,海拔約在21.5～27 m,最低點(diǎn)在東北邊緣的藥湖,海拔18 m;東南和西北部屬丘陵、崗阜區(qū),海拔在500 m 以下,東南部邊境系武夷山脈,屬低山丘陵區(qū)。

1.2 地層 鉆孔位置區(qū)域地層從上往下依次為：

第四系：厚20 m,土黃色泥土、第四系坡積物及礫石組成,含有少量植物根系,礫石成分主要為灰?guī)r。

大冶組：厚475 m,以泥質(zhì)灰?guī)r、泥晶灰?guī)r及泥質(zhì)條帶灰?guī)r為主,顏色為灰白色、淺灰色、灰色,主要為灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r、條紋狀灰?guī)r組成多以中-厚層狀出現(xiàn)。

長(zhǎng)興組：厚250 m,灰色含硅質(zhì)泥晶灰?guī)r,與下伏地層接觸界線明顯。

樂(lè)平組王潘里段：厚98 m,主要巖性為粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、煤層及少量粉砂巖,顏色深灰色、灰黑色到黑色。

樂(lè)平組獅子山里段：厚30 m,淺灰色、灰色、深灰色的粉砂巖、細(xì)砂巖。

樂(lè)平組上老山里段：厚54 m,深灰色、灰黑色含碳頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖,局部以粉砂巖與泥質(zhì)頁(yè)巖互層為主。

樂(lè)平組中老山段：厚98 m,深灰色、灰黑色泥質(zhì)頁(yè)巖、含碳頁(yè)巖,局部夾少量細(xì)砂巖。

樂(lè)平組下老山段：厚98 m,灰白色、深灰色、灰黑色泥質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、細(xì)砂巖、含碳頁(yè)巖以及少量薄煤線為主。

樂(lè)平組官山段：厚98 m,灰白色、深灰色、灰黑色中-粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及少量炭質(zhì)頁(yè)巖為主。

茅口組：厚259 m,上部76 m 燧石結(jié)核灰?guī)r、泥晶灰?guī)r,顏色以灰色-深灰色為主;中部135 m 含炭頁(yè)巖、硅質(zhì)灰?guī)r,顏色以灰黑色、灰色-深灰色為主;下部48 m 含炭泥晶灰?guī)r、炭質(zhì)頁(yè)巖為主。

1.3 油氣水層位預(yù)測(cè) 淺水層預(yù)測(cè)在200米以內(nèi)。

油氣層根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,為樂(lè)平組上老山段-茅坪組南港段頁(yè)巖層段。

1.4 地層壓力預(yù)測(cè) 依據(jù)本井鉆遇地層預(yù)測(cè),870-1350 m 可能存在高壓。鉆進(jìn)過(guò)程中需要注意防止塌孔、漏水,以及防噴、防火、防硫化氫,需要準(zhǔn)備一定的加重泥漿備用。

2 鉆孔質(zhì)量指標(biāo)及技術(shù)要求

贛豐1井涉及鉆探工程施工與測(cè)試,技術(shù)要求按照國(guó)土資源部、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的相關(guān)技術(shù)規(guī)范、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)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,同時(shí)開展固井、錄井、測(cè)井等配套工作。

(1)井身質(zhì)量參照《鉆井井身質(zhì)量控制規(guī)范》(SY/T 5088—2008)標(biāo)準(zhǔn);

(2)全井段井斜≤8°,全井傾角變化率控制在3°/30 m;

(3)井底水平位移≤80 m;

(4)全孔井徑擴(kuò)大率≤25%。

3 鉆井工藝技術(shù)

3.1 鉆探設(shè)備、機(jī)具配置 主要鉆探設(shè)備根據(jù)鉆井目的、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件、鉆探方法、鉆孔深度、終孔直徑等綜合因素確定。主要鉆探設(shè)備配置見(jiàn)表1。

表1 主要鉆探設(shè)備配置表

3.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及調(diào)整

3.2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(見(jiàn)表2)

