赣丰地1井钻探施工技术

余慎军

湖北煤炭地质局 湖北 武汉 430070

0引言

页岩气是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中,以吸附及游离状态为主要存在方式的非常规天然气,成分主要为甲烷,是一种清洁高效的新能源资源,正受到世界许多国家的重视。当下,随着矿业产业投资的减少,传统矿产资源钻探工作量锐减,页岩气资源调查井及参数井就成了钻探市场的香饽饽。传统地勘队伍依据市场供求关系,均不同程度地进行了产业上的重新部署。而如何安全、经济、高效地完成页岩气地质调查井钻探施工,合格采取岩心,就是每个钻探队伍需要正视的问题。[1]

本文对赣丰地1井钻探施工过程尤其是对钻孔内复杂问题的处理进行了阐述,可以指导日后同类钻孔的施工。

1 地质概况

赣丰地1井是布置在江西省丰城市清江盆地北部斜坡曲江向斜的一口页岩气地质调查井,目的层为二叠系上统乐平组、中统茅口组南港段,兼探小江边组,设计孔深1500 m。钻探目的是获取二叠系上统乐平组、中统茅口组南港段地层页岩厚度、有机地球化学、储集性能及含气性等页岩气评价参数,探讨萍乐坳陷曲江向斜(清江盆地)富有机质泥页岩层系(乐平组、小江边组、茅口组南港段)的空间展布规律;,为该地区的页岩气资源潜力评价提供地质依据。

1.1 地形地貌 工区位于鄱阳湖盆地南端,以平原地貌为主。整个地势由西南向东北逐渐倾斜,平原、低丘、岗地交错,波状起伏,南北高,中间低,呈马鞍形。南部边沿地势高峻,海拔500 m 以上;中部平原地势偏低,海拔约在21.5～27 m,最低点在东北边缘的药湖,海拔18 m;东南和西北部属丘陵、岗阜区,海拔在500 m 以下,东南部边境系武夷山脉,属低山丘陵区。

1.2 地层 钻孔位置区域地层从上往下依次为：

第四系：厚20 m,土黄色泥土、第四系坡积物及砾石组成,含有少量植物根系,砾石成分主要为灰岩。

大冶组：厚475 m,以泥质灰岩、泥晶灰岩及泥质条带灰岩为主,颜色为灰白色、浅灰色、灰色,主要为灰岩、条带状灰岩、条纹状灰岩组成多以中-厚层状出现。

长兴组：厚250 m,灰色含硅质泥晶灰岩,与下伏地层接触界线明显。

乐平组王潘里段：厚98 m,主要岩性为粉砂质泥岩、炭质泥岩、炭质页岩、煤层及少量粉砂岩,颜色深灰色、灰黑色到黑色。

乐平组狮子山里段：厚30 m,浅灰色、灰色、深灰色的粉砂岩、细砂岩。

乐平组上老山里段：厚54 m,深灰色、灰黑色含碳页岩、泥质页岩,局部以粉砂岩与泥质页岩互层为主。

乐平组中老山段：厚98 m,深灰色、灰黑色泥质页岩、含碳页岩,局部夹少量细砂岩。

乐平组下老山段：厚98 m,灰白色、深灰色、灰黑色泥质页岩、粉砂质页岩、细砂岩、含碳页岩以及少量薄煤线为主。

乐平组官山段：厚98 m,灰白色、深灰色、灰黑色中-粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩及少量炭质页岩为主。

茅口组：厚259 m,上部76 m 燧石结核灰岩、泥晶灰岩,颜色以灰色-深灰色为主;中部135 m 含炭页岩、硅质灰岩,颜色以灰黑色、灰色-深灰色为主;下部48 m 含炭泥晶灰岩、炭质页岩为主。

1.3 油气水层位预测 浅水层预测在200米以内。

油气层根据区域地质资料,为乐平组上老山段-茅坪组南港段页岩层段。

1.4 地层压力预测 依据本井钻遇地层预测,870-1350 m 可能存在高压。钻进过程中需要注意防止塌孔、漏水,以及防喷、防火、防硫化氢,需要准备一定的加重泥浆备用。

