张页1 井钻成井施工技术

王海涛

（河北省煤田四队，河北 张家口 075100）

页岩气作为重要的战略能源、清洁能源，越来越得到国家重视，页岩气的勘探开发利用有利缓解煤炭产能减少、农村地区煤改气等原因造成的能源短缺问题，对环境治理、经济社会稳定具有重要意义[1]。

张家口地处北京西部，为首都“西大门”，张页1 井的开发与利用对治理大气污染，改善京张生态环境，缓解日益严重的资源问题具有重要意义，是服务北京，建设京张生态涵养圈的重要体现。

河北省张宣地区东部下花园组和下马岭组2 套地层分布较广、厚度较大、盖层条件有利于页岩气的储藏。其中下花园组泥岩和煤层交互沉积，赋存煤层气和致密砂岩气，具有较好的资源潜力。

1 工作区概况

1.1 地理位置

工作区交通位置如图1 所示。

图1 交通位置图

工作区位于张家口市宣化区东南下花园一带，区内有宣东一井、宣东二号煤矿、段家堡煤炭预查区、宣东煤矿南部外围预查区、黑黛山煤炭普查区，总面积约590 km2。

工作区西部为宣西煤炭预查区，南部有下花园煤矿、玉带山煤矿、前山井、鸡鸣山井、鸡鸣驿矿、怀来矿业有限公司，东部外围有艾家沟煤矿、水窑沟一井、于洪寺煤矿一井等煤矿。

1.2 地层概况

本区大地构造位置处于中朝准地台（I）、燕山沉陷带（Ⅱ）、冀西陷褶断束（Ⅲ）、宣龙复向斜（Ⅳ）、宣后向斜（Ⅴ）的中央部位。宣后向斜以其宽缓的褶皱和四周太古界及元古界地层大片出露为特征，并被其外围的大河南—大海坨断裂、水泉—洗马林断裂、黄羊山—鸡鸣山逆掩断层带（推覆构造）和怀来—宣化断裂所围割。

工作区发育的地层由老至新为：青白口系下马岭组（Qbx），侏罗系下统南大岭组（J1n），下—中统下花园组（J1-2x）、九龙山组（J2j）、髫髻山组（J2t）、后城组（J2h）及第四系（Q）。地层简图如图2 所示。

图2 地层简图

1.3 地层压力

本井地层孔隙压力梯度当量密度1.0 0 ～1.05 g/cm3，破裂压力梯度当量密度1.35～1.60 g/cm3，坍塌压力梯度当量密度小于0.80 g/cm3。

2 质量要求

第四系不取心，见基岩取心判断层位，非煤系分段取心和岩屑录井，即钻进50 m，取心2～3 m，岩心采取率大于等于80%。下花园组和下马岭组全部取心，岩心直径大于等于58 mm，煤层长度采取率大于等于90%，质量采取率大于等于75%，目标层岩心采取率大于等于90%，同时，减少岩心在井内滞留时间，以防止岩心污染和岩心损失，取心后应尽快进行取样试验和现场气体分析。井径扩大率小于10%，井斜角度小于等于2°，全角变化率小于等于1.5°/30 m。

3 井身结构

3.1 一开及表层套管

一开用Φ311 mm 钻头，钻穿第四系，进入九龙山组基岩稳定地层，下入Φ244.5 mm 表层套管，套管下深99 m，采用G 级水泥固井，水泥浆返至地面。

3.2 二开及生产套管

二开用Φ215.9 mm 钻头，钻穿下马岭组完钻。下入Φ139.7 mm 套管完井，套管下深1 599 m，固井水泥浆返至地面。井身结构件如图3 所示。

图3 井身结构示意图

4 钻井工艺

4.1 设备选型

根据设计井深及钻机性能参数，本井设计选用GZ-2600 钻机。要求动力设备使用网电进行清洁化生产施工，要求至少配备2 台满足钻井液体系和施工泵压的钻井泵，配备满足钻井施工处理要求的钻井液回收装置[2]。钻井主要设备如表1 所示。

