韓 毅，張紹和*，王文彬，曹 函，劉 飚，肖金成，4

（1.有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙 410083；3.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長沙 410014；4.湖南省地質(zhì)新能源勘探開發(fā)中心，湖南長沙 410014）

湖南省頁巖氣資源潛力巨大，目前具有開發(fā)潛力的頁巖氣層主要是位于湘西北地區(qū)的下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組。作為頁巖氣重點勘探區(qū)，在該區(qū)域已部署了幾十口頁巖氣調(diào)查井［1］。為開展湘西北雪峰山非常規(guī)油氣資源評價，在雪峰山開展了先導孔鉆探實驗。但該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，在頁巖氣勘探過程中常鉆遇松散破碎、裂隙發(fā)育地層、軟硬互層等復雜地層，極易出現(xiàn)漏失、卡鉆、埋鉆、巖心掉落等孔內(nèi)復雜情況，嚴重影響了鉆進效率，阻礙了該地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)的進度［2-5］。

本文總結(jié)了雪峰山先導孔的鉆井施工技術(shù)，并闡述分析了鉆探施工中主要遇到的問題及解決措施。以期為同類型頁巖氣調(diào)查井的鉆井施工提供參考。

1 概況

1.1 項目概況

“雪峰山先導孔鉆探工程”項目隸屬中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所“欽杭結(jié)合帶及鄰區(qū)深部地質(zhì)調(diào)查”二級項目。該項目由中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所承擔，湖南省煤炭地質(zhì)勘查院負責鉆探施工。該井為頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，位于湖南省懷化市麻陽苗族自治縣隆家堡鄉(xiāng)步云坪村十組，目的層為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組。該井設(shè)計井深2400 m，完鉆井深2403.91 m，達到地質(zhì)勘探目的，巖心采取率96.5%。測井數(shù)據(jù)顯示，井眼規(guī)則，井身質(zhì)量合格，固井質(zhì)量合格。

1.2 地質(zhì)概況

雪峰山先導孔鉆遇14 套地層，自上而下依次為：第四系；白堊系下統(tǒng)神皇山組、東井組、石門組；寒武系芙蓉統(tǒng)車夫組，上統(tǒng)熬溪組，中統(tǒng)清虛洞組，中下統(tǒng)牛蹄塘組；震旦系上統(tǒng)留茶坡組，下統(tǒng)金家洞組；南華系上統(tǒng)南沱組，中統(tǒng)大塘坡組、古城組，下統(tǒng)富祿組。

鉆遇地層主要為灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、粉砂巖、細砂巖、薄層狀泥巖、石煤層，泥質(zhì)頁巖，巖石級別為Ⅴ級，巖石研磨性較強，屬稍硬－中硬地層。

2 鉆井工程技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計應根據(jù)鉆井質(zhì)量指標和技術(shù)要求，以滿足頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查的研究目的，不僅要考慮到事故預防和處理的合理安排，還要考慮到后續(xù)錄井的有效開展。同時，由于地層壓力剖面資料缺乏，難以把握“必封點”的準確位置。因此，在實際鉆進施工中，應基于井內(nèi)實時情況，及時優(yōu)化調(diào)整井身結(jié)構(gòu)［6］。雪峰山先導孔實際井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雪峰山先導孔井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of Xuefengshan pilot hole

2.2 鉆井工藝

2.2.1一開

由于地表疏松，為防止井口塌陷，保證井眼打直，在剛開鉆時，先用單泵開鉆，排量30～50 L/s，轉(zhuǎn)速75 r/min，鉆壓2～5 kN，鉆壓自重緩慢吊打，然后開雙泵加大排量，鉆進至一開井深9.1 m。鉆進過程中及時跟蹤測斜，防止井斜超標給二開鉆進增加難度。使用?173 mm 鉆頭鉆進，鉆井液密度為1.02～1.03 g/cm3，馬氏漏斗粘度27～28 s，下入?168 mm表層套管9.05 m。

2.2.2二開

同樣先用單泵開鉆，排量30～50 L/s，轉(zhuǎn)速75 r/min，鉆壓2～5 kN，鉆壓自重緩慢吊打，然后開雙泵加大排量，鉆進至二開井深11.4 m。鉆進過程中及時跟蹤測斜，防止井斜超標給三開鉆進增加難度。使用?150 mm 鉆頭鉆進，鉆井液密度為1.02～1.03 g/cm3，馬氏漏斗粘度27～28 s，下入?146 mm套管11.35 m。

2.2.3三開

使用?122 mm 鉆頭鉆進，鉆井液密度1.00～1.05 g/cm3，馬氏漏斗粘度27～28 s，下入?110 mm技術(shù)套管90.60 m。鉆遇地層主要為砂巖，地層易井漏。在做好防塌、防漏、防卡、防斜的技術(shù)準備基礎(chǔ)上，全壓鉆進，提高鉆進速度，保證井壁穩(wěn)定，起下鉆暢通。

