下扬子地区望江坳陷页岩气地质调查皖望地4 井钻井技术

欧阳志勇，徐军军*，张培丰，赵志涛，石砥石，徐秋晨，戚 钢

（1.北京探矿工程研究所，北京 100083； 2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；3.山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛 266427）

0 引言

天然气是一种高效洁净环保的优质能源资源，已成为当今油气工业主要勘探领域。作为一种重要的非常规天然气资源，页岩气的勘探与开发研究受到了广泛关注。我国上扬子地区页岩气勘探取得进展和突破，主要包括四川盆地奥陶系五峰组-志留系龙马溪组，鄂西地区三叠系嘉陵江组-大冶组、二叠系龙潭组-孤峰组。同属扬子地块的下扬子地区，发育有多套厚层富有机质页岩，页岩气勘探开发目前还未取得明显突破［1-5］。

皖望地4 井是中国地质调查局在下扬子盆地安徽省望江县布置的一口大口径地质调查井，通过钻探工程的实施，获取岩心岩屑实物和钻井、测井、录井等相关数据资料，查明地层层序、验证地球物理信息，为评价油气资源潜力和资源勘查开发建设提供必要的科学依据和数据支撑。

1 地质概况

皖望地4 井位于安徽省望江县雷池乡，构造属于下扬子盆地望江坳陷江南斜坡带［3］。通过本井钻探工作，获取岩心岩屑实物资料和测录井数据信息，揭示望江坳陷白垩系-二叠系地层序列，标定已有地球物理资料，深化区域构造演化认识，有利于油气资源潜力评价。

1.1 区域构造及特征

下扬子望江坳陷处于望江-无为对冲带，构造相对稳定，油气资源潜力好。通过对地质地球物理剖面分析，该区处于江南隆起向望江坳陷过渡的冲断抬升带，发育印支期形成的断层相关褶皱，为构造相对稳定单元，对页岩气保存有利，主要目的层埋藏深度适中，适合探索三叠系周冲村组常规油气及二叠系页岩气［2］。

1.2 钻遇地层

皖望地4 井实际钻遇上部地层有2 处逆断层，出现地层重复，下部地层层序正常，与设计基本一致，如表1 所示。钻遇地层依次为第四系，新近系，古近系，白垩系赤山组，三叠系黄马青组、周冲村组，二叠系吴家坪组，三叠系周冲村组、南陵湖组、和龙山组，二叠系吴家坪组，三叠系和龙山组、殷坑组，二叠系大隆组、龙潭组（吴家坪组、武穴组）、孤峰组、栖霞组。

表1 皖望地4 井钻遇地层情况Table 1 Lithology drilled by Well Wanwangdi-4

2 钻探工程实施

2.1 井身质量要求

皖望地4 井井身质量执行《钻井井身质量控制规范》（SY/T 5088-2017）［6］，具体要求如下：

（1）全井段最大井斜≯6°，全角变化率＜3°/30 m。

（2）井底水平位移≯50 m。

（3）目的层平均井径扩大率≤20%。

（4）完钻直径215.9 mm，为应对钻井复杂情况，预留一级152.4 mm 直径裸眼终孔。

2.2 井身结构

根据地质设计和区域资料，由于望江-无为对冲带存在三叠系膏岩层，2019 年皖为页1 井钻遇膏岩层时见高压地层，含有高浓度的硫化氢气体，本次钻井应引起高度重视并采取防范措施；三叠系灰岩地层局部可能比较破碎，裂隙、孔洞发育，钻井过程中注意防漏［7-9］。皖望地4 井井身结构设计如下。

