閆 家，曹龍龍，胡 晨*，2，3，王穩(wěn)石，張恒春，王志剛，李鑫淼

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；3.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037）

0 引言

頁巖氣作為一種主要以吸附和游離狀態(tài)存在的非常規(guī)天然氣賦存與有機質(zhì)泥頁巖及其夾層中［1-2］。我國南方地區(qū)有機質(zhì)頁巖發(fā)育區(qū)域較大，頁巖油氣資源分布更加廣泛［3-5］。隨著油氣資源的大量消耗，頁巖油氣的開發(fā)與利用顯得尤為重要。21世紀(jì)初，我國的頁巖氣產(chǎn)業(yè)在重慶涪陵地區(qū)、四川長寧－威遠(yuǎn)等地區(qū)先后開發(fā)，近年來更是將頁巖油氣區(qū)塊勘探上升為一種戰(zhàn)略選區(qū)目標(biāo)［6-9］。

皖望地2井是中國地質(zhì)調(diào)查局部署在蘇皖贛地區(qū)頁巖油氣調(diào)查的鉆探工程，旨在通過鉆探手段獲取巖心實物、測錄井?dāng)?shù)據(jù)等，為整個下?lián)P子地區(qū)的頁巖油氣勘探開發(fā)提供地質(zhì)、地球物理和工程方面的地質(zhì)資料，并為后期頁巖氣鉆探工程提供必要的經(jīng)驗和借鑒。

1 地質(zhì)概況

皖望地2井位于安徽省望江縣長嶺鎮(zhèn)附近，在構(gòu)造上處于下?lián)P子陸塊沿江褶斷帶望江凹陷許嶺次凹斜坡帶。該井設(shè)計井深為1600 m，完鉆井深1632 m，目的層位為二疊系大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組，設(shè)計完鉆層位為二疊系棲霞組，實施全井取心，為探索下?lián)P子地區(qū)望江凹陷二疊系大隆組-孤峰組頁巖含氣性，了解地層構(gòu)造、巖性及巖相發(fā)育情況及變化規(guī)律提供地質(zhì)資料。同時，也是落實中國地質(zhì)調(diào)查局“優(yōu)先突破下游，創(chuàng)建頁巖氣新格局”戰(zhàn)略部署。

1.1 工區(qū)地形地貌

井位距望江縣城約20 km，工作區(qū)內(nèi)主要為丘陵，地表玉米、芝麻等農(nóng)作物覆蓋，距井位相距200 m處有武昌湖分支水塘可取水，工區(qū)內(nèi)無村莊，周邊鄉(xiāng)道互通，交通條件相對便利，位置如圖1所示。

圖1 工區(qū)地形地貌特征Fig.1 Topographic and geomorphic features at site

1.2 區(qū)域構(gòu)造及特征

工區(qū)構(gòu)造位于下?lián)P子陸塊的沿江褶斷帶望江凹陷許嶺次凹構(gòu)造單元中，許嶺次凹為中新生界斷陷區(qū)，保存上古較齊全盆地帶，長期凹陷生油區(qū)，古生界埋藏相對較淺，如圖2所示。

圖2 望江凹陷區(qū)域構(gòu)造Fig.2 Tectonic map of the Wangjiang depression area

1.3 鉆遇地層

皖望地2井設(shè)計井深1600.00 m，鉆遇地層依次為第四系（Q）、古近系望虎墩組（E1w）、白堊系上統(tǒng)赤山組（K2c）、三疊系中統(tǒng)南陵湖組（T2n）、三疊系下統(tǒng)和龍山組（T1h）（未穿）。完鉆井深1632.00 m，如表1所示。

表1 皖望地2井鉆遇地層Table 1 Lithology at Well Wanwangdi-2

2 鉆井質(zhì)量指標(biāo)及技術(shù)要求

皖望地2井工程的實施嚴(yán)格按照自然資源部、中國地質(zhì)調(diào)查局的相關(guān)技術(shù)規(guī)范、規(guī)程、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和井位論證方案執(zhí)行，并依據(jù)工程設(shè)計進行工程施工。采用直井多開次鉆探方法，要求井深≮1600 m，同步開展錄井、測井、固井等配套工作。

