湘西北地区钻井提速关键技术应用分析与评价

邓 拓

（湖南省煤田地质局第一勘探队，湖南衡阳421800）

1 地质概况

依据野外地质调查与区域地质资料，勘查区块基底为元古界板溪群浅变质岩，上覆盖层自下而上依次为震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、下第三系，局部覆盖第四系。区内黑色页岩主要层段为下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组，其次在上震旦统陡山沱组。下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组为区块内主要富有机质页岩发育层位。在牛蹄塘时期，扬子区大规模海侵，中扬子区全部为浅海陆棚区碎屑岩沉积，从西北向东南海水加深，发育浅水陆棚—深水陆棚沉积环境，页岩具有横向上厚度变化较大、非均质性较强的特征。勘查目标层位为下古生界下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组。目的层龙马溪组(S1l)下部为一套含笔石生物的黑色炭质页岩和粉砂质页岩，富含有机质，上部为灰绿色、黑色页岩夹石英砂岩、石英粉砂岩。牛蹄塘组(∈1n)主要为一套黑色页岩、炭质页岩夹石煤层。

湘临地1井地层层序不完整，受多期构造运动的控制影响，上古生界地层剥蚀殆尽，仅残留下古生界地层，白垩系—第四系不同程度覆盖在中下奥陶系之上。湘临地1井依次钻遇第四系、奥陶系（马刀堉组、盘家咀组）、寒武系（沈家湾组、比条组、车夫组、花桥组、敖溪组、清虚洞组、杷榔组、牛蹄塘组）地层，地层岩性以白云岩、灰岩、泥页岩为主，白云岩与灰岩频繁交错，地层倾角10°～20°。

2 施工难点

（1）浅表覆盖区第四纪的泥岩覆盖在下奥陶统地层之上，但由于勘探程度的限制，周缘仅出露两个采石场，目测泥岩覆盖厚度20余米，但考虑到存在现代喀斯特岩溶，下奥陶统地层之上第四纪泥岩覆盖横向上存在差异，在一定程度上影响导管的下深。井位周缘存在大型塌陷区灾害区，受勘探程度限制，井周缘可能存在钻遇中下奥陶统大型溶洞的风险。

（2）井场临近农田、河流，容易发生环境污染事故，交通不便，后勤供应困难。

（3）地层成岩性好，岩石坚硬致密，可钻性差，机械钻速低，施工难度大。

（4）地层倾角变化大，地层造斜能力强，易井斜，注意防止井斜超标。

（5）地层孔隙、裂缝发育，存在多个不整合面和夹层，井壁垮塌严重，增加了卡钻的风险。

（6）裸眼井段长，泥浆携砂困难，井眼清洁困难。

3 钻井提速技术

从井身结构优化、钻头个性化、螺杆复合钻进、优化钻井液性能等方面开展分析和研究，针对湘西北地区页岩气探井钻井技术难点和挑战，提出相应解决方案和技术措施，形成了配套齐全的页岩气钻井提速技术，为今后页岩气的勘探开发奠定了基础。下面以湘临地1井现场应用的技术进行分析。

3.1 井身结构优化

根据地层压力剖面和地质必封点，形成“三级”井身结构方案。井身结构设计以保护主探目的层油气发现和资料录取为核心、以保证钻井安全顺利进行为原则，执行SY/T5431-2008《井身结构设计方法》。采用609.6mm 钻头开孔，钻深50m，封隔地表表土、奥陶系缝洞塌陷的等疏松地层。下入外径473.1mm 导管，建立一开井口。一开用406.4mm 钻头钻进，根据地层预测，钻穿中寒武统花桥组泥质白云岩、碎屑灰岩稳定地层中后进行中完作业，深度600m，下入339.7mm 表层套管。二开用311.2mm 钻头钻进，确定进入杷榔组板状页岩、泥灰岩、泥岩50～60m 后进行中完作业，深度2400m，下入244.5mm 技术套管。三开用215.9mm 钻头钻进，进入震旦系留茶坡组硅质页岩段50m 后根据显示确定完钻井深，裸眼完钻。

3.2 钻头个性化

根据邻井常页1井、慈页1井的实钻地层，常页1井为小口径地质调查井，全井采用绳索取芯钻进，慈页1井的钻头的使用情况记录可供参考。岩性主要为页岩、泥灰岩、灰岩、白云岩，岩石成岩性好、可钻性差、研磨性强。为了更好地优选钻头，通过对常页1井岩芯资料处理，提取了岩石抗压强度，根据岩石可钻性分级，优选钻头型号。表1为岩石可钻性分级表。

表1 岩石可钻性分级

一开马刀堉组以白云质灰岩为主，地层致密坚硬，均质性差，鉴于PDC钻头的抗冲击性弱，选用耐高温高压、载重和抗冲击能力强、金属密封、寿命高的三牙轮钻头，如HJT537、HJT617系列镶齿牙轮钻头，盘家咀组以厚层灰岩、泥质条带灰岩、深灰色泥灰岩夹页岩透镜体选用6 刀翼16mm 切削齿的刚体PDC 钻头；二开寒武系上部地层以泥灰岩为主岩石强度较硬，地层研磨性强，优选抗研磨性强、保径的5刀翼16mm切削齿胎体PDC钻头，切削齿须保证有一定的抗冲击能力，寒武系下部地层软硬夹层较频繁，容易造成PDC钻头的早期失效，宜选用牙轮钻头或复合钻头；三开目的层组黑色页岩脆性矿物、裂隙、层理发育，岩石硬而脆，适用于5刀翼16mm切削齿的刚体PDC钻头。

