桂北地区罗地1井钻探施工实践

秦 毅

(核工业二七〇研究所，江西 南昌 300200)

0 引言

页岩气是一种非常规的天然气资源，作为一种新的替代资源，已经在全球引发了一场“页岩气革命”，并且将给人类带来一场“新能源革命”[1]。页岩气是以吸附、游离状态存在泥页岩中可开发的新锐资源。我国自2004年起即开展了页岩气资源的研究调查工作，中国地质调查局油气资源调查中心于2015年下达开展贵州罗甸地区1∶5万页岩气基础地质调查工作，罗地1井就是该项目设计的一口页岩气调查井。该井完井质量较好，其施工工艺对今后页岩气调查井的施工有一定借鉴意义。

1 工程简介

罗地1井位于广西省壮族自治区河池市南丹县六寨镇境内，区内地势北高南低，山峦起伏、沟谷纵横、地面破碎、山地特色明显。设计井深1500 m，于2016年1月17日开工，6月23日钻达设计井深，共计159 d，实际完钻井深1501.06 m，取心段岩心获取率98.7%，钻孔质量完全符合地质设计要求，达到地质目的。

1.1 地层概述

罗地1井为一套沉积岩地层，钻遇主要地层为石炭系南丹组、巴定组，泥盆系五指山组和罗富组。主要岩性为细晶灰岩、石英粉砂岩、含炭泥质灰岩、砾屑灰岩、硅质灰岩、含炭泥质泥晶灰岩、炭质泥岩、炭质页岩、含炭泥质页岩等。构造位置为六寨塘加背斜东部，目的层为中泥盆统罗富组和下泥盆统纳标组上部。井深0～550 m以灰岩为主，夹薄层泥页岩互层，上部风化严重，岩层较软，溶洞发育较多，可钻性4～5级。井深550～1501 m完钻以条带状灰岩，微晶灰岩含炭质泥页岩和硅质灰岩为主，地层较稳定，岩心较完整，可钻性6级左右，研磨性不强，井壁岩层微裂隙发育，钻井液有渗漏现象。

1.2 钻探设备和机具选择

主要的钻探设备及机具见表1、表2。

1.3 井身结构

罗地1井采用四开的井身结构，如图1所示。

一开使用Ø130 mm硬质合金钻头采用单管钻进钻穿地表风化破碎带后，下入Ø127 mm套管固井，该段为0～14.57 m。

二开使用Ø110 mm金刚石钻头采用单管钻进至石炭系上统南丹组，岩性以细晶灰岩和硅质灰岩为主，钻遇较稳定坚硬岩石后下入了Ø108 mm的套管隔离，该段为14.57～139.22 m。

表1 主要施工设备

表2 主要管材钻具

图1 罗地1井井身结构

三开用S95金刚石绳索取心钻具钻进至石炭系下统巴定组，岩性以碎屑灰岩为主，该层段溶洞发育多，岩心较破碎，钻穿溶洞层位，钻遇较稳定坚硬地层下Ø89 mm套管隔离，该段为139.22～550.05 m。