2.1 井身質(zhì)量要求

（1）井身質(zhì)量參照《鉆井井身質(zhì)量控制規(guī)范》（SY/T 5088—2017）；

（2）全井段井斜≯8°，全井全角變化率≯3°/30 m；

（3）平均井徑擴大率≤25%；

（4）終孔直徑≮76 mm。

2.2 取心要求

該井鉆穿表層松散層后至井底進行全井取心，整體巖心采取率≮85%，破碎地層巖心采取率≮70%。巖心出筒后，做好防護措施避免巖心因風(fēng)化而影響分析化驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并記錄巖心的巖性。鉆至目的層位后，取心時應(yīng)當(dāng)合理加快內(nèi)管提升速度，減少氣體損失。

2.3 測井及錄井技術(shù)要求

全井段錄井（第四系松散層除外），包括地質(zhì)錄井（巖心、熒光錄井）、綜合錄井（氣測錄井、工程錄井、鉆井液錄井），并開展H2S監(jiān)測等工作；導(dǎo)管鞋至井底進行標(biāo)準(zhǔn)測井，目的層段進行組合測井。測井及錄井技術(shù)嚴(yán)格按油氣井相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、工程設(shè)計執(zhí)行。

3 鉆井工藝技術(shù)

3.1 鉆井設(shè)備

獲取巖心是頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井工程的主要目標(biāo)之一，因此采用繩索取心鉆進工藝與器具［10-11］。依據(jù)設(shè)計井深和完鉆直徑要求，考慮設(shè)備處理復(fù)雜和事故的能力以及施工的經(jīng)濟性等，選擇XY-8B型鉆機、SGZ23型鉆塔、NBB-390/15型泥漿泵等鉆探設(shè)備。皖望地2井施工主要設(shè)備和儀器見表2。

表2 皖望地2井鉆井主要設(shè)備及儀器Table 2 Main drilling equipment and instruments used in Well Wanwangdi-2

3.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅要滿足任務(wù)目標(biāo)需求，也要綜合考慮井壁穩(wěn)定并滿足后續(xù)測錄井等工作需求。皖望地2井采用繩索取心鉆進工藝，井身采用三開次結(jié)構(gòu)，實際井身結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 井身結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Wellbore structure

3.3 鉆具組合

合理的鉆具組合有利于提高機械鉆速、控制井斜以及提高鉆頭壽命。皖望地2井基于繩索取心鉆進工藝各開次鉆具組合如表3所示。

表3 鉆具組合Table 3 Bottom hole assembly

3.4 繩索取心鉆頭選型及應(yīng)用

該井鉆遇地層主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，可鉆性以4～6級為主。

3.4.1 鉆頭選型設(shè)計

皖望地2井鉆遇地層巖石可鉆性級別平均為4級，大部分巖石硬度較軟，研磨性較弱，選用低胎體硬度（HRC25～30）、粗顆粒的孕鑲金剛石鉆頭及配套擴孔器，較低的胎體硬度保證鉆頭快速出刃。鉆頭唇面型式可選齒輪形尖齒或鋸齒狀，減少鉆頭唇面與巖石的接觸面積，使之更容易切入巖石，提高破巖效率。鉆遇灰?guī)r地層時，使用PDC鉆頭鉆進，配合鉆進參數(shù)，加大鉆壓。鉆頭選型如圖4所示。

