页岩气基础地质调查皖南地1井钻探施工技术

刘文武, 赵志涛, 翁 炜, 朱迪斯, 单文军, 贺云超

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

1 地质概况

皖南地1井是部署在安徽省南陵县烟墩镇的一口页岩气基础地质调查井，目的层为五峰-高家边组，兼探牯牛潭组-仑山组，设计井深1500 m。钻探的目的是查明安徽皖江地区地层层序，获取五峰-高家边组页岩厚度、有机地球化学、储集性能及含气性等页岩气评价参数，摸清五峰-高家边组在皖江地区的发育情况，为评价皖南地区五峰-高家边组页岩气资源潜力提供资料支撑，同时兼顾奥陶系灰岩常规储层含气性调查。

1.1 地形地貌

工区位于皖南山区与沿江平原的过渡地带，地貌类型较复杂，呈平原、低山、丘陵和山间盆谷区的地貌组合。北部和东北部属于长江下游平原，海拔高度在6～60 m；其余大部分地区地貌以低山、丘陵和山间盆谷区为主，海拔高度在80～600 m，且工区西部海拔整体低于东部，表现为南高北低、东高西低的地势。

1.2 地层预测

钻井位置区域预测地层见表1。

1.3 油气水层位置预测

浅水层预测在300 m以浅。

油气层依据区域地质资料，即皖南地1井页岩目的层段见表2。

1.4 地层压力预测

根据南陵1井资料和本井钻遇地层预测，902～1500 m可能存在高压。钻遇高家边组泥页岩地层及奥陶系灰岩地层，钻进中需注意防塌、防漏。目的层段应注意防喷、防火、防硫化氢，要储备一定的重泥浆备用。

2 钻井质量指标及技术要求

皖南地1井涉及钻探工程施工与测试，技术要求按照国土资源部、中国地质调查局的相关技术规范、规程、标准和井位论证方案执行。采用直井多开次钻探方法，要求井深≮1500 m，同步开展录井、测井、固井等配套工作。

表1 皖南地1井地质分层数据

表2 皖南地1井预计高家边组-仑山组主要目标层段

(1)井身质量参照《钻井井身质量控制规范》(SY/T 5088-2008)标准。

(2)井口允许移动范围50 m。

(3)全井段井斜≯8°，全井全角变化率控制在3°/30 m。

(4)井底水平位移≯80 m。

(5)全井井径扩大率≯25%。

3 钻井工艺技术

3.1 钻探设备、机具配置

钻探主要设备根据施工的钻井目的、施工的环境条件、钻探方法、钻井深度、终孔直径等综合因素确定[1-2]。

钻探主要设备配置见表3。钻探施工现场如图1所示。

表3 钻探设备配置

图1 皖南地1井钻探施工现场

3.2 井身结构设计及优化

3.2.1 井身结构设计[3]

根据地层特点、钻孔深度及终孔直径，钻孔设计结构如表4所示。

3.2.2 井身结构优化

3.2.2.1 优化依据

表4 皖南地1井钻孔结构设计

注：二开以Ø98 mm绳索取心钻进，视工况决定是否一径到底。如需三开，则扩孔至Ø122 mm，Ø114 mm绳索取心钻杆作为技术套管。

在二开钻进过程中，采用Ø98 mm绳索取心钻进，因在井深1223.34～1226.34 m处发现2.8 m高的溶洞，失返，严重井漏，经论证下套管封隔，因此二开钻深1230.84 m，将二开使用的Ø91 mm绳索取心钻杆作为活动套管封隔溶洞，下深1230 m，接着用Ø77 mm金刚石取心钻头+Ø73 mm绳索取心钻具总成+Ø73 mm绳索取心钻杆钻至终孔。

3.2.2.2 优化后实际井身结构

Ø165 mm钻头钻至233.49 m，下Ø146 mm套管，水泥固井，井口安装防喷器。为了保证级配，Ø131 mm钻头钻至246.50 m，下Ø127 mm活动套管246.50 m。Ø98 mm钻头钻至1230.84 m，因遇到溶洞，直接将Ø91mm绳索取心钻杆作为活动套管，封隔溶洞，下至1230 m。Ø77 mm钻头钻至终孔井深1506.91 m。实际井身结构见图2。

