黔北正安地区页岩气钻探工程难点与对策研究

2023-01-18王胜建迟焕鹏王都乐姜鹍鹏

地质与勘探 2023年1期

王胜建，迟焕鹏，庞飞，王都乐，周志，李龙，姜鹍鹏

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；2.中国地质调查局非常规油气工程技术中心，北京 100083；3.中国地质调查局，北京 100037；4.贵州页岩气勘探开发有限责任公司，贵州遵义 563499)

0 引言

近年来，随着我国南方地区页岩气勘探开发的不断投入以及技术的不断进步，四川盆地内页岩气产能逐年提高。截至2020年底，中石化和中石油在四川盆地累计生产页岩气总量超过700亿方(Zhen et al.,2020；Yang et al.,2021；邹才能等，2021；戴金星等，2021)，展示良好的勘探开发前景。而在四川盆地外围的贵州、湖北等复杂构造地区也相继获得了高产页岩气流(李博等，2016；翟刚毅等，2016；陈孝红等，2018；王朋飞等，2018；张君峰等，2019；王胜建等，2020)，为我国南方页岩气增储上产开辟了新地区和新层系，有力推进了地方页岩气产业发展。其中，中国地质调查局在贵州正安地区通过安页1井的部署实施，获得了多套地层的油气、页岩气的发现，石牛栏组通过压裂试气取得了10.22×104m3/d的高产天然气测试产量(翟刚毅等，2016，2017)，五峰组-龙马溪组现场解析含气量为1.00～2.36 m3/t，测录井综合解释I类页岩气厚度达18 m(葛明娜等，2019)。2017年，正安页岩气勘查区块探矿权由贵州产业投资(集团)有限责任公司竞得，对促进当地能源结构调整、服务当地社会经济发展具有重要的现实意义。

本次研究根据贵州正安地区的地质和构造条件，结合安页1井钻探过程中遇到的复杂问题，分析该地区钻井过程中遇到的主要难点和挑战，并研究提出解决措施和对策，以期提高该地区的钻井效率，加快该地区页岩气勘探开发和资源利用的步伐。

1 地质背景

贵州正安地区位于贵州省北部，紧邻涪陵、南川、武隆、彭水、綦江等重要的页岩气勘探开发地区。该地区构造上位于武陵褶皱带南部的安场向斜，北邻道真向斜。安场向斜由奥陶系封闭，总体由北东紧闭向南西撒开(雷子慧等，2016；贺永忠等，2020)。轴向北北东20°～30°，延伸长度约30 km，核部出露侏罗系-三叠系地层，翼部为志留系-奥陶系地层。地层自核部向两端均有扬起趋势，东翼岩层倾角相对较陡，倾角一般在50°左右；北西翼接近核部附近地层倾角一般在25°～35°，岩层倾角由核部向翼部由缓变陡；向斜南部宽缓、地层倾角为10°～25°；北部略收敛、紧闭，地层倾角为30°～60°。地区主要发育二叠系和志留系，如图1所示。

图1 安场向斜区域地质图Fig.1 Regional geological map of the Anchang syncline1-中下侏罗统；2-上三叠统；3-中下三叠统；4-下三叠统；5-二叠系-三叠系；6-二叠系阳新统-乐平统；7-二叠系船山统-阳新统；8-石炭系-二叠系；9-奥陶系-志留系文洛克统；10-寒武系；11-断层；12-井位1-Middle-Lower Jurassic;2-Upper Triassic;3-Middle-Lower Triassic;4-Lower Triassic;5-Triassic-Permian;6-Permian Yangxin-Leping Series;7-Permian Chuanshan-Yangxin Series;8-Carboniferous-Permian;9-Ordovician-Silurian Wenlockian Series;10-Cambrian;11-fault;12-well location

安页1井实钻井身结构及岩性柱状图如图2所示，该地区五峰组-龙马溪组为页岩气目的层，该组地层断层总体不发育，通过安页1井实钻资料，目的层上部地层由老至新依次发育下志留统新滩组、石牛栏组、韩家店组，二叠系梁山组、栖霞组、茅口组、合山组，三叠系夜郎组和嘉陵江组。

图2 安页1井实钻井身结构及地层岩性柱状图Fig.2 Actual drilling program and stratigraphic column of the well Anye-11-灰岩；2-泥质灰岩；3-灰质云岩；4-泥质粉砂岩；5-泥岩；6-页岩1-limestone;2-argillaceous limestone;3-limy dolomite;4-pelitic siltstone;5-mudstone;6-shale