圖4 鉆遇地層所用鉆頭類型Fig.4 Bits used for drilling different formations

3.4.2 鉆頭改進及應(yīng)用

鉆進過程中，初始鉆進時采取小鉆壓、大排量鉆進，并依據(jù)地層特點，逐步調(diào)整鉆壓大小。

一開鉆進使用?152 mm熱壓金剛石鉆頭2只，平均進尺約130 m，鉆頭最長壽命142 m；二開鉆進在望虎墩組和赤山組鉆遇長段主要巖性為泥巖和泥質(zhì)粉砂巖的地層（如圖5所示），上部泥巖地層造漿率高，鉆頭泥包現(xiàn)象嚴(yán)重，如圖6所示，平均鉆速＜1 m/h，繩索取心鉆具內(nèi)總成打撈、投放阻力大，耗費大量時間，加之地層研磨性弱，金剛石孕鑲鉆頭出刃困難，繩索取心鉆進速度極慢。

圖5 紅色泥巖、粉砂巖互層巖心Fig.5 Cores of alternating red mudstone and siltstone

圖6 鉆頭泥包及PDC鉆頭崩齒現(xiàn)象Fig.6 Drill bit balling and PDC bit with broken teeth

在二開與三開過渡階段，鉆遇泥質(zhì)灰?guī)r、含砂泥巖及少量泥灰?guī)r與礫巖夾層，地層固結(jié)好，致密且硬度大，與砂巖互層多，應(yīng)用PDC鉆頭在致密純泥巖中易打滑，鉆遇砂泥巖互層易崩齒，鉆進效率低。為提高泥巖地層的鉆進效率，改進了鉆頭流道參數(shù)及胎體配方，優(yōu)化后的齒輪形尖齒金剛石鉆頭適當(dāng)增大水口過流面積，適當(dāng)降低切削齒上胎體硬度，并在胎體工作層中采用較大顆粒金剛石以方便更好地切入巖石。同時，鉆井施工全過程利用“震動篩+高速離心機”二級固控設(shè)備分離出侵入鉆井液的泥砂，保持鉆井液性能穩(wěn)定，金剛石鉆頭鉆速明顯提升，在泥巖地層平均鉆速可達到3 m/h，單只鉆頭可累計進尺200余米，大大提高了泥巖段及夾層段的鉆進效率。優(yōu)化后的齒輪形尖齒金剛石鉆頭和鋸齒形尖齒金剛石鉆頭如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的金剛石鉆頭Fig.7 Optimized bits

3.4.3 鉆頭應(yīng)用分析

當(dāng)二開鉆進鉆遇泥巖及泥灰?guī)r夾雜地層時，由于巖層泥質(zhì)含量高、易水化，因此易產(chǎn)生鉆頭泥包現(xiàn)象，極大影響了機械鉆速，井下粘附糊鉆等問題的概率增大；鉆遇泥砂巖夾層時，現(xiàn)場PDC鉆頭還發(fā)生崩齒現(xiàn)象。對此，提出幾點建議及思考：

（1）鉆壓的控制：在泥巖地層鉆進過程中，較大的鉆壓會使巖屑在鉆頭表面受到的擠壓增大，產(chǎn)生較大的摩擦阻力，巖屑與鉆頭接觸越緊密，容易形成泥包。因此應(yīng)該采用低鉆壓、大排量，均勻精確送鉆的原則。

（2）增大鉆頭唇面水口并提高鉆頭表面及水口處的的光潔度有利于沖刷巖屑并降低泥巖巖屑粘附性，可相應(yīng)減少巖屑的聚集。

（3）鉆遇硬夾層時，巖石可鉆性級別增大，PDC鉆頭切削齒出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象，可通過改進鉆頭切削齒形狀及鉆頭唇面結(jié)構(gòu)改善，或者換同心度較高、人工出刃后的尖齒金剛石鉆頭配合液動錘應(yīng)用［12-13］。

3.5 鉆進參數(shù)

在鉆進過程中，原則上應(yīng)控制轉(zhuǎn)速和鉆壓以保證鉆進的安全實施。皖望地2井主要采取金剛石繩索取心鉆進工藝，以在合適鉆壓條件下采用高轉(zhuǎn)速、小泵量模式為鉆進原則，鉆進參數(shù)選擇如表4所示。配合低固相泥漿，控制轉(zhuǎn)速以避免鉆桿內(nèi)結(jié)泥皮而影響內(nèi)管的投放和打撈。內(nèi)管投放及打撈時合理控制撈放速度，以防止孔內(nèi)產(chǎn)生“激動”壓力和抽吸作用引發(fā)的孔內(nèi)事故。

