广西柳州页岩气东塘1井成膜防塌无固相冲洗液现场研究及应用

李明星 谈 珂 聂 三

（广西壮族自治区第四地质队，广西 南宁 530000）

0 概述

东塘1井是《广西柳州地区1∶5万页岩气地质调查》项目部署的页岩气调查井，该井设计为直井，设计完井井深931m，实际完井深度1224.65m，勘探层位为下石炭统罗城组、鹿寨组。东塘1井的钻探目的是为了进一步研究并获取柳州东部地区下石炭统鹿寨组页岩气成藏的地质条件，具体如下。调查柳州东部地区早石炭世中早期台沟相、潮坪-沼泽相等沉积相内部富有机质泥页岩的发育情况，研究富有机质层段的页岩气成藏的地质条件；查明柳州东部地区下石炭统鹿寨组的岩性、沉积相及富有机质有效泥（页）厚度，获取富有机质泥页岩段的页岩气相关参数。

1 地质构造

工作区位于桂中坳陷的东部，主要分布有海西—印支期构造层，遍布整个研究区，主要由泥盆系、石炭系、二叠系及下三叠统组成，发育近南北向、北东向组为主的褶皱、断裂发育。褶皱形态宽缓开阔，断裂多具多期次活动特征。

研究区的构造演化可分为3个阶段，先后经历了裂谷海槽演化阶段、大陆形成阶段及滨太平洋大陆边缘活动带发展阶段；时间上可划分雪峰—加里东构造旋回、海西构造旋回、印支构造旋回、阿尔卑斯构造旋回（包括燕山构造旋回及喜山构造旋回）。

研究区受到燕山期、喜山期构造运动的影响，石炭系以上地层受到强烈的剥蚀，在研究区内出露的地层以泥盆、石炭系地层为主。本年度调查的目的层为下石炭统鹿寨组（C1lz）、寺门组（C1s）、英塘组（C1yt），兼顾中下泥盆统东岗岭组（D2d）、四排组（D1-2s）、郁江组（D1y）地层。

2 地层简介

通过钻探实钻地层划分，本井钻遇地层有：第四系；石炭系罗城组（C1l），鹿寨组三段（C1lz3）未穿，见表1。

东塘1井孔深0m～3.50m为第四系浮土层；3.50m～53.40m为下石碳统罗城组的生物碎屑灰岩、灰岩夹黑色薄层状泥岩、灰岩；53.40m～256.50m为下石碳统鹿寨组三段的钙质泥岩、黑色泥岩、生物碎屑灰岩夹黑色薄层泥岩、黑色泥岩夹粉砂岩。

3 钻井设备

该项目为页岩气调查井项目，设计钻孔深度为东塘1井931m。因实际地层和设计地层有出入或地质情况出现变化，有可能要求加深钻井深度。投入HXY-8B立轴式钻机一台套，主要钻井设备见表2。

4 井身结构设计

4.1 井身结构设计原则

井身结构设计便于钻井、完井的施工，以满足获取参数的需要；有效保护目的层位，使目的层位免受钻井液的伤害；钻井过程中避免漏、溢、涌、喷、塌、卡等井下复杂情况的发生；在保证钻井质量和保障安全前提下，尽可能简化井身结构，降低钻井成本。满足降低钻井液环空压力损失要求。

4.2 井身结构

根据工作区地质特征及地质调查井工程质量要求，结合以往类似地层的施工经验，采用四开井身结构（套管回收），具体方案如下。一开：Φ170mm口径，孔深6.20m，下Φ168mm×7套管6.50m，水泥固井。二开：Φ145mm口径，孔深77.60m，下Φ139.7mm×6.35套管75.00m，不固井。三开：Φ122mm口径，孔深355.80m，下Φ114.3mm×6.35套管354.00m，套管底部水泥固井。四开：Φ99mm口径，钻进孔深982.00m，下Φ89mm×4.5反丝套管到982m，套管底部水泥固井。五开：Φ78mm口径，裸孔钻进孔深1224.65m。

5 分层钻进技术

根据岩层情况及井身结构要求，选用的钻井方法及钻具如下。

5.1 开孔钻进

采用Φ170mm口径钻进，并穿过亚砂土层、伸入相对完整的灰岩1m～2m。砂质黏土层采用Φ170mm合金单管钻具钻进；灰岩采用金刚石钻头钻进。

5.2 裂隙、溶洞漏失层钻进

采用SYZX-122绳索取心液动锤钻具顶漏钻进。钻遇裂隙或溶洞漏失的罗城组灰岩时，采用Φ139.7mm×6.35套管跟管钻进，钻穿漏失层；如钻遇罗城组灰岩漏失层较厚，跟管能力不足，则采用JS122绳索取心钻具顶漏钻进，钻穿罗城组灰岩，采用Φ122mm扩Φ145mm前导向扩孔钻具扩孔，再下入Φ139.7mm×6.35套管，隔离漏失层。