3.2.2 井身結(jié)構(gòu)調(diào)整

3.2.2.1 調(diào)整依據(jù)：在二開鉆進(jìn)過(guò)程中,采用Φ122繩索取心鉆進(jìn),因?yàn)樵诰?60～974 m 井段持續(xù)垮塌,使用各種方法嘗試解決塌孔問(wèn)題,收效甚微。經(jīng)多方論證后,進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)調(diào)整,提前下入Φ114 mm 繩索鉆桿當(dāng)做套管至974.05 m,隔離垮塌層。接著換Φ89 mm 繩索鉆桿+Φ95 mm 繩索取心鉆探鉆進(jìn)至終孔。

表2 贛豐地1井鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表

注：二開以Φ122繩索取心鉆進(jìn),根據(jù)鉆孔施工實(shí)際情況決定是否一徑到底。如需三開,則直接以Φ114繩索鉆桿當(dāng)做技術(shù)套管。

3.2.2.2 調(diào)整后實(shí)際井身結(jié)構(gòu)：根據(jù)地層破碎完整情況,開孔Φ150 mm 實(shí)際鉆進(jìn)至83.88 m,下入Φ146 mm 套管,水泥固井,井口安裝防噴器。

Φ122 mm 鉆頭鉆進(jìn)至974 m 后,根據(jù)專家論證意見(jiàn),直接將Φ114 mm繩索取心鉆桿作套管,下部50 m 水泥固井,Φ95 mm 繩索鉆進(jìn)至終孔。

3.2.2.3 調(diào)整前后井身結(jié)構(gòu)對(duì)比：設(shè)計(jì)調(diào)整前后井身機(jī)構(gòu)見(jiàn)表3。

表3 井身結(jié)構(gòu)調(diào)整前后對(duì)比

3.3 鉆進(jìn)工藝：贛豐地1井除開孔外,二開、三開口徑均采用繩索取心鉆進(jìn)工藝。充分利用繩索取心工藝采取率高、工程質(zhì)量高、勞動(dòng)強(qiáng)度小的優(yōu)點(diǎn),進(jìn)而提高鉆進(jìn)效率。

3.4 鉆頭選擇：贛豐地1井鉆遇地層主要巖性為泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖、含碳頁(yè)巖等,巖石可鉆性級(jí)別以4 級(jí)為主。巖石硬度比較軟,研磨性比較弱,選用中等硬度細(xì)顆粒孕鑲金剛石鉆頭。繩索取心鉆頭的水口適當(dāng)加寬,方便排渣,降低泵壓,加大鉆頭內(nèi)徑金剛石濃度,防止鉆頭內(nèi)徑磨損過(guò)快。依據(jù)巖石可鉆性級(jí)別,以胎體硬度HRC30～45,唇面形式為同心尖齒、高低齒鉆頭為主。

3.5 鉆進(jìn)參數(shù)：XY-8B型鉆機(jī)是相當(dāng)成熟的巖心立軸鉆機(jī),其轉(zhuǎn)速為Ⅰ(反轉(zhuǎn))擋：0～215 r/min,Ⅱ(正轉(zhuǎn))擋：0～1011r/min。鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 贛豐地1井鉆進(jìn)參數(shù)

3.6 泥漿性能與參數(shù)選擇

3.6.1 泥漿性能：贛豐地1井泥漿性能主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行控制。

(1)攜帶巖屑的能力。深孔鉆進(jìn)施工過(guò)程中巖粉及巖屑若不能及時(shí)排出,就會(huì)造成巖屑重復(fù)破碎,影響鉆進(jìn)效率,同時(shí)巖粉過(guò)多會(huì)造成打撈巖心時(shí)(停泵)泥漿反壓,造成內(nèi)管遇卡情況的出現(xiàn)。

(2)護(hù)壁性能。泥頁(yè)巖等水敏性地層要控制好泥漿失水量,減少泥漿中水的滲透,降低巖層吸水膨脹及垮塌的風(fēng)險(xiǎn),長(zhǎng)井段的裸眼需要穩(wěn)定的井壁,保證取心鉆進(jìn)順利進(jìn)行。