2 主要钻井工程难点

2.1 井场选择受限

研究区位于贵州省正安县，地处云贵高原向湖南丘陵和四川盆地过渡的斜坡地带，属于典型的喀斯特地貌。从正安县地形地貌来看，安场向斜整体地形具有起伏大、高差大的特点，向斜东翼靠近端部地势陡峭，而核部地形则以低山、丘陵、盆坝为主，向斜西翼地形相对平坦开阔，总体为山地-河谷地形(韩强，2019)，相对平坦地带主要位于安场镇群众居住区，可供选择的井场主要位于农田、山坡处，因此井位选择受限、修建井场工作量大、成本较高。

2.2 井漏风险高

根据安场向斜安页1井的地质成果，表层地层为下三叠统嘉陵江组，岩性以灰岩为主，成分以方解石为主，泥质含量约占10%，易发生裂缝性漏失，甚至溶洞、暗河性漏失。安页1井在表层钻进过程中，钻进至21 m时，钻遇溶洞，钻井液失返，给钻井施工带来了极大挑战。

根据安页1井在石牛栏组和宝塔组所获取的岩心来看(图3)，两组地层均有一定程度的裂缝和方解石充填裂缝发育情况，且在三开井段石牛栏组、新滩组及四开井段宝塔组都有不同程度井漏，地层岩性主要为灰岩，其中井漏发生时所用的钻井液密度分别为2.15、2.27、1.89 g/cm3，累计漏失量124.53 m3钻井液。因此，石牛栏组、新滩组和宝塔组这三组地层在高钻井液密度下有发生裂缝性井漏的风险。

图3 岩心裂缝发育情况(左图为石牛栏组岩心，右图为宝塔组岩心)Fig.3 Fractures in cores(the left is from Shiniulan Formation,and the right is from Baota Formation)

2.3 地层倾角较大

根据安场向斜构造情况，向斜核部相对两翼较缓，向斜呈东南翼陡西北翼缓，向斜西北翼倾角在24°左右，东南翼在30°左右；且根据安页1井电阻率成像测井资料解释，石牛栏组至宝塔组的地层倾角在15°～30°之间，平均为20°左右。因此，根据上述构造分析和实钻资料解释，研究区地层倾角较大，地层的造斜能力强。如图4所示，安页1井在钻井过程中，从二开起，井身质量开始超标，钻至1100 m后，井斜和井底水平位移逐渐严重超标至难以控制。

图4 安页1井井身质量曲线Fig.4 Well quality of the well Anye-1

2.4 多套压力地层共存，存在井控风险

根据安场向斜安页1井钻探结果(地层压力监测结果如表1所示)，研究区所钻遇的地层存在多套压力系统。其中，在石牛栏组钻遇异常高压气层，为了压井，钻井液密度从1.20 g/cm3提高至2.00 g/cm3以上(如图5所示)，且压井过程中又发生井漏，上部的灰岩地层有发生漏失的风险，所以该研究区容易出现同裸眼井段多复杂情况并存、钻井液安全密度窗口窄的难题，易形成“既溢又漏”的复杂情况，井控风险较大。

表1 安页1井地层压力监测和实钻钻井液密度Table 1 Formation pressure coefficient and actual drilling fluid density of well Anye-1

图5 安页1井实钻和设计钻井液密度对比Fig.5 Comparison of designed and actual drilling fluid density for well Anye-1

3 技术对策及建议

3.1 井身结构设计

由于安页1井在志留系石牛栏组钻遇高压含气层，发生溢流，钻井液密度提至1.96 g/cm3后溢流才得以压稳，而在石牛栏组在采用2.15 g/cm3密度的钻井液压井时发生了渗漏。因此，为了井控安全，安页1井在钻穿石牛栏组进入新滩组后采取了下套管中完作业。

为应对石牛栏组中下部可能钻遇高压含气层的风险，需要对勘探开发过程中所部署的导眼井、水平井的井身结构进行合理设计，在保证井控安全的前提下实现快速钻进。根据所揭示的地层情况及安页1井的实钻情况，对导眼井及水平井井身结构进行设计，如图6和表2所示。三开若钻导眼井，则钻完导眼井后裸眼打水泥塞，根据导眼井所钻地层情况优化设计侧钻水平井井眼轨迹；三开若直接钻水平井，则可从韩家店组下部或石牛栏组上部地层造斜钻进。

图6 设计井身结构示意图Fig.6 Schematic diagram of the well design

表2 井身结构设计方案Table 2 Well program design

3.2 清水钻井技术

清水钻井技术具有成本低、钻速快的优点，在水源充足的情况下可以有效应对地表溶洞、暗河、大裂缝地层发生的井漏，而且不存在环境污染(周贤海，2013；刘少胡等2016；潘军等，2018)。安场向斜表层钻遇地层稳定性较好，不易垮塌，且地层压力较清楚，因此，采用清水钻井既能克服可能出现的失返性漏失难题，又可以获得较高的钻井速度，降低钻井成本，经济性与安全环保性可靠。