导管段，选用Ø660.4 mm 钻头，钻进至60 m，入新近系稳定岩层，下入Ø508 mm 套管固井；封隔松散表、土层系，建立钻井液循环。

一开拟选用Ø444.5 mm 钻头钻穿新近系和古近系，进白垩系赤山组，至260 m，下入Ø339.7 mm表层套管固井，水泥浆返至地面。

二开选用Ø311.2 mm 钻头钻穿白垩系，三叠系黄马青组、周冲村组、南陵湖组与和龙山组，进三叠系殷坑组，至2000 m（视情况可提前），下入Ø244.5 mm 技术套管固井，水泥浆返至地面。

三开选用Ø215.9 mm 钻头钻进至2500 m 完钻，钻遇三叠系殷坑组，二叠系大隆组、龙潭组、孤峰组、栖霞组，裸眼测井完钻。

钻探实施过程中，自1009 m 进入三叠系周冲村组，由于地层挤压逆冲，钻遇砂泥岩、灰岩、砾石互层，特别是一直伴有厚薄不均的石膏层间断出现，造成钻井液钙侵，钻井液滤失量增大、粘切快速增高（45 s 增至200 s），流动性变差，井内缩径、坍塌、漏失均有显现，但并未出现严重漏失现象。

根据实钻地层和施工情况安排，导管段采用Ø 660.4 mm 钻头钻至64.10 m，Ø508 mm 套管下深63.10 m，一开采用Ø444.5 mm 钻头钻至308.44 m，Ø339.7 mm 套管下深307.36 m，二开采用Ø311.2 mm 钻头钻至1601.5 m，Ø244.5 mm 套管下深1599.85 m，各开次固井顺利，质量合格，三开采用Ø 215.9 mm 钻头钻至2503.90 m，裸眼终孔。实钻井身结构如图1 所示。

图1 实钻井身结构Fig.1 Actual wellbore structure diagram

2.3 钻探设备

本井设计井深2500 m，终孔直径≮215.9 mm，根据钻机设备负荷能力及满足井深需要，选择ZJ30钻机，为保障项目顺利实施，同时配套2 台套YX3NB-1300A 泥浆泵配套设备，主要钻井设备见表2。

表2 主要钻井设备Table 2 Main drilling equipment

2.4 钻具组合

皖望地4 井各开次钻具组合见表3。

表3 钻具组合Table 3 Drilling assembly

2.5 各开次施工情况

2.5.1 一开钻井

一开钻进井径Ø444.5 mm，井段0～308.44 m。地层为新近系、白垩系含砾，主要以打直、防塌为主。选用Ø444.5 mm 钢齿牙轮钻头，采用双泵大排量、轻压慢转。打完钻铤后再接钻杆，未出现表土层坍塌、漏失、孔斜超标等现象。

钻进中，提高钻井液排量带砂，钻完立柱后循环泥浆充分携砂后再接立柱作业；钻至一开完钻井深后，调整维护钻井液粘度，充分循环后静止探底，确保无沉砂，对全井段进行封闭，为套管一次下入成功打下基础。

2.5.2 二开钻井

二开钻进井径Ø311.2 mm，井段308.44～1601.50 m。

该井段钻遇地层多，复杂情况多。周冲村组角砾岩和南陵湖组灰岩地层可钻性极差，裂缝发育充填硬度高的石英脉，跳钻严重，地层倾角大、井斜控制困难，同时钻头磨损严重，频繁起下钻换钻头，施工效率低。周冲村组含石膏地层，泥浆粘度增长太快，造成泥浆流变性能差，泵压不稳。

（1）二开地层主要使用塔式稳斜钻具组合，解决跳钻，控制井斜；每100 m 单点测斜，为保证下套管固井顺利，将井斜控制在2°以内，加密直井段测斜，为后期施工做好准备；针对白垩系软地层，可采用直螺杆复合钻进，增加钻铤重量，控制钻压、提高转速、提高排量，做到提前控制井斜。

（2）针对角砾岩、灰岩可钻性差的问题，优化钻头选型，避免频繁起下钻。

（3）针对可能出现的石膏层和硫化氢危害，采用防钙侵防H2S 的钙基钻井液，添加除硫剂，避免在周冲村组含石膏地层大排量定点循环，提高钻井液稳定性，提前准备好堵漏材料，防止灰岩地层漏失。