5.3 新鲜基岩层钻进

用JS122绳索取心钻具钻进至鹿寨组三段的石英砂岩，孔深250m～300m（具体深度视实际情况而定）；以下孔段则采用SYZX-96绳索取心液动锤钻具钻进至终孔。

5.4 破碎、取心难地层钻进

采用绳索取心液动锤喷反钻具、底喷隔水孕镶金刚石钻头配合爪卡簧钻进。

6 优选钻井液

6.1 钻井液选择原则

钻井液要求低失水、低固相、低摩阻、携带及悬浮钻屑能力强、防气侵能力强、抑制性能强，防止井壁坍塌；钻井液不能影响荧光录井；做到含气层保护、环境保护、钻井安全的统一；尽可能减少钻井液对机械、钻杆和套管产生的腐蚀；金刚石绳索取心钻进钻杆与井壁的间隙小，环空流速高，压力损失大，钻杆内通径大、流速低，要求钻井液须有良好的流变性，防止钻杆内壁结垢、诱发钻孔漏失。

6.2 冲洗液配方浸泡试验对比

根据在用泥浆体系，选择出2种冲洗液配方进行浸泡试验对比，岩心样品如图1所示。

对岩心1进行了浸泡试验，配制的冲洗液配方见表3；冲洗液性能见表4，浸泡试验情况如图2、图3所示。

由表3、表4、图2及图3可以看出，2#冲洗液（成膜防塌无固相冲洗液）配方岩心浸泡试验效果显著。

6.3 现场应用分析

东塘1井于2016年9月5日开始，在256.50m～982.00m孔段，首次应用成膜防塌无固相冲洗液钻进。钻遇地层为下石碳统鹿寨组三段的钙质泥岩、黑色泥岩、生物碎屑灰岩夹黑色薄层泥岩、黑色泥岩夹粉砂岩。部份鹿寨组三段地层极破碎，黑色泥岩为水敏、破碎不稳定地层，如图4所示。

图1 岩心样品图

图2 1#冲洗液配方浸泡试验情况

表1 东塘1井地层分层数据表

表2 投入的主要钻井设备一览表

表3 配制冲洗液配方表

表4 配制冲洗液配方性能表

该套冲洗液为根据该公司东塘1井的岩心，进行浸泡试验，最终对比分析后提供的冲洗液配比，对页岩气施工中的泥页岩地层有较好的抑制性能。

但根据东塘1井982m前施工经验，存在以下缺点及不足：该冲洗液维护较困难，泥岩中钻进，岩屑中的高岭石、绿泥石、伊利石等成分会分散并进入冲洗液体系，导致无法沉淀及分离，最终使冲洗液黏度及相对密度越来越大，成膜效果越来越差，失水量越来越高，并且绳索取芯内管打捞筒投放、打捞困难，严重影响施工进度，拖延工期。

6.4 改良冲洗液配比

因烧碱含钠离子，起水化分散作用，不利于絮凝钻屑，是冲洗液黏度增高的原因之一，采用氢氧化钾代替烧碱，调节冲洗液的pH值；并把增黏剂GTQ的用量降低；配制成膜防塌体系基浆：清水+0.2%氢氧化钾+5%成膜体系A剂+5%成膜体系B剂+0.2%包被剂BBJ+1%防塌润滑剂GFT+1%封堵剂GFD-1，采用不同加量的增黏剂GTQ，成膜防塌休系无固相冲洗液试验成果见表5。

委托北京探矿工程研究所，对成膜防塌无固相冲洗液和PVA1788成膜体系无固相冲洗液进行对比试验。冲洗液配比见表6，冲洗液性能试验成果见表7，岩样浸泡试验成果如图6、图7所示。