3.3 螺杆复合钻进

复合钻进是利用高效钻头和螺杆钻具再加转盘钻进的一种钻井方式，常用有“PDC 钻头＋螺杆”复合钻井方式。湘西北构造区、地层倾角变化大、岩石强度高，适合高转速的螺杆发挥作用，采用复合钻进有利于提高钻井效率，起到防斜打直的效果。在直井中，使用小角度弯螺杆钻具组合，一方面可以利用螺杆的高转速配合高效钻头加快钻井速度，一旦发现井斜有增大趋势，可以随时滑动钻进，进行纠斜，从而有效控制井眼轨迹变化，保证井身质量。表2为PDC+螺杆配合使用的钻头统计表。

二开螺杆选用型号为5LZ203X7.0-5 的球柱形万向轴螺杆，该螺杆对万向轴进行了改良设计，螺杆寿命大大延长，且转速与扭矩均满足施工需要，可增加单趟纯钻时间。三开螺杆选用型号为7LZ172X7.0-5 的螺杆，三开所需要的排量小，在兼顾排量的同时，该螺杆也能保持转速与扭矩。

3.4 钻井液优化

导管和一开井段出现井漏等复杂情况，为节能环保，采用清水钻进，必要时配稠浆清洗井眼与堵漏环保型的冲洗液来缓解或解决钻井井漏问题；此井段为大井眼，要求钻井液具有较强的携砂性，钻井液维护中，加大土粉与正电胶用量，钻进中，使用大排量，保证钻井液具有良好的携带悬浮能力及封堵能力。

二开前清掏循环罐，二开采用两性离子聚合物钻井液防塌体系，使用膨润土、纯碱、烧碱、双聚铵盐、FA-367、K-1、低粘、淀粉、絮凝剂等配制钻井液，循环均匀后二开，钻水泥塞前，为防水泥污染钻井液，加入纯碱进行预处理。二开钻进中钻井液粘度维持在40～60s，控制膨润土含量为40g/L左右，钻井液滤失量小于8mL。钻进中用FA-367、絮凝剂，大钾增加钻井液的抑制性。使用K-1、双聚铵盐、淀粉、低粘等降失水剂保持钻井液具有适当的失水和良好的流变性。钻进中勤测钻井液性能，为保证二开钻井液中坂含20～40g/L，根据需要及时补充土粉含量，保证钻井液的悬浮屑的能力。钻进过程中，用FA-367、低粘、淀粉、K-1絮凝剂配制胶液，采用等浓度法补充用烧碱控制pH 值8～9。始终保持钻井液具有良好的流变性和极强的抑制能力、护壁防塌能力。

表2 螺杆钻具与钻头使用情况表

三开本段钻井液为聚胺防塌钻井液，使用土粉、纯碱、K-1、FA367 淀粉、低粘、超细、絮凝剂、聚铵抑制剂、重晶石等配制钻井液。钻进中使用低粘、淀粉、絮凝剂、K-1、降低钻井液滤失量在8mL 以下，粘度40～70s，粘切较高时，使用铵盐配置胶液稀释。加强坐岗，勤测性能，观察井下及震动筛返砂情况，及时调整钻井液性能。出现掉块及垮塌现象时，及时逐步调整钻井液密度及粘度，稳定井壁。取芯钻进过程中，严格控制钻井液处理剂的加药速度及加量、维护补充钻井液采用循环周等浓度法，做到细水长流，避免钻井液性能有较大的波动而影响取芯钻进。其性能指标见表3。

4 结论

表3 钻井液性能参数表

湘西北页岩气钻井中存在着施工周期长和机械钻速低的问题，在钻前开展优化钻井设计，在钻井中利用高转速的螺杆开展复合钻井和防斜打直，确保井身质量、提高钻井效率、缩短钻井周期。

(1)钻前通过对邻井资料的研究，建立地层压力系统，确定好地质必封点，合理井身结构设计。

(2)优选钻头是提速的强有力的措施，针对白云岩含量较高的层段，容易造成PDC 钻头的早期崩片，需要提高PDC钻头复合片的抗冲击性能。

(3)对于螺杆的选用，需要对螺杆所需的排量、扭矩、转速、寿命等指标进行充分的调研，确保螺杆的合理使用。使用“高效钻头＋螺杆”复合钻井方式，起到防斜打直、打快作用，提高钻井效率，降低页岩气钻井成本。

(4)优化钻井液性能可提高与地层配伍性，降低摩擦阻力，有利于携带岩屑，保持井壁稳定性。为保护储层全井实行近平衡压力钻井，解放了机械钻速。导管和上部井漏段采用清水钻进，深部使用抑制性冲洗液体系，解决了泥页岩地层井壁稳定性问题，满足了测井对井眼的要求。

(5)湘临地1 井是整个湖南地区施工最深的页岩气井，完钻井深3450m，平均机械钻速2.74m/h。整体钻井工程质量优秀、井身质量、固井质量、取芯质量等各项数据指标均优于设计和规范。