為保證井身質(zhì)量和井下安全，制定了以下技術(shù)措施：

（1）上部井段要嚴格控制井斜，使用轉(zhuǎn)速75～150 r/min、鉆壓5～10 kN 鉆水泥塞及附件，待鉆頭出套管后鉆壓控制在10 kN 左右，以吊打為主，確保三開開孔要直；鉆進50 m 后逐漸將鉆壓加至正常鉆壓。

（2）三開快速鉆進階段要做到早開泵晚停泵，每打完方鉆桿加接單根前堅持劃眼循環(huán)2～3 min，接單根速度要盡量控制在3 min 以內(nèi)，以防止沉砂卡鉆。

2.2.4四開

使用?98 mm 鉆頭鉆進，鉆井液密度1.02～1.16 g/cm3，馬氏漏斗粘度27～29 s。

為保證井身質(zhì)量和井下安全，制定了以下技術(shù)措施：

（1）每鉆進100～200 m 短程起下鉆一次，保持井眼暢通和井下安全。

（2）加強井眼軌跡跟蹤監(jiān)測工作，及時測量、分析井斜及方位變化情況，以便采取有效措施。

（3）鉆壓15～30 kN，轉(zhuǎn)速150～490 r/min，排量42～91 L/min。

（4）打開氣層后，注意做好井控和H2S 監(jiān)測工作，若發(fā)現(xiàn)鉆井液中H2S 含量偏高，應及時啟動H2S應急預案，嚴格按H2S 應急預案組織施工，并立即報告項目組和上級部門。

2.2.5各開次主要鉆具組合

各開次鉆具組合見表1。

表1 雪峰山先導孔各開次鉆具組合Table 1 Drilling stem for each drilling section

3 鉆遇復雜地層及鉆進難點

3.1 裂隙發(fā)育地層

本井地層中構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，有大量不規(guī)則裂隙，寬度一般為1～20 mm，局部裂隙較寬，密度一般為2～6 條/m，局部可達50～60 條/m。在構(gòu)造裂隙地層中鉆進，鉆井液漏失和涌水問題是主要技術(shù)難題。且這類地層巖石破碎，鉆井液對孔壁的沖刷或漏失容易引發(fā)塌孔、埋鉆、燒鉆等事故［7］。在井深43.9～180.65 m 段時漏水嚴重，消耗量為8.05 m3/h，地層為白堊系下統(tǒng)神皇山組，巖性為角礫巖。在井深2399.4～2403.91 m 段井內(nèi)出現(xiàn)小量涌水現(xiàn)象，地層為南華系下統(tǒng)富祿組，巖性為變質(zhì)細砂巖，裂隙發(fā)育。

3.2 松散、破碎地層

本井共鉆遇4 處破碎帶，所取巖心較為破碎（如圖2 所示）。在巖性較硬的破碎帶鉆進時，鉆頭工作條件惡劣，磨損較大，提鉆間隔短，鉆進效率低。且由于普通繩索取心鉆具缺乏護心機構(gòu)，在鉆進過程中巖心易受到機械碰撞和鉆井液沖蝕，極易破碎，繼而磨心、堵心，而在提鉆過程中巖心容易脫落，導致巖心采取率低甚至鉆孔報廢［8-10］。

圖2 破碎帶巖心Fig.2 Cores from the broken zone

3.3 水敏性地層

在井深1020 m 處鉆遇牛蹄塘組，牛蹄塘組高碳質(zhì)泥頁巖發(fā)育，巖心軟弱、破碎，為典型的水敏性地層，井壁穩(wěn)定性問題成為主要矛盾而凸顯出來［11-12］。在這類地層鉆進時容易遇到縮徑、超徑、掉塊、卡鉆等復雜情況，地層受鉆井液侵入而致使井壁膨脹、軟化、剝落。由于粘土造漿作用易使鉆井液粘度上升，常用清水稀釋，導致井壁更不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)井塌、埋鉆致使鉆孔報廢的情況。此外，水化膨脹地層巖心遇水后容易膨脹，與內(nèi)管摩阻力增大而產(chǎn)生堵心，巖心采取率和質(zhì)量受到影響。

實際鉆進過程中，巖心軟弱、破碎，鉆井液密度偏低，在1.02～1.04 g/cm3之間，且泥頁巖造漿嚴重，鉆井液粘度上升，致使底部沉渣過多，導致了卡鉆事故。

4 鉆探技術(shù)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化鉆具選擇

針對普通繩索取心鉆具在上述復雜地層中鉆進時遇到的鉆頭磨損快、鉆進效率低、巖心易脫落、巖心采取率低等問題，提出采用不提鉆更換內(nèi)鉆頭攔簧護心繩索取心鉆具，現(xiàn)場應用表明，該鉆具能夠完成在松散、軟弱、破碎等復雜地層的鉆探工作，巖心采取率達95%以上，取心質(zhì)量也得到明顯提高。