(3)潤(rùn)滑性能。繩索取心鉆進(jìn)工藝主要是靠高轉(zhuǎn)速研磨破碎,在鉆具高轉(zhuǎn)速下泥漿的潤(rùn)滑性能對(duì)鉆具的保護(hù)尤為重要,尤其是深孔鉆進(jìn)。

3.6.2 泥漿配置：泥漿是鉆探工程的“血液”,什么地層尤其是各種復(fù)雜地層使用什么類型的泥漿? 是鉆井工作中需要正視解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。配制泥漿的主要材料：膨潤(rùn)土、純堿、聚丙烯酰胺、纖維素、磺化瀝青、腐植酸鉀、堵漏劑等。

配制程序：鉆井液配制前,首先加純堿浸泡粘土,進(jìn)行預(yù)水化處理,難溶于水的纖維素事先按比例溶于水中;按照具體地層相應(yīng)配制基漿,按比例加入相應(yīng)的泥漿添加劑。

3.6.2.1 一開泥漿：要求配制快捷,凈化能力好,能支撐上部第四系填層及大冶組、長(zhǎng)興組破碎裂隙灰?guī)r地層,不分散低固相化學(xué)鉆井液。配方：清水1 m3+5%鈉土粉+0.2%純堿+500～700pp m 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(hù)壁劑、太古油潤(rùn)滑劑等。性能指標(biāo)：密度1.03～1.07g/c m3、漏斗粘度21～25s、失水量8～12 mL/30 min、p H 值保持弱堿性8～9。

3.6.2.2 二開泥漿：針對(duì)水敏性的泥頁(yè)巖、泥質(zhì)含量高的砂巖、炭質(zhì)泥巖以及煤系地層,改用防塌性好,排粉能力強(qiáng),流變性好、抑制性強(qiáng)的低固相防塌聚合物鉆井液體系。配方：1 m3水+0.1%～0.2%kg純堿+3%～5%鈉土粉+0.5%～1%降失水劑(GPNH)+0.5%～1%增粘劑(GTQ)+0.1%～0.3%包被劑+1%～2%隨鉆堵漏劑(GPC)+2%～5%封堵劑+0.5%～2%極壓潤(rùn)滑劑(GLUB)。性能指標(biāo)：密度1.03～1.07g/c m3、漏斗粘度20～25s、失水量8～12 mL/30 min、p H 值保持弱堿性8～9。

3.6.2.3 三開泥漿：裸眼鉆進(jìn)茅口組灰?guī)r地層,采用普通化學(xué)泥漿,輔以鋸末、麻繩等堵漏材料,保證潤(rùn)滑降溫,且減少漏失污染。性能指標(biāo)：密度1.02～1.07g/c m3、粘度20～25s。

4 鉆井問(wèn)題處理

鉆探施工孔內(nèi)復(fù)雜問(wèn)題的合理處理,是保障鉆探工作順利完成的重要環(huán)節(jié)。贛豐地1井鉆探施工過(guò)程中,出現(xiàn)了井漏、垮孔等孔內(nèi)問(wèn)題,這些孔內(nèi)問(wèn)題部分得到了妥善的處理,有的處理不是特別理想,最終還是保證了鉆井工作比較順利地完成,但是鉆進(jìn)效率不是特別高,值得總結(jié)。

4.1 井漏的處理：一開Φ150 mm 普通金剛石取心鉆進(jìn)時(shí),由于第四系表土比較松散、上部巖層比較破碎導(dǎo)致泥漿漏失嚴(yán)重,鉆進(jìn)困難。采取調(diào)節(jié)泥漿粘度、加入堵漏劑等措施,鉆進(jìn)至62.6 m 后用水泥封孔堵漏后繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)至83.88 m 后,已經(jīng)鉆見(jiàn)12.5 m 完整的巖心,直接下Φ146 mm 表層套管固井解決了一開漏失問(wèn)題。