2.5.3 三开钻井

三开钻进井径Ø215.9 mm，井段1601.5～2500 m。

出二开套管后，南陵湖组灰色灰岩、灰色泥质灰岩、灰黑色泥岩地层使用高速牙轮配合螺杆复合钻进，机械钻速显著提高。三开钻进中，地层研磨性较强，可选用球形齿的牙轮钻头，防止掉、断齿，延长钻头使用寿命，缩短起下钻频次。

由于地层裂缝发育且倾角较大，特别是间断取心后，宜控压吊打，防止形成增斜趋势。三开至井深2019.52 m，单点测斜井斜增大，后下MWD 纠斜稳斜。

钻进中如机械钻速低，需加强监测和优化泥浆性能，有效携砂，改善井底环境，减少重复破碎。钻进至下部泥页岩地层，在泥浆性能稳定的条件下，出现掉块现象，提高泥浆密度至1.15 g/cm3后，地层相对稳定，无掉块发生。

3 钻探工艺技术分析

3.1 钻探施工进度

皖望地4 井施工进度见表4。

表4 钻井施工进度Table 4 Drilling progress

望江区域油气井施工较少，地层复杂多变，本井在钻探工艺、钻头及钻具选择和三开井段取心上耗时较多，但整体施工进度较计划提前，后续类似区域施工可优选钻头和动力钻具组合，匹配合适的钻探工艺措施，提高钻探效率和质量。

3.2 钻探工艺技术

3.2.1 各开次钻头选型

皖望地4 井上部含砾石层，中下部有逆断层，部分岩心如图2 所示，地层岩性复杂，含砾层，软硬互层，倾角大，造成钻头选型的困难，提下钻次数较多。针对复杂情况，优化钻头切削具组合和结构设计，匹配合适钻进参数和孔底动力钻具，保证钻探效率［10-13］。

图2 皖望地4 井部分岩心照片Fig.2 Partial cores from Well Wanwagndi-4

（1）一开钻头易泥包，选用HJT517 牙轮钻头，机械钻速5.19 m/h，选用合适的水眼组合以保证足够的钻头水功率，提高破岩能力和携砂能力。

（2）二开上部新进系、白垩系地层含砾石，在钻进中始终有不同程度的跳钻现象，选用HJT517 牙轮钻头，加强保径，保证了井眼规则，大直径偏顶勺形内排齿，楔形外排齿，在钻进中采用低转速55～56 r/min，钻压40～60 kN，提高了单只钻头的进尺，延长了钻头的使用时间；白垩系下部和三叠系地层，岩性为浅棕色细砂岩、棕色泥岩、棕色粉砂质泥岩、褐色中砂岩，使用PDC 钻头，平均机械钻速3.63 m/h，单只钻头进尺558.45 m，该类型的钻头适合于本地层的钻进；进入南陵湖组灰黑色碳质泥岩、灰色白云质灰岩地层钻进后，地层岩性致密，耐磨性好，可钻性差，使用HJT517 牙轮钻头效果不理想。换用PDC 钻头至二开完钻，在破碎推覆体地层使用中井身质量较好、钻探效率较高。

（3）在三开二叠系地层，岩石裂隙发育、耐磨性强。使用5 刀翼PDC 钻头钻进，单只钻头进尺40.49 m 后，钻时增大、机械钻速明显下降，上钻检查钻头磨损严重。换用HJT617 钻头，纯钻时间相对较长，磨损轻，但机械钻速偏低。使用HJT537G 高速牙轮钻头配合螺杆复合钻进，钻探效率明显提高。