2 钻孔质量指标及技术要求

赣丰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,同时开展固井、录井、测井等配套工作。

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

(2)全井段井斜≤8°,全井倾角变化率控制在3°/30 m;

(3)井底水平位移≤80 m;

(4)全孔井径扩大率≤25%。

3 钻井工艺技术

3.1 钻探设备、机具配置 主要钻探设备根据钻井目的、施工现场环境条件、钻探方法、钻孔深度、终孔直径等综合因素确定。主要钻探设备配置见表1。

表1 主要钻探设备配置表

3.2 井身结构设计及调整

3.2.1 井身结构设计(见表2)

3.2.2 井身结构调整

3.2.2.1 调整依据：在二开钻进过程中,采用Φ122绳索取心钻进,因为在井深960～974 m 井段持续垮塌,使用各种方法尝试解决塌孔问题,收效甚微。经多方论证后,进行井身结构调整,提前下入Φ114 mm 绳索钻杆当做套管至974.05 m,隔离垮塌层。接着换Φ89 mm 绳索钻杆+Φ95 mm 绳索取心钻探钻进至终孔。

表2 赣丰地1井钻孔结构设计表

注：二开以Φ122绳索取心钻进,根据钻孔施工实际情况决定是否一径到底。如需三开,则直接以Φ114绳索钻杆当做技术套管。

3.2.2.2 调整后实际井身结构：根据地层破碎完整情况,开孔Φ150 mm 实际钻进至83.88 m,下入Φ146 mm 套管,水泥固井,井口安装防喷器。

Φ122 mm 钻头钻进至974 m 后,根据专家论证意见,直接将Φ114 mm绳索取心钻杆作套管,下部50 m 水泥固井,Φ95 mm 绳索钻进至终孔。

3.2.2.3 调整前后井身结构对比：设计调整前后井身机构见表3。

表3 井身结构调整前后对比

3.3 钻进工艺：赣丰地1井除开孔外,二开、三开口径均采用绳索取心钻进工艺。充分利用绳索取心工艺采取率高、工程质量高、劳动强度小的优点,进而提高钻进效率。

3.4 钻头选择：赣丰地1井钻遇地层主要岩性为泥质灰岩、泥岩、粉砂质泥页岩、泥质粉砂岩、含碳页岩等,岩石可钻性级别以4 级为主。岩石硬度比较软,研磨性比较弱,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,加大钻头内径金刚石浓度,防止钻头内径磨损过快。依据岩石可钻性级别,以胎体硬度HRC30～45,唇面形式为同心尖齿、高低齿钻头为主。

3.5 钻进参数：XY-8B型钻机是相当成熟的岩心立轴钻机,其转速为Ⅰ(反转)挡：0～215 r/min,Ⅱ(正转)挡：0～1011r/min。钻进参数见表4。

表4 赣丰地1井钻进参数

3.6 泥浆性能与参数选择

3.6.1 泥浆性能：赣丰地1井泥浆性能主要从以下三个方面进行控制。

(1)携带岩屑的能力。深孔钻进施工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。

(2)护壁性能。泥页岩等水敏性地层要控制好泥浆失水量,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)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。

3.6.2 泥浆配置：泥浆是钻探工程的“血液”,什么地层尤其是各种复杂地层使用什么类型的泥浆? 是钻井工作中需要正视解决的关键技术问题。配制泥浆的主要材料：膨润土、纯碱、聚丙烯酰胺、纤维素、磺化沥青、腐植酸钾、堵漏剂等。

配制程序：钻井液配制前,首先加纯碱浸泡粘土,进行预水化处理,难溶于水的纤维素事先按比例溶于水中;按照具体地层相应配制基浆,按比例加入相应的泥浆添加剂。

3.6.2.1 一开泥浆：要求配制快捷,净化能力好,能支撑上部第四系填层及大冶组、长兴组破碎裂隙灰岩地层,不分散低固相化学钻井液。配方：清水1 m3+5%钠土粉+0.2%纯碱+500～700pp m 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、太古油润滑剂等。性能指标：密度1.03～1.07g/c m3、漏斗粘度21～25s、失水量8～12 mL/30 min、p H 值保持弱碱性8～9。