表1 钻井主要设备表

4.2 钻具组合

本井对于井斜质量要求较高，故采用塔式钻具组合进行施工，如表2 所示。

表2 钻具组合设计表

4.3 钻头选型与钻进参数

钻头选型与钻进参数选用主要依据地层岩性及宣东煤田勘查3-18、3-19、4-18、4-19 钻孔实钻资料确定。具体设计如表3 所示。

表3 钻头选型及钻井参数设计表

4.4 取心钻具及参数

取心工具表如表4 所示。取心钻具组合及参数表如表5 所示。

表4 取心工具表

表5 取心钻具组合及参数表

4.5 钻井液体系

本井依据地层岩性剖面、地压预测及井身结构设计等，分段选择钻井液体系，配方如表6 所示[3-5]。

表6 分段钻井液体系配方

4.6 成井

本井套管选型及下深依据页岩气井射孔、压裂设计，详细数据如表7 所示。

表7 选用套管性能参数表

下套管后，注入前置液，注入设计要求的水泥浆，压入胶塞后进行替钻井液，碰压到位后凝48 h。注水泥前，采取堵漏方法提高裸眼承压能力，确保在不压塌、不漏失的基础上进行固井施工[6-7]。注水泥参数如表8 所示。

表8 注水泥参数表

5 施工难点及应对措施

5.1 地层取心难度大

该井二开后钻遇地层非常坚硬，研磨性强，可钻性差。砂岩以石英为主，质地坚硬，研磨性强，地层可钻性差。在钻孔过程中，钻具容易断裂[8]。采用常规单管取心施工时，钻进效率极低，约为0.5 m/h，提下钻也较频繁，辅助时间增长。后经过分析研判，决定采用大口径绳索取心钻进工艺，该工艺较常规工艺能够减少起下钻时间，增加纯钻时间，所以钻进效率较高，平均2 m/h。该工艺使用过程中应着重做好以下几点。

第一，选择符合要求的设备及工艺参数。本井采用WH-B 型绳索取心相关设备，如图4 所示，绳索取心钻具组合：Φ215.9 mm 钻头+绳索取心器+Φ127 mm钻杆。取心钻进参数如表9 所示。

表9 取心钻进推荐参数表

图4 绳索取心总成

第二，严禁带钻压启动转盘。使用井底动力时，严禁加压启动。取心时不准停泵，无特殊情况不准将钻头提离井底。取心钻进过程中，出现泵压骤降、扭矩增大等异常情况，需要及时提钻检查分析原因，采取有效的处理措施。取心钻进过程中，如遇取心堵塞、卡钻或研磨，应立即取心。割心时，缓慢上提钻具，注意观察指重表显示，视地层岩性及钻具规格，一般增加悬重50～300 kN 又立即消除，证明岩心被拔断。

第三，上提遇阻上下活动无效时，将内筒一起脱开，如不能脱开，则拉断打捞器的安全销，提出钢丝绳，将内外管一起提出。在提心过程，注意随时往井内灌注钻井循环介质，以保持井内压力和保证页岩气含量测定可靠性。

5.2 地层易漏失

本井在九龙山组凝灰岩、粉砂岩、角砾岩部（200—600 m）极易发生漏失。在钻遇漏层位前，调整钻井液性能，加入高粘堵漏剂3%～5%，提高其携岩能力与护壁堵漏能力，使其具有良好的流动性。钻进漏失地层时，采用低速、低泵压钻井，适当提高钻井液密度，在钻井液中加入1%～2%单封，快速钻过漏层[9]。尽量使用细目振动筛网（200 目），提高钻屑清除效率，降低固相含量和表观黏度。进入区域性或预测的漏失层位前，可加入随钻堵漏材料，换用较粗振动筛网，甚至短时间不过筛，力争实现即时封堵。在起下钻、开泵等过程中，要认真执行操作规程，减少压力波动，防止地层漏失[10]。