3.2.2 取心钻头技术与应用

皖望地4 井为大口径地质调查井，取心工作量较大，由于钻遇地层情况可预见性小、复杂多变，针对现场采用长筒提钻取心的工艺，取心钻探工艺特点如下：

（1）切削齿采用较小直径（Ø10～13 mm）耐冲击复合片与金刚石聚晶组合，增强保径效果，尽可能提高钻头适应性，适应地层软硬变化［12-14］，如图3所示。

图3 聚晶、复合片组合取心钻头Fig.3 Polycrystalline and PDC combined coring bit

（2）采用5～6 刀翼钻头结构，保证复杂工况下钻头平稳钻进。

（3）严格取心钻进工艺措施，做到钻压、排量、转速等参数与复杂地层的精确匹配。

3.2.3 钻井液技术

依据本井地质、工程设计，参考邻井资料［15-19］，针对该井地质条件及钻井施工的复杂性，室内在钻井液体系选择、处理剂优选及配伍性、润滑防塌和高温高密度条件下的钻井液性能维护与处理等方面进行了研究试验，最终确定各开次主要钻井液体系与配方如下：

（1）导管段、一开低固相钻井液：淡水+0.2%烧碱+3%～8%膨润土+0.3%～0.8%增粘剂。一开钻遇地层层位：新近系、古近系、白垩系地层，主要岩性：灰岩、白云岩、砾岩、砂岩。

（2）二开钻遇地层层位：白垩系、三叠系、二叠系，主要岩性：泥岩、砂岩、白云质灰岩。采用双聚防塌钻井液：淡水+0.2% 烧碱+2%～4% 膨润土+0.5%～1.5% 降失水剂GPNH+0.5%～1.5% 降失水剂GPNA+0.5%～1%接枝淀粉+1%～2%随钻堵漏剂+0.2%～0.5% 增粘剂+0.2%～0.3% 包被剂。

（3）三开钻遇地层层位：二叠系，主要岩性：灰岩、泥页岩。维持双聚防塌钻井液体系，并在二开钻井液性能基础上，提高降失水材料的加量，进一步降低滤失量，减少水进入泥页岩地层造成吸水膨胀、坍塌缩径等问题。

（4）二开钻遇石膏层，地质预告有硫化氢溢出风险。长井段多次钻遇石膏层，造成现场钻井液性能大幅变化，很难保证正常施工工艺与井内安全。在现场双聚防塌钻井液体系基础上，通过实验室分析研究和现场试验，钻井液钙侵后不添加纯碱除钙，而是添加烧碱和除硫剂，提高pH 值控制游离钙离子含量并预防硫化氢，添加稀释剂调整钻井液流变性，添加降滤失剂控制钻井液滤失量。实际钻井液性能：漏斗粘度（马氏）控制在37～45 s，密度1.08～1.14 g/cm3、滤失量6～7 mL/30 min，pH 值9～12。钻井施工中每次起钻无遇阻，下钻畅通，一次到底；二开完钻电测4 趟，起下仪器顺利，井径规则，提高了测井效率，并给后面下套管施工奠定了基础，固井施工安全顺利。

3.3 井控设备

为确保钻井施工安全，进入油气地层的二开、三开井段，做好全员井控培训与安全演练；二开、三开井口配备2FZ35-35B 型双闸板防喷器、JG35-35 型节流管汇与YG35-35 型压井管汇，配齐便携式和固定式硫化氢检测仪、FKQ640-6 型远控房、液气分离器与点火装置。

4 工程质量分析

4.1 取心质量

皖望地4 井钻进期间共取心13 次，进尺88.96 m，岩心长76.44 m，岩心直径80～100 mm，采取率85.93%，达到设计要求，取心情况见表5，取心工具如图4 所示。

图4 长筒取心钻具取心钻头Fig.4 Long-barrel coring tools and coring bits

表5 皖望地4 井取心统计Table 5 Cores from Well Wanwangdi-4

4.2 井身轨迹质量

皖望地4 井实测在2015.00 m 处最大井斜角为3.76°，测量井段内井底闭合方位为127.12°，闭合位移逐渐增大，在2190.00 m 闭合位移最大41.45 m，井底闭合位移31.32 m，全角变化率在2140 m 最大值1.74%。水平位移、全角变化率和井斜均小于设计值，井眼轨迹符合钻井工程设计要求。