四开用S77金刚石绳索取心钻具钻进至终孔，该段为550.05～1501.06 m。

2 钻井质量要求

罗地1井设计井深1500 m，实际完钻井深1501.06 m。

井斜质量要求：每100 m最大井斜≤2°，完井闭合井斜≤8°。

岩心采取率要求：全井段取心，平均采取率≥85%，目的层采取率≥95%。完钻口径≥75 mm。

3 施工难点和应对措施

3.1 地层不稳定、溶洞多

页岩气调查井一般设计在沉积岩地层中，该地层主要包括第四系、第三系、石炭系中无胶结或胶结差的软、碎、散、塌、漏、涌等复杂地层[2]。其中第四系地层主要有松散砂砾石、卵石、砂质粘土等；第三系地层主要有松散无胶结或弱胶结的砾岩、砂岩、粉砂质泥岩等；石炭系地层主要有泥岩、煤层、泥质弱胶结或无胶结的松散砂岩、砂砾岩。罗地1井自上而下钻遇第四系、第三系、石炭系、泥盆系，岩性以灰岩和泥页岩为主，地层破碎(见图2)，取心难度大，钻井上部遭遇多个溶洞，地层情况比较复杂。泥页岩层水敏性较强，井壁易失稳，超径缩径情况频发；溶洞地层岩心破碎缺失，导致泥浆漏失严重，循环系统失效，易出现掉块卡钻、烧钻等孔内事故。针对此类复杂情况，一般考虑从钻井液和套管隔离两个方面来解决。

图2 罗地1井钻遇较破碎地层

(1)泥页岩属于泥岩和页岩之间的过渡岩石地层，可见发育不完善的页理，该种地层富含泥沙充填，较为松散，胶结性较弱，钻井过程中，容易出现垮塌、掉块、井壁失稳等情况(图2)，因此，泥页岩中易发生超径、缩径等现象，给施工造成一定的困难。泥页岩地层钻进，如何选配合理的钻井液是钻井成功的关键。科学合理的配置钻井液能够有效地保证孔壁的完整和稳定，从而降低孔内事故发生的概率，保证钻进效率，保障钻孔质量，达到缩短建井周期的目的。

泥页岩复杂地层钻进中使用的钻井液应具备以下条件：①尽可能降低钻井液中的固相含量；②钻井液应具备较强的胶连松散颗粒的能力；③能使钻井液在岩心及孔壁表面形成胶质薄膜[3]。

应对措施：采用0.35%纤维素+1.0%腐植酸钾+0.3%聚乙烯醇+0.25%聚丙烯酰胺的钻井液配方。钻井液性能：密度1.01～1.04 g/cm3，粘度17～19 s，pH值8～9[4]。该钻井液具有粘度高、胶结抗水化能力强、失水量小等特点，对水敏性地层有良好的抑制水化膨胀作用。在钻进施工中，由于钻井液合理的配备使用，井壁失稳导致的超径、缩径、掉块、坍塌等现象都有明显的控制和改善。

(2)罗地1井共遭遇大小溶洞21个，其中深度1 m以上的溶洞7个，最大高度达4.22 m(根据岩心情况，推断300.08～305.84 m是一个溶洞)，给钻井施工造成了很大的困难。小溶洞会导致钻井液的漏失，甚至不返水，孔内掉块，卡钻等。大溶洞会导致设备负荷突然加大，钻井液循环系统失效，钻进阻力变大，孔底温度急剧升高，甚至发生烧钻。钻杆柱由于与孔壁间隙过大，在离心力的作用下易发生断钻杆等事故。溶洞对于钻探生产而言是一个难以克服的问题，钻井液仅仅能够控制孔壁的稳定性，对于溶洞地层并无明显的效果。

应对措施：罗地1井钻遇的溶洞集中在钻井上部，井深15～452 m为溶洞较多的地层，且深度1 m以下的小溶洞居多。在生产施工中，根据钻遇溶洞的大小，处理方式上也有所不同。①钻遇小溶洞时(以251.27 m的溶洞为例)，将海带、麻绳、锯末等惰性材料混合粘合力较强的膨润土、堵漏剂等泥浆材料灌入孔内，对小溶洞进行填充，对溶洞内的裂隙进行封堵，必要时灌入水泥浆，对掉块进行固定，使钻井反水正常，保障钻进安全；②钻遇大溶洞时(以300.08 m的多个连续大溶洞为例)，采用S95钻杆进行顶漏钻进，钻穿溶洞后，首先尝试下入Ø89 mm套管，因溶洞内堆积物过多，导致套管无法下抵孔底，只能采用S95钻杆配合特制薄壁钻头(钻头内径与钻杆内径相同)扫孔至孔底，然后灌入水泥浆对S95钻杆柱进行固定，用S95钻杆充当技术套管，隔离了井壁，防止了溶洞层的坍塌掉块。钻井反水正常，钻进生产得以持续。