4.1.1鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理

新型鉆具的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，該鉆具在普通繩索取心鉆具基礎(chǔ)上增加了第三層巖心容納管，在第三層巖心容納管上端加設(shè)了單動軸，使巖心管不回轉(zhuǎn)，可以達到減摩、防堵塞、退心方便的目的。此外，該鉆具采用卡簧卡取巖心，并設(shè)有攔簧護心機構(gòu)，即在第三層巖心容納管的外部設(shè)置了攔簧，攔簧與內(nèi)管下部的攔簧圈連接，提鉆時，攔簧簧爪會向下并收攏托住巖心，可以防止破碎巖心脫落。內(nèi)鉆頭與內(nèi)管下側(cè)通過絲扣連接，內(nèi)、外鉆頭通過花鍵連接。工作時，內(nèi)鉆頭超前有2 方面的作用：一是內(nèi)鉆頭的超前設(shè)置起到了隔水護心的作用，減輕巖心根部受到的沖刷，防止巖心進入鉆頭之前就被鉆井液沖蝕掉；二是內(nèi)管頭可超前鉆進破碎巖石，為外鉆頭創(chuàng)造更多的自由面，使外鉆頭鉆進時產(chǎn)生更多的體積破碎，提高外鉆頭的破巖效率，從而不僅延長了鉆頭的使用壽命，還提高了鉆進效率。內(nèi)鉆頭可隨內(nèi)管總成打撈至地表，更換鉆頭不需提大鉆，因此可以節(jié)省升降鉆具的輔助作業(yè)時間，從而提高鉆探施工效率。

圖3 不提鉆換內(nèi)鉆頭攔簧護心繩索取心鉆具Fig.3 Wire-line coring tool with the retrievable drill bit

4.1.2鉆具鉆進試驗

鉆遇松散、破碎地層時，將普通繩索取心鉆具更換為該新型繩索取心鉆具進行鉆進試驗。使用新型鉆具在此孔段鉆進了5 個回次，每個回次進尺2.5 m。試驗過程中，井內(nèi)沒有復雜情況出現(xiàn)，取心試驗數(shù)據(jù)見表2。由表2 看出，采用新型繩索取心鉆具的巖心采取率為95.5%，而原采用普通鉆具的巖心采取率僅有74%左右，遠未達到地質(zhì)找礦規(guī)范要求。圖4 為采取的巖心。新型繩索取心鉆具相比普通繩索取心鉆具采心效果提升明顯，且鉆進效率得到明顯提升。

表2 新型繩索取心鉆具試驗井段取心情況Table 2 Coring results of the new wire-line coring tool from the test hole section

圖4 新型繩索取心鉆具所取得巖心Fig.4 Core obtained by the new wire-line coring tool

4.2 鉆井液技術(shù)措施

對于構(gòu)造裂隙發(fā)育的漏失地層，由于井內(nèi)液柱壓力大于地層的漏失壓力，造成鉆井液漏失。因此，在施工中應采用高粘度、低密度鉆井液［13-14］?，F(xiàn)場施工采用了成本低廉的微泡沫鉆井液，加入了3%膨潤土、0.05%聚丙烯酰胺，0.5%纖維素以及1%泡沫劑。微泡沫鉆井液具有較強的剪切稀釋性，進入裂隙通道后流速下降，粘度迅速上升，有效減輕了漏失情況。此外，由于微泡沫鉆井液密度較小，可以減輕破碎巖心受到的沖蝕作用，有利于提高破碎巖心采取率。在本井漏失層段使用該微泡沫鉆井液后，漏失量明顯減小，消耗量由8.05 m3/h 減少到3.58m3/h。

在處理完牛蹄塘組泥頁巖地層卡鉆事故后，針對該地層軟弱、易膨脹垮塌等風險，改變了鉆井液配方，采用的配方為：膨潤土＋褐煤樹脂＋廣譜護壁劑Ⅲ型＋抗高溫抗鹽降失水劑＋石灰石粉［15-16］，提升鉆井液密度至1.05 g/cm3，但是效果不理想，于井深1050.63 m 處發(fā)生卡鉆事故。

處理卡鉆方法為用反絲鉆桿打撈事故鉆具，后用平底金剛石鉆頭＋導向鉆頭磨掉未反出的事故鉆具，同時改變鉆井液配方，加入水溶硅酸鈉（水玻璃），降低鉆井液粘度，提高鉆井液流動性及攜渣性，提升鉆井液密度至1.12～1.16 g/cm3。

正常鉆進后，沒有再出現(xiàn)埋鉆事故。

5 結(jié)語

（1）本文對頁巖氣調(diào)查井雪峰山先導孔鉆進過程中遇到的復雜地層進行了分類總結(jié)，并對在各類復雜地層鉆進取心可能遇到的問題進行了分析，提出了相應的解決方法，在現(xiàn)場應用過程中，效果良好。

（2）針對鉆井過程中遇到的鉆井效率低、巖心采取率低等問題，采用了不提鉆換內(nèi)鉆頭攔簧護心繩索取心鉆具，現(xiàn)場應用表明，該新型鉆具能有效提高鉆進效率及巖心采取率。

（3）針對鉆井過程中遇到的漏失地層以及水敏性地層，分別采用對應的鉆井液體系，減少了漏失地層的漏失量，同時有效解決了泥頁巖地層中的井壁坍塌及卡鉆問題。