表4 鉆進參數(shù)Table 4 Drilling parameters

一開施工：深度280.95 m。開孔階段地層較為復(fù)雜，為保證井斜要求，該井段鉆進時采取低轉(zhuǎn)速、小鉆壓、大排量鉆進，并采用擴孔器及粗徑鉆具等防止孔斜。一開采用?152 mm金剛石普通鉆頭鉆至井深164.38 m，因巖心采取率低，隨后采用?124 mm繩索取心鉆頭鉆至411.91 m，后用?152 mm金剛石普通鉆頭擴孔至井深280.95 m，并下入?146 mm套管至280.95 m，水泥固井、候凝，安裝防噴器。

二開施工：采用S122 mm繩索取心鉆具、?124 mm金剛石鉆頭鉆進至944.33 m。因?qū)嶃@地層以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及礫巖不等厚互層為主，采用中低轉(zhuǎn)速（250～264 r/min）、輕壓力、中泵量鉆進，并根據(jù)實際地層情況和鉆頭使用情況合理控制規(guī)程參數(shù)。為防止泥巖地層井下發(fā)生水化膨脹現(xiàn)象導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)，故將?114 mm鉆桿作為套管，封住上部泥巖及松散地層，?114 mm套管懸掛在套管頭，不固井。

三開施工工況：采用?96.5 mm金剛石鉆頭至終孔。實鉆地層以灰色灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主的軟硬互層，且一部分灰?guī)r巖層傾角較大，接近90°，極易井斜，施工中通過降低轉(zhuǎn)速與鉆壓并配合中泵量鉆進，以防井斜［14-18］。

3.6 鉆井液技術(shù)

3.6.1 鉆井液設(shè)計要點

皖望地2井鉆遇地層相對較為穩(wěn)定，通過對地層巖性變化規(guī)律進行分析，現(xiàn)場對鉆井液性能設(shè)計時充分考慮到了以下3點：

（1）在以含泥量較高的破碎或裂隙地層及泥巖地層，控制好鉆井液濾失量及泥餅質(zhì)量，降低巖層吸水膨脹及垮塌的風(fēng)險，保證取心鉆進順利進行。

（2）鉆進過程中若巖屑不能及時排出，就會造成巖屑在井底重復(fù)破碎，降低鉆進效率；同時，巖粉聚集會使打撈巖心過程中（停泵）鉆井液反壓，造成內(nèi)管遇卡情況的出現(xiàn)。因此，鉆井液需具有較好的攜帶和懸浮巖屑的能力。

（3）繩索取心鉆進工藝主要是靠高轉(zhuǎn)速研磨碎巖，在鉆具高轉(zhuǎn)速下鉆井液的潤滑性能對鉆具的保護尤為重要，具有較好的潤滑和減阻作用的鉆井液，能確保井內(nèi)的鉆井液良好流變性，起到降低濾失量、減少含砂量效果［19］。

該井在施工過程中使用的鉆井液主要以低固相聚丙烯酰胺為主，依據(jù)地層巖性變化規(guī)律合理調(diào)控鉆井液配方。在以泥巖為主的巖層鉆進中，基于所設(shè)計的低固相防塌聚合物鉆井液體系，有效降低了鉆井液粘度和切力，解決了泥巖在井下長時間浸泡后可能引發(fā)的井壁不穩(wěn)定及水敏膨脹的難題。

3.6.2 鉆井液配方及性能

（1）一開：要求配制快捷，凈化能力好，能支撐上部第四系表土層，采用低固相雙聚鉆井液。配方為：3%～4%膨潤土+3%純堿+400 ppm的水解聚丙烯腈+100～300 ppm的水解聚丙烯酰胺。其它材料：膨潤土、封堵劑。