图2 实际井身结构

3.3 钻进工艺

皖南地1井除开孔及扩孔段外，一开、二开、三开口径均采用绳索取心钻进工艺[4-5]。利用绳索打捞器捞取岩心管取心钻进技术具有多方面的优点，其中最突出的优点就是工程质量高，地质效果好，提高钻进效率。

3.4 钻头设计

皖南地1井钻遇地层主要岩性为灰岩、泥岩、粉砂质泥页岩、泥质粉砂岩、灰质粉砂岩，岩石可钻性级别以4级为主。岩石硬度较软，研磨性较弱，选用中等硬度细颗粒孕镶金刚石钻头。绳索取心钻头的水口适当加宽，方便排渣，降低泵压，钻头内径加大金刚石浓度，防止钻头内径磨损过快。根据岩石可钻级别，以胎体硬度HRC30～40，唇面形式为同心尖齿、同心阶梯齿钻头为主。

3.5 钻进参数

XY-8型钻机是一款成熟的立轴钻机，其转速为Ⅰ挡：0～300 r/min，Ⅱ挡：0～1100 r/min。钻压略大于钻杆二次弯曲临界钻压，对防止钻孔偏斜有利[6]。钻进参数见表5。

表5 钻进参数

3.6 钻井液及护壁[7-8]

3.6.1 钻井液性能

皖南地1井钻井液性能主要从以下几个方面进行控制。

(1)泥浆润滑性能。绳索取心钻进工艺主要是靠高转速研磨破碎，在钻具高转速下泥浆的润滑性能对钻具的保护尤为重要，尤其是深孔钻进。

(2)泥浆携带岩屑的能力。深孔钻进过程中岩粉及岩屑若不能及时排出，就会造成岩屑重复破碎，影响钻进效率，同时岩粉过多会造成打捞岩心时(停泵)泥浆反压，造成内管遇卡情况的出现。

(3)泥浆的护壁性能。泥页岩及破碎地层要控制好泥浆失水量及泥饼质量，减少泥浆中水的渗透，降低岩层吸水膨胀及垮塌的风险，长井段的裸眼需要稳定的井壁，保证取心钻进顺利进行。

3.6.2 钻井液配方

3.6.2.1 一开钻井液

要求配制快捷，净化能力好，能支撑上部第四系粘土层及高家边组上部较松散地层，采用不分散低固相化学钻井液。配方：清水1 m3+4%～6%钠土粉+0.1%～0.3%纯碱+600 ppm聚丙烯酰胺+0.1%～0.2%CMC钠羧甲基纤维素，辅之以磺化沥青护壁剂等。性能指标：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。

3.6.2.2二开钻井液

针对水敏性的泥页岩、泥质含量高的砂岩且大倾角地层，改用防塌性好，排粉能力强，流变性好、抑制性强的低固相防塌聚合物钻井液体系。配方：1 m3水+1.0～2.0 kg纯碱+30～50 kg膨润土+5～10 kg降失水剂(GPNH)+5～10 kg增粘剂(GTQ)+1～3 kg包被剂+10～20 kg随钻堵漏剂(GPC)+20～50 kg封堵剂+5～20 kg极压润滑剂(GLUB)。性能指标： 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。

3.6.2.3三开钻井液

顶漏钻进灰岩、白云岩地层，采用普通化学泥浆，辅以锯末、麻绳等堵漏材料，保证润滑降温，且减少漏失污染。性能指标：密度1.02～1.07 g/cm3、粘度20～25 s。

4 复杂问题的处理

4.1 溶洞处理

皖南地1井在井深1223.34～1226.34 m处发现2.8 m高的溶洞，上部0.3 m直接失钻压，下部2.2 m有填充物，岩心缺失，自然漏失，进行溶洞堵漏，共进行7次。