清水钻井的主要技术要求：(1)排量选择上限值以提高携岩能力；(2)加强固控设备使用，控制钻井液密度不超过1.05 g/cm3，防止形成“大肚子”井眼、沉砂卡钻等问题；(3)储备一定量的稠浆或常规钻井液以应对可能发生的井下复杂情况；(4)注意观察分析岩屑粒度和返量，判断井壁稳定性；(5)钻完进尺后要大排量循环，无沉砂方可起钻下套管。

3.3 气体钻井技术

安场向斜所在的贵州正安地区地表以喀斯特地貌为主，在表层钻井过程中容易钻到溶洞暗河和大型裂缝，造成恶性漏失的复杂情况。如果钻井水源补给不足，无法实施清水强钻的情况下，可以采用空气钻井来克服常规钻井液钻井面对的不利因素，实现安全快速钻井，且有利于保证井身质量。空气作为循环介质，具有取之不尽的特点，可以较容易地穿过恶性漏失的地层，而且对地表地层无污染，尤其适合在缺水干旱地区使用，以消除钻井水源的制约(Wu et al.,2020；迟焕鹏等，2021)。

安页1井在表层应用空气钻井成功应对表层钻遇的大型溶洞，随后地层出水后改用雾化空气钻井，总共完成表层1100 m进尺的钻井，机械钻速6.6 m/h，实现了预期钻井效果。因此，在水源不足的情况下，在安场向斜可以利用空气钻井、雾化空气钻井或空气泡沫钻井等气体钻井技术来应对恶性漏失地层和提高机械钻速。

3.4 上部地层防斜打直对策

(1)PDC+螺杆钟摆钻具

采用钟摆钻具组合可以起到较好的防斜、纠斜效果。为了减小无法充分释放钻压带来的钻速影响，可以采用PDC+螺杆钻井方式来弥补钟摆钻具所牺牲的钻速。

(2)空气锤钻井技术

空气锤钻井由于钻压较小，可以有效降低井斜。而且，采用空气锤钻井技术(Luo et al.,2016)，在有利于防斜的同时，由于空气锤对井底地层的高频冲击，还可以实现快速钻进。

3.5 防漏堵漏技术措施

针对井漏要坚持预防为主、防堵结合的原则，尽量避免钻井主观因素导致的井漏。在钻井过程中发生漏失后，除了可以采取清水钻进、气体钻井外，还可以根据现场条件和地层漏失情况，采取堵漏浆堵漏、注水泥塞堵漏、随钻堵漏等方法。

3.5.1 井漏预防技术

(1)地面溶洞探测技术

为预防表层出现由于大的裂缝、溶洞造成的恶性漏失，通过在设计井位所在区域开展物探工作，对1000 m以浅的主要地质结构、构造和岩溶地质特征进行探测(Saddek et al.,2019)，识别可能存在的构造异常和溶洞，降低恶性漏失风险。

(2)井漏预防技术措施

在保证井壁稳定的前提下，一方面应尽量选用低密度、低滤失、强抑制、强封堵性能的钻井液体系，优化流变性能，降低循环压耗，减小井底压差；另一方面优化钻井参数，精细化钻井操作，尽量减小抽吸和激动压力。

打完导眼建立井口后，在五峰组-龙马溪组以上各地层钻进时，储备好清水和堵漏材料，钻至发生漏失地层前进行防漏预处理，加入随钻堵漏剂进行防漏，尤其是微裂缝较发育的地层。

3.5.2 复合堵漏技术

根据安页1井的堵漏施工经验，在该地区钻井发生井漏采取堵漏浆堵漏即可取得良好效果。

如果漏速较小(<10 m3/h)，则可加入较低浓度(10%以内)的随钻堵漏剂或单向压力封闭剂，实施随钻堵漏。如果漏速在10 m3/h以上，则根据漏失量使用粗中细三种颗粒的复合堵漏剂和核桃壳、云母片、纤维、随钻堵漏剂等确定复合堵漏浆配方，堵漏浆浓度一般在15%～40%，还可以采取注入快干水泥的办法进行堵漏。漏速在50 m3/h以内采用原钻具堵漏，如果漏速大于50 m3/h，需要起钻换光钻杆钻具组合堵漏。

3.6 “井工厂”钻井技术

针对该地区井位选择受限、修建井场工作量大的问题，可以借鉴山地“井工厂”钻井工程技术和作业模式(Brian and Shapour,2013；张金成等，2016)，如图7所示，因地制宜，进行井场布局及地面设备设施优化，根据地表地下地质情况，探索井眼轨道优化设计方案，从而减小占地面积，降低钻前施工工作量，最大程度地开发动用页岩气资源，实现降本增效的目的。

图7 “井工厂”钻井技术轨道设计和布井方案示意图(张金成等，2016)Fig.7 Schematic diagram of well trajectory and well program in multi-well pad drilling technology(after Zhang et al.,2016)