根据岩样浸泡试验成果，成膜防塌无固相冲洗液的抑制性能、维持孔壁稳定的能力，比PVA1788成膜体系无固相冲洗液强，更适用于深孔特别复杂地层钻进。

图3 2#冲洗液配方浸泡试验情况

图4 东塘1井140～142回次孔深333.90m～339.40m岩心图片

后期经过摸索后，对该套冲洗液进行了适当调整，操作如下。①使用孔段：256.5m～1224.65m。②成膜防塌无固相钻井液配比（优化后）。具体为清水+0.1%～0.2%氢氧化钾+5%成膜体系A剂+5%成膜体系B剂+0.5%～0.8%聚乙烯醇（PVA1788）+0.1～0.2%包被剂BBJ+0.5%～1%防塌润滑剂GFT+0.2%～0.4%增黏剂GTQ+1%～2.5%封堵剂GFD-1+0.5%～1%无荧光润滑剂（GLUB）。③配浆方法。第一步在清水中加入氢氧化钾，待其溶解后加入成膜体系A剂和B剂搅拌5min～10min。第二步加入聚乙烯醇（PVA1788）、增黏剂GTQ、防塌润滑剂、GFD-1搅拌15min左右；第三步加入包被剂搅拌10min～20min，待材料充分溶解后即可使用。

表5 成膜防塌休系无固相冲洗液现场试验成果表

表6 配制冲洗液配方表

表7 配制冲洗液配方性能表

6.5 应用及效果

现场冲洗液配制及性能调节维护要求如下。①每配制1000L新浆加量：清水1000L+2kg氢氧化钾+50kg成膜体系A剂+50kg成膜体系B剂+5kg～8kg聚乙烯醇（PVA1788）+2kg包被剂BBJ+10kg防塌润滑剂GFT+4kg增黏剂GTQ+10kg封堵剂GFD-1+5kg～10kg无荧光润滑剂（GLUB）。相对密度1.06～1.08，塑性黏度PV：5mPa·s～8mPa·s，API滤失量6mL～10mL，pH值：10～12。②控制API滤失量6mL～10mL，每搅拌400L原浆加量，原浆400L+8.5kg成膜A剂+8.5kg成膜B剂+2～3kg聚乙烯醇（PVA1788）+0.8kg包被剂BBJ+4kg防塌润滑剂GFT+4kg封堵剂GFD-1。待搅拌机中的原浆与加入的泥浆处理剂搅拌均匀后，倒入泥浆池中再人工搅拌均匀，直到泥浆池中的浆液API滤失量达6mL～10mL。③控制固相含量及浆液相对密度1.06～1.10，每搅拌400L原浆加量，原浆400L+0.8kg包被剂BBJ。

图6 1#冲洗液配方浸泡试验情况

图7 2#冲洗液配方浸泡试验情况

待搅拌机中的原浆与加入的泥浆处理剂搅拌均匀后，倒入泥浆池中再人工搅拌均匀，每班酌情添加，但必须控制泥浆池中的浆液塑性黏度不得增加大于0.5mPa·s。④控制pH值10～12，每搅拌400L原浆加量，原浆400L+0.8kg氢氧化钾。待搅拌机中的原浆与加入的泥浆处理剂搅拌均匀后，倒入泥浆池中再人工搅拌均匀，直到泥浆池中的浆液pH值达10～12。⑤地层漏水或地层破碎时，封堵裂隙，每搅拌400L原浆加量，原浆400L+4kg～10kg封堵剂GFD-1。待搅拌机中的原浆与加入的泥浆处理剂搅拌均匀后，倒入泥浆池中再人工搅拌均匀，漏失解除后，每班酌情添加。⑥提高塑性黏度至5mPa·s～8mPa·s，每搅拌400L原浆加量，原浆400L+1.6kg增黏剂GTQ。待搅拌机中的原浆与加入的泥浆处理剂搅拌均匀后，倒入泥浆池中再人工搅拌均匀，直到泥浆池中的浆液塑性黏度达5mPa·s～8mPa·s。⑦提高冲洗液润滑性能，每调节1000L原浆加量，原浆1000L+5～10kg高效润滑剂GLUB。从钻杆内加入，每班酌情添加。通过优化，该冲洗液维护相对方便，具有高效的润滑性能，较强的抑制性、护壁性能，并且绳索取芯内管打捞筒能够轻松投放，未出现取芯内管打捞及投放困难现象。

7 结语

东塘1井钻孔开孔口径为170mm，终孔孔径为77mm。全孔岩心平均采取率为98.82%，岩矿心的采取率较高，孔深孔斜无超差，简易水文测量达到要求，封孔质量较好，钻探工程各项指标质量满足要求。设计完井井深931m，后因地质原因，要求钻井加深，实际完井深度1224.65m，使用优化后的成膜防塌无固相冲洗液后，东塘1井得以顺利完钻，达到了预期的钻井目的。