（2）二開采用低固相防塌聚合物鉆井液體系。配方為：3%～4%膨潤土+0.1%～0.2%燒堿+0.1%～0.2%純堿+0.1%～0.3%聚丙烯酸鉀+1%～3%聚合醇防塌劑；處理添加劑（視情況加入）：抗鹽降粘濾失劑、稀釋劑、潤滑劑等；其它材料：重晶石、顆粒堵漏材料。

（3）三開鉆井液配方為：1 m3水+8～10 kg膨潤土+3.5 kg純堿+0.1～0.2 kg水解聚丙烯腈+0.1～0.3 kg水解聚丙烯酰胺。視情況加入潤滑劑。

鉆井液配方性能參數(shù)見表5。

表5 各開次鉆井液性能參數(shù)Table 5 Properties of drilling fluid for each drilling sections

4 鉆孔質(zhì)量分析

4.1 巖心采取率

按地質(zhì)設(shè)計要求，鉆穿松散層后，自井深166.52 m開始全井段取心。一開井段為提高大段泥巖井段的取心質(zhì)量，采用“小徑取心、大徑擴孔”完井程序，在166.52～411.91 m井段進行?124 mm取心鉆進245.39 m，獲取?85 mm巖心244.48 m；二開在411.91～944.33 m井 段 使 用?124 mm取 心 鉆 進532.42 m，獲 取?85 mm巖 心520.75 m；三 開 在944.33～1632.00 m井段進行?96.5 mm取心鉆進687.67 m，獲取?63 mm巖心674.86 m。累計取心鉆進1465.48 m，獲得巖心1440.09 m，綜合巖心采取率為98.27%，符合地質(zhì)設(shè)計巖心采取率≮85%的要求。

4.2 井斜測量及控制

皖望地2井設(shè)計井斜要求：全井段井斜≯8°，控制全井全角變化率≯3°/30 m。該井鉆遇地層以砂泥巖為主且交互頻繁、灰?guī)r地層產(chǎn)狀陡，易井斜，為了保障井身質(zhì)量，全井段采用數(shù)字測斜儀進行了16次井斜測量，每100 m左右測量一次。若出現(xiàn)井斜超標(biāo)趨勢，馬上采取輕壓吊打的方法進行糾斜，縮短測斜間距，以免造成井壁間隙不均勻［20］。在鉆進過程中，根據(jù)井斜情況，合理調(diào)整鉆進參數(shù)，克服頂角易朝某個方向增大、巖層含有裂隙等對應(yīng)問題，遇易斜地層，如三開井段灰?guī)r地層傾角過大（接近90°），或地層軟硬變化較明顯時，應(yīng)適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速、減小鉆壓來控制井斜變化［21-22］。一開完井最大井斜0.64°，二開完井最大井斜0.83°，三開完井最大井斜3.45°，滿足皖望地2井地質(zhì)設(shè)計要求。各開次井斜測量成果見表6。

表6 井斜測量成果Table 6 Inclination measurement results

4.3 井控設(shè)備及措施

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計及確保工程安全實施，皖望地2井井內(nèi)壓力按照最大工作壓力21 MPa井控壓力級別配置，配備了2FZ18-21雙閘板防噴器、PG610-H2S型便攜式H2S探測儀及KQ500D-H2S智能型H2S探測器為主的井控設(shè)備。各開次井口裝置如圖8所示。

圖8 各開次井控裝置Fig.8 Surface well control equipment used for each section

4.4 井徑控制

一開上部松散層進行?152 mm鉆進，一開完井測井平均井徑144.79 mm，井徑擴大率為16.76%；二開自井深411.91～944.33 m進行?124 mm口徑鉆進，完井測井平均井徑150.86 mm，井徑擴大率為21.66%；三開自井深944.33～1632 m進行?96.5 mm口徑鉆進，完井測井平均井徑123.44 mm，井徑擴大率為22.13%，全井段井徑擴大率≤25%，符合井身質(zhì)量要求。一、二開井徑曲線見圖9、三開井徑曲線見圖10。