4.2 垮孔的處理：贛豐地1 井在井深960-974 m 處持續(xù)發(fā)生垮孔。

4.2.1 垮孔原因分析：該井段鉆遇的是樂(lè)平組中老山段泥質(zhì)頁(yè)巖、含炭質(zhì)頁(yè)巖地層,水敏性較強(qiáng),屬于易坍塌地層。泥漿過(guò)稠,導(dǎo)致打撈巖心內(nèi)管時(shí)產(chǎn)生抽吸壓力,先后拉斷絞車鋼絲繩9次,反復(fù)處理打撈內(nèi)管,其中7次打撈內(nèi)管不成功只能起大鉆,倒騰時(shí)間近1 個(gè)月,致使該孔段多次垮塌。

4.2.2 垮孔處理措施：經(jīng)過(guò)專家組的集體商定,用Φ114繩索鉆桿黨套管下至974.05 m,然后采用Φ95繩鉆裸孔鉆進(jìn)至終孔。另外派一名泥漿工程師駐現(xiàn)場(chǎng),指導(dǎo)泥漿調(diào)配直至終孔。974.05-1501.22 m,沒(méi)有發(fā)生孔內(nèi)事故,順利完成。

5 鉆探施工總結(jié)

5.1 鉆井施工時(shí)長(zhǎng)：2017年1月7日開鉆,2018年7月2日完鉆,共計(jì)177d,且在施工中春節(jié)放假15d,實(shí)際施工162d。960-974.05 m 持續(xù)垮孔處理時(shí)間29d。

5.2 鉆進(jìn)效率：贛豐地1井實(shí)際鉆探施工期為162d,平均機(jī)械鉆速2.09 m/h,臺(tái)月效率278 m,不計(jì)垮孔處理29d,鉆機(jī)臺(tái)月效率338.62 m。詳見(jiàn)表5。

表5 鉆進(jìn)效率統(tǒng)計(jì)

5.3 總結(jié)分析：全井盡管生產(chǎn)時(shí)間占92.75%,但是純鉆進(jìn)時(shí)間只占18.47%,非生產(chǎn)時(shí)間占7.25%。與同類型的地質(zhì)巖心鉆孔相比,贛豐地1井施工周期比較長(zhǎng)。主要原因是在鉆進(jìn)過(guò)程中泥漿使用不當(dāng)導(dǎo)致泥頁(yè)巖地層垮孔處理時(shí)間較長(zhǎng),設(shè)計(jì)變更、等待鉆具也延誤了部分工期。同時(shí)鉆機(jī)、水泵、絞車等設(shè)備的維修保養(yǎng)時(shí)間較長(zhǎng)。

6 結(jié)語(yǔ)

贛豐地1井于2017年1月7日通過(guò)開鉆驗(yàn)收,采用繩索取心工藝鉆進(jìn),2017年7月2日順利完鉆,完鉆深度1501.22 m,終孔層位茅口組茅口二段。該工程實(shí)現(xiàn)了鉆探的目的。同時(shí)也為今后同類型項(xiàng)目施工積累了經(jīng)驗(yàn),頁(yè)巖氣調(diào)查井地質(zhì)要求高,必須做到：

(1)配置齊全Φ122、Φ95 系列繩索取心鉆具,Φ75 規(guī)格鉆具作為復(fù)雜地層備用也應(yīng)時(shí)刻準(zhǔn)備;

(2)配置齊全熟練的機(jī)長(zhǎng)、班長(zhǎng),嚴(yán)格按照鉆探工程師、泥漿工程師的設(shè)計(jì)方案施工;

(3)只要地層許可,鉆孔設(shè)計(jì)盡可能簡(jiǎn)單,盡量發(fā)揮繩索取心工藝的優(yōu)點(diǎn),進(jìn)一步提高鉆效,快速鉆探成孔、獲得目的層樣品。

(4)針對(duì)既定的技術(shù)措施,應(yīng)制定嚴(yán)格的勞動(dòng)紀(jì)律、設(shè)備物資保障等組織管理措施與之相結(jié)合,更好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效。