3.6.2.2 二开泥浆：针对水敏性的泥页岩、泥质含量高的砂岩、炭质泥岩以及煤系地层,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+0.1%～0.2%kg纯碱+3%～5%钠土粉+0.5%～1%降失水剂(GPNH)+0.5%～1%增粘剂(GTQ)+0.1%～0.3%包被剂+1%～2%随钻堵漏剂(GPC)+2%～5%封堵剂+0.5%～2%极压润滑剂(GLUB)。性能指标：密度1.03～1.07g/c m3、漏斗粘度20～25s、失水量8～12 mL/30 min、p H 值保持弱碱性8～9。

3.6.2.3 三开泥浆：裸眼钻进茅口组灰岩地层,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1.02～1.07g/c m3、粘度20～25s。

4 钻井问题处理

钻探施工孔内复杂问题的合理处理,是保障钻探工作顺利完成的重要环节。赣丰地1井钻探施工过程中,出现了井漏、垮孔等孔内问题,这些孔内问题部分得到了妥善的处理,有的处理不是特别理想,最终还是保证了钻井工作比较顺利地完成,但是钻进效率不是特别高,值得总结。

4.1 井漏的处理：一开Φ150 mm 普通金刚石取心钻进时,由于第四系表土比较松散、上部岩层比较破碎导致泥浆漏失严重,钻进困难。采取调节泥浆粘度、加入堵漏剂等措施,钻进至62.6 m 后用水泥封孔堵漏后继续钻进。钻进至83.88 m 后,已经钻见12.5 m 完整的岩心,直接下Φ146 mm 表层套管固井解决了一开漏失问题。

4.2 垮孔的处理：赣丰地1 井在井深960-974 m 处持续发生垮孔。

4.2.1 垮孔原因分析：该井段钻遇的是乐平组中老山段泥质页岩、含炭质页岩地层,水敏性较强,属于易坍塌地层。泥浆过稠,导致打捞岩心内管时产生抽吸压力,先后拉断绞车钢丝绳9次,反复处理打捞内管,其中7次打捞内管不成功只能起大钻,倒腾时间近1 个月,致使该孔段多次垮塌。

4.2.2 垮孔处理措施：经过专家组的集体商定,用Φ114绳索钻杆党套管下至974.05 m,然后采用Φ95绳钻裸孔钻进至终孔。另外派一名泥浆工程师驻现场,指导泥浆调配直至终孔。974.05-1501.22 m,没有发生孔内事故,顺利完成。

5 钻探施工总结

5.1 钻井施工时长：2017年1月7日开钻,2018年7月2日完钻,共计177d,且在施工中春节放假15d,实际施工162d。960-974.05 m 持续垮孔处理时间29d。

5.2 钻进效率：赣丰地1井实际钻探施工期为162d,平均机械钻速2.09 m/h,台月效率278 m,不计垮孔处理29d,钻机台月效率338.62 m。详见表5。

表5 钻进效率统计

5.3 总结分析：全井尽管生产时间占92.75%,但是纯钻进时间只占18.47%,非生产时间占7.25%。与同类型的地质岩心钻孔相比,赣丰地1井施工周期比较长。主要原因是在钻进过程中泥浆使用不当导致泥页岩地层垮孔处理时间较长,设计变更、等待钻具也延误了部分工期。同时钻机、水泵、绞车等设备的维修保养时间较长。

6 结语

赣丰地1井于2017年1月7日通过开钻验收,采用绳索取心工艺钻进,2017年7月2日顺利完钻,完钻深度1501.22 m,终孔层位茅口组茅口二段。该工程实现了钻探的目的。同时也为今后同类型项目施工积累了经验,页岩气调查井地质要求高,必须做到：

(1)配置齐全Φ122、Φ95 系列绳索取心钻具,Φ75 规格钻具作为复杂地层备用也应时刻准备;

(2)配置齐全熟练的机长、班长,严格按照钻探工程师、泥浆工程师的设计方案施工;

(3)只要地层许可,钻孔设计尽可能简单,尽量发挥绳索取心工艺的优点,进一步提高钻效,快速钻探成孔、获得目的层样品。

(4)针对既定的技术措施,应制定严格的劳动纪律、设备物资保障等组织管理措施与之相结合,更好地实现优质高效。