4.3 井径控制

皖望地4 井各开次井径见表6，井径扩大率均＜15%，符合钻井工程设计要求。

5 取得的成果

5.1 查明井位地区地层情况

皖望地4 井完井井深2503.9 m，通过实施测录井工程和目的层间隔取心工作，获取了全井段岩屑和综合测录井数据、部分地层岩心，钻遇望江地区二叠系完整地层序列，揭示了望江坳陷白垩系-二叠系地层层序，为区域基础地质研究、油气资源发现奠定了良好基础。

5.2 获取油气显示情况

皖望地4 井钻井工程，获取2503.9 m 岩屑、76.44 m 地层岩心、2503.9 m 综合测录井数据，本井共钻遇不同级别的油气显示层28 层，累计厚度193.86 m，气测异常11 层，累计厚度84.92 m，地化TOC 异常17 层，累计厚度108.94 m。本井油气显示较好，显示层位主要集中在殷坑组、大隆组、吴家坪组、孤峰组。

5.3 先进钻探技术应用示范

皖望地4 井发挥北京探矿工程研究所钻探优势技术，整合了钻头钻具技术［20-22］、钻井液及固控技术，应用于现场油气钻探施工。

（1）长筒取心技术。采用射流式取心结构设计、内涂层岩心管等关键技术，提高复杂地层的取心效果，可配双筒（18 m）或三筒（27 m），配合针对不同地层设计的隔水底喷钻头和聚晶复合钻头，采取合适的操作工艺，可明显提高取心收获率、钻头适应性和取心钻进效率。

（2）防H2S 防钙侵饱和钙基钻井液。根据皖望地4 井长段石膏层出现的钙侵预防H2S 的需求，保证高效取心、钻进提速和井壁安全，成本也大幅降低。

（3）耐冲击高耐磨金刚石复合片钻头碎岩技术。针对钻遇软硬互层变化快、硬地层坚硬致密复杂地层，通过钻头切削具的碎岩机理研究，合理化切削具组合排布、优化钻头水力结构、精密化钻头焊接和加工工艺，提高复合片钻头适应性，获取更快钻进速度、延长钻头使用寿命。

（4）随钻防斜打直技术。钻遇地层软硬互层频繁，地层倾角大，易井斜，采用稳斜控斜钻进参数和PDC 钻头+单弯螺杆+MWD 钻具组合，打直提速效果显著。

（5）保压密闭取心钻进技术。钻井现场试验了保压密闭取心钻具及配套保压取心钻头，取得了良好效果。该型钻具为提钻式双动双管取心钻具，使岩样出井后能够保持与地层原位压力相近的压力，减少岩样油、气组分的流失，为后期研究提供更准确的地质资料。

（6）井场环保措施。钻探井场地处农田，现场优选土地复垦方案，钻前钻后做好耕植土剥离和回填，施工中配合固控循环和使用可降解泥浆材料，做好污染物隔离防渗处理，做到绿色环保钻探［23-24］。

6 结语

在皖望地4 井钻井施工中，针对下扬子望江坳陷地层多变、软硬互层的钻探复杂情况，应用北京探矿工程研究所自有钻头岩石切削工艺、稳定可靠的钻井液体系和系统全面的钻探工艺措施，实现在坚硬致密白云岩、石英砂岩和膏岩层、大倾角地层、砾石层等地层防斜打直快速穿越；复杂地层高效长筒取心、气层密闭保压取心、堵漏护壁环保钻井液体系等钻井器具与材料技术应用，安全高效环保实施钻、测、录、固井各项工程，为区域油气调查钻探技术体系建立提供有益经验，为开辟长江下游油气调查新领域发挥支撑作用。