1次堵漏：3编织袋锯末配浆，加纤维素、聚丙烯酰胺、植物胶；钻杆内泵入井底，165 L/min，无效。

2次堵漏：5编织袋锯末，经筛选长度3～6 cm，配浆，加纤维素、聚丙烯酰胺、植物胶；钻杆内泵入井底，165 L/min，无效。

3次堵漏：5编织袋锯末，且加入4～6 cm的稻草、麻绳和棉絮，配浆，加纤维素、聚丙烯酰胺、植物胶；钻杆内泵入井底，165 L/min，无效。

4次堵漏：海带10 kg，黄豆25 kg、混合锯末，拌浆；分3次堵漏，无效。

5次堵漏：筛选大颗粒钻渣50 L配浆堵漏，无效；混合70 L钻渣堵漏，无效；静置一段时间后，发现返浆，冲扫孔至井底井漏。

6次堵漏：一次加入12编织袋锯末，堵漏无效。

7次堵漏：堵漏网，500 kg堵漏王，主要为玻璃纤维丝、膨胀剂、堵漏剂等成分，无效。

鉴于堵漏一直无效，经过专家论证，用Ø98 mm的钻头钻至溶洞下面取出完整岩心，用现有Ø91 mm的钻杆做套管下放到溶洞下面完整岩石的位置，Ø91 mm的钻杆接头避开溶洞的位置，下入孔内的套管全部抹上钠质黄油，S73 mm的绳索取心钻具钻进钻至1500 m终孔。做好后期再遇溶洞的预案：如果在1223.54 m孔深下面还钻遇溶洞，取出孔内Ø89 mm的套管再用S89 mm的绳索钻杆钻至完整岩石再下Ø89 mm的套管，还是用S73的绳索钻具钻至1500 m。

4.2 孔斜控制

孔斜预防和控制是影响钻井质量和钻探效率的主要工艺技术因素之一[9-12]。本井采用SDYQ-48型无线随钻测斜仪，钻进过程中为减少提钻时间，在钻杆内测斜，主要记录顶角、方位角。在330～360和620～640 m由于地层倾角较大，通过扶正器及降低钻压在8～12 kN，保证了钻孔的孔斜度。全孔最大孔斜度6.17°，符合设计要求。

5 钻井周期及钻效分析

5.1 钻井周期

2017年9月30日开钻，2018年1月31日完钻，共计124 d，且在施工中实际钻进遇见2.8 m溶洞，处理时间24 d。

5.2 钻进效率

皖南地1井钻井工期为124 d，平均机械钻速2.26 m/h，台月效率364.57 m，平均钻时26.60 min/m，不计溶洞处理24 d，钻机台月效率452.07 m。详见表6。

表6 钻进效率统计

5.3 效率分析

全井生产时间占87.88%，其中纯钻进时间22.36%，全井非生产时间12.12%。与同口径、深度的地质孔相比，皖南地1井施工周期略长。主要原因是在钻进过程中出现溶洞，护壁堵漏及堵漏无效后变更设计等待钻杆钻具时间较长，延误了一部分工期。同时钻机的维修时间略长，占据11.23%。

6 结语

皖南地1井于2017年9月29日通过开钻验收，采用绳索取心工艺钻进，同步开展录井，2018年1月31日23:53顺利完钻，完钻深度1506.91 m，完钻层位奥陶系红花园组。该工程实现了钻探的目的，梳理了安徽皖南地区地层层序，特别摸清了五峰-高家边组发育情况；在高家边组发现2层气测异常井段：886.60～900.00 m井段和965.40～971.00 m井段。项目的顺利实施为页岩气优质储层的理论推测提供了有力的实物数据支撑和验证。同时今后项目施工中应在不超钻机额定最高转速的情况下，提高转速，发挥绳索取心工艺孕镶金刚石钻头高转速碎岩的特点，钻效会进一步得到提高。针对性的技术措施须与严格的组织管理措施结合，方能更好地实现优质高效。