5.3 在750—940 m 有厚层状辉绿岩侵入体

结合宣东勘探区以往施工经验，该层辉绿岩段极易出现坍塌、掉块、岩屑上返困难等孔内复杂情况。所以施工中，在钻达该层后，通过增加钻井液密度，增加KPAM、KHm 的用量，以平衡地层压力，增加钻井液的携岩屑能力、防坍塌能力。

5.4 保护产层要求

产层段的破坏主要受以下几方面的影响：一是钻井液体系固相含量高，二是钻井液引起的页岩水化分解，三是固井水泥破坏产层[11]。所以在产层段钻进过程中，采用钾基钻井液体系（如表6 所示），以抑制页岩层段的水化；严格控制钻井液中的固相含量，每循环周密度增加幅度小于等于0.03 g/cm3，利用固控设备尽可能清除钻井液中的无用固相，保持钻井液的性能稳定；以优选钻头型号，提高钻速，降低非生产时间，缩短钻井液对气层的损害时间；严防井漏、井喷等复杂事故发生，减少漏失钻井液和井喷压井对油气层的伤害，提高操作水平，严格控制起下钻速度，防止压漏地层；提高目的层的钻井速度，合理安排完井各项工作，降低非生产时间，尽量缩短钻井液对气层的浸泡时间，降低对目的层的污染；套管固井时，要严格控制水泥浆失水，防止水泥浆漏失造成的环空窜槽伤害气层[12-13]。

6 主要成果及技术效果

使用dc 指数法、sigma 法、泥页岩密度法进行地层孔隙压力监测，并及时绘出dc-H 曲线，根据绘制的趋势线细致监测地层压力，结合实钻地层及钻效，随时调整钻井液密度，实现平衡钻进，确保安全钻进。

进行地层承压能力试验，试验目的是了解地层的承压能力，以便确定合适的钻井液密度，为防漏、防喷做技术准备。除特殊要求外，每次开钻在钻入新地层5～10 m 充分暴露后，对地层进行地漏试验，以了解套管鞋附近地层的承压能力，为后续钻进中钻井液密度的选取和平衡井内压力提供依据[14]。

采用大口径绳索取心工艺，实现了较大间段不提钻连续取心，显著降低钻进辅助时间，提高钻探效率。通过优化钻头选型，选择合理钻进参数，能够有效破碎硬岩。内管提升速度快，减少了目的层受污染时间，提高了所测数据的准确性，降低了频繁提下钻所引发的井漏等事故发生频率。

应用钾基钻井液体系，以保护储层、安全钻进为目的，既要做到保证井下安全，又要不压死油气层，通过测得的地层压力系数，及时调整钻井液性能，采用近平衡钻井技术，严格控制泥浆密度，减少泥浆浸泡时间，以减轻油气层的污染程度，更好地保护气层。抑制泥页岩遇水膨胀，严防井壁垮塌和扩径，为取全取准各项录井、测井资料打下了基础。

页岩气井各项指标均达到质量要求。完井测井结果显示，页岩气目的层和水泥封固段平均井径扩大率8%，井斜角度1.5°，全角变化率1.3°/30 m，目标层岩心采取率90%，均达到成井质量要求。完井井口安装了TF244.5×139.7-70 套管头，Φ139.7 mm 产层套管试压40 MPa[15]。

7 结束语

在张宣地区施工的第一口页岩气井，完成了钻探、取心、下管固井、完井等作业，配合了录井、测井、压裂工作，探明了当地地层岩性及埋藏构造，获取了地层岩性、岩相、含煤、含气等地质资料。应用了大口径绳索取心钻进技术，钾基聚合物钻井液体系，进一步提高了钻效，保护了目的层，建成了一口合格的页岩气参数井，对盘活当地经济区块，开发利用清洁能源具有重要意义。