圖9 一、二開井徑曲線Fig.9 Caliper logging curves for the first and second sections

圖10 三開井徑曲線Fig.10 Caliper logging curve for the third section

從圖10可以看出，在三開鉆進940～1100 m層段有一定的井徑擴大現(xiàn)象，其對應(yīng)的地層為泥巖及粉砂質(zhì)泥巖。這主要是因為在該井段泥巖、砂巖互層頻繁，取心鉆進鉆速平均為16 m/d，鉆井周期長、機械擾動大，且該段地層在鉆井液中長時間浸泡產(chǎn)生的水化膨脹及膨脹后產(chǎn)生的推擠作用而導(dǎo)致該井段出現(xiàn)的井徑擴大。

5 取得的成果

5.1 查明了該井區(qū)地層情況

通過皖望地2井鉆探施工及取心，配合錄井、測井工作，獲取了該井的實物資料和測錄井原始數(shù)據(jù)，查明了該井的地層層序（見表1），為該井區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)研究、油氣資源發(fā)現(xiàn)奠定了良好基礎(chǔ)。

5.2 長井段泥巖地層高效取心

皖望地2井鉆遇地層層序與地質(zhì)預(yù)測基本相符，但實鉆地層深度、厚度與設(shè)計存在一定差距。該井鉆穿第四系（0～25.83 m）后，即鉆遇長井段棕紅色泥質(zhì)粉砂巖夾雜薄層砂巖、礫巖等，表現(xiàn)出不膠結(jié)或弱膠結(jié)狀態(tài)，并呈現(xiàn)交替出現(xiàn)形式，井段為25.83～1056 m，嚴(yán)重制約著鉆進時效、縮短鉆頭壽命。鉆探施工中利用鋸齒形唇面增加過流面積，調(diào)整鉆頭金剛石濃度及目數(shù)，合理選用PDC取心鉆頭并在小口徑繩索取心鉆進過程中引入“振動篩+高速離心機”的二級固控設(shè)備全過程分離出鉆井液中侵入的泥砂，保持泥漿性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了“紅層”井段高效取心鉆進，鉆時由平均43 min/m提高至21 min/m，巖心采取率由60%左右上升至90%以上。

5.3 評估了油氣顯示情況

對井區(qū)1632 m以內(nèi)的地層含油氣性進行了錄井監(jiān)測及測井評估，皖望地2井常規(guī)儲層巖性以砂巖、灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r為主，泥質(zhì)含量低，氣測顯不活躍，儲層不發(fā)育，物性較差，測井解釋以干層為主，較好的儲層為三類儲層，共1層6.1 m。同時，受實鉆地層與預(yù)測地層的深度偏差影響，外加三疊系和龍山組灰?guī)r產(chǎn)狀近90°等原因，造成了井區(qū)二疊系目的層埋深、厚度等不可估。

6 結(jié)語

在下?lián)P子地區(qū)望江凹陷完成了小口井油氣調(diào)查井皖望地2井的鉆探、取心、錄井及測井等施工任務(wù)，按地質(zhì)要求查明了該井區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及主要巖性，獲取了地層巖性、物性、電性、巖相及含油氣水等基礎(chǔ)地質(zhì)特征以及地層厚度、埋深，為下?lián)P子陸塊沿江坳陷帶望江凹陷頁巖油氣新層系資源新發(fā)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)資料。針對長井段泥質(zhì)粉砂巖夾雜薄層砂巖、礫巖且互層頻繁、固結(jié)程度差的復(fù)雜工況，開展了小口徑孕鑲金剛石鉆頭改進與鉆頭優(yōu)選、復(fù)雜地層鉆井液維護及長井段泥巖地層繩索取心鉆進提速等應(yīng)用研究，在井下地層情況未知的條件下，有效提高鉆進效率，縮短建井周期，確保了巖心采取率，實現(xiàn)了全井零事故的穩(wěn)定施工。