3.2 井斜的控制

页岩气调查井对于井斜质量的要求比较高。在沉积岩软硬交替的地层中，如何控制和把握钻井的井斜是钻井能够成井的关键,钻井的跑斜主要跟地层、钻速、钻压等相关。罗地1井钻遇的地层软硬交替，尤其是井深472～665.9 m的巴定组，此时钻进正处于设计井深的1/3深度，井斜的控制尤为重要。该段岩性是炭质泥岩和硅质灰岩交替互层，岩石硬度差异较大，是最容易出现跑偏、跑斜的地层。

应对措施：(1)在罗地1井钻塔安装前，对地基进行水平校正，确保钻塔基座水平、周正。钻机设备安装中，立轴中心与天车、井口中心处于一条直线上。(2)开孔时，采用锋利钻头轻压、慢转，平稳的进行开孔作业，施工生产中，仔细观察钻进进尺情况，调整钻压、钻速，有针对性地调节钻进参数(表3)，降低钻井的含砂量，钻遇完整地层时，适度提升转速和钻压，提高生产效率；钻遇破碎或软硬互层时，适当地减轻钻压，降低转速，维持进尺的平稳，避免在钻遇过渡地层时出现跑斜情况。更换钻具、钻级时，把孔内岩心打捞干净，采用带导正的异径钻具。(3)严格百米测斜，严把质量关，出现跑斜较大情况，及时总结，针对性采取措施，保障钻井的质量达标。

表3 罗地1井钻进工艺及参数

注：表中的参数数据为估算平均值，不代表实时数据，钻进中参数在一定范围内波动。

4 施工效果

4.1 钻进效率

罗地1井钻进月平均台月效率527 m，全井岩心采取率98.7%，目的层段(罗富组、纳标组上部)岩心采取率100%。罗地1井钻遇地层为海陆交互相沉积岩地层，主要岩心以灰岩、泥岩、页岩为主，岩层松软，可钻性不强，溶洞发育较多，全井段共遭遇溶洞21个。在实际施工中，岩石对钻头的磨损程度较轻，钻头消耗数量较少，溶洞地层由于孔内情况复杂，孔内坍塌、掉块频繁，多次出现卡钻情况，延误了钻孔周期(表4)。

表4 罗地1井作业情况统计

通过表4对比可知，在井段139.22～550.05 m的作业过程中，纯钻时间利用率仅为34%。此井段恰恰是溶洞最为发育的层位，钻井液的漏失，孔内频繁的掉块，甚至孔内坍塌，对钻进效率产生了很大影响。

4.2 钻井弯曲度

罗地1井严格把控井斜质量，井队配备JTL-40GX(W)无缆光纤陀螺测斜仪，施工至14.57 m下入表层套管后即进行测斜作业，测量井斜顶角仅为0.2°。全井最大井斜1482.3 m处8.00°，井底(1500 m)东西位移偏西86.69 m，井底南北位移偏南28.32 m(见图3)，钻井弯曲度符合设计要求。

图3罗地1井水平投影图

5 结论

(1)页岩气调查井相对于其它地质勘探类钻孔在钻遇复杂破碎地层，钻遇构造带，以及所适应的地层硬度大小和岩石可钻性等方面有明显的区别。

在井身结构设计上需要有所针对性，如有无复杂地层，漏失地层的厚度、深度，是否钻遇断层等。井身结构设计是否与地层情况相对应对钻井的成井与否息息相关，这就需要克服以往地勘类钻探“摸着石头过河”的习惯。了解地层情况之后再决定钻井结构、开次、各开次井深、表层套管和技术套管的直径、下深等，为后续钻进预留足够的井径空间。

(2)罗地1井在溶洞层段采用S95钻杆作为技术套管对孔壁进行隔离，具有高效、安全、省时的特点，在溶洞、掉块较多或易超径缩径的复杂地层中都是值得借鉴推广的。

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