贛豐地1井鉆探施工技術

余慎軍

湖北煤炭地質局 湖北 武漢 430070

0引言

頁巖氣是賦存于富有機質泥頁巖及其夾層中,以吸附及游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣,成分主要為甲烷,是一種清潔高效的新能源資源,正受到世界許多國家的重視。當下,隨著礦業產業投資的減少,傳統礦產資源鉆探工作量銳減,頁巖氣資源調查井及參數井就成了鉆探市場的香餑餑。傳統地勘隊伍依據市場供求關系,均不同程度地進行了產業上的重新部署。而如何安全、經濟、高效地完成頁巖氣地質調查井鉆探施工,合格采取巖心,就是每個鉆探隊伍需要正視的問題。[1]

本文對贛豐地1井鉆探施工過程尤其是對鉆孔內復雜問題的處理進行了闡述,可以指導日后同類鉆孔的施工。

1 地質概況

贛豐地1井是布置在江西省豐城市清江盆地北部斜坡曲江向斜的一口頁巖氣地質調查井,目的層為二疊系上統樂平組、中統茅口組南港段,兼探小江邊組,設計孔深1500 m。鉆探目的是獲取二疊系上統樂平組、中統茅口組南港段地層頁巖厚度、有機地球化學、儲集性能及含氣性等頁巖氣評價參數,探討萍樂坳陷曲江向斜(清江盆地)富有機質泥頁巖層系(樂平組、小江邊組、茅口組南港段)的空間展布規律;,為該地區的頁巖氣資源潛力評價提供地質依據。

1.1 地形地貌 工區位于鄱陽湖盆地南端,以平原地貌為主。整個地勢由西南向東北逐漸傾斜,平原、低丘、崗地交錯,波狀起伏,南北高,中間低,呈馬鞍形。南部邊沿地勢高峻,海拔500 m 以上;中部平原地勢偏低,海拔約在21.5～27 m,最低點在東北邊緣的藥湖,海拔18 m;東南和西北部屬丘陵、崗阜區,海拔在500 m 以下,東南部邊境系武夷山脈,屬低山丘陵區。

1.2 地層 鉆孔位置區域地層從上往下依次為：

第四系：厚20 m,土黃色泥土、第四系坡積物及礫石組成,含有少量植物根系,礫石成分主要為灰巖。

大冶組：厚475 m,以泥質灰巖、泥晶灰巖及泥質條帶灰巖為主,顏色為灰白色、淺灰色、灰色,主要為灰巖、條帶狀灰巖、條紋狀灰巖組成多以中-厚層狀出現。

長興組：厚250 m,灰色含硅質泥晶灰巖,與下伏地層接觸界線明顯。

樂平組王潘里段：厚98 m,主要巖性為粉砂質泥巖、炭質泥巖、炭質頁巖、煤層及少量粉砂巖,顏色深灰色、灰黑色到黑色。

樂平組獅子山里段：厚30 m,淺灰色、灰色、深灰色的粉砂巖、細砂巖。

樂平組上老山里段：厚54 m,深灰色、灰黑色含碳頁巖、泥質頁巖,局部以粉砂巖與泥質頁巖互層為主。

樂平組中老山段：厚98 m,深灰色、灰黑色泥質頁巖、含碳頁巖,局部夾少量細砂巖。

樂平組下老山段：厚98 m,灰白色、深灰色、灰黑色泥質頁巖、粉砂質頁巖、細砂巖、含碳頁巖以及少量薄煤線為主。

樂平組官山段：厚98 m,灰白色、深灰色、灰黑色中-粗砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖及少量炭質頁巖為主。

茅口組：厚259 m,上部76 m 燧石結核灰巖、泥晶灰巖,顏色以灰色-深灰色為主;中部135 m 含炭頁巖、硅質灰巖,顏色以灰黑色、灰色-深灰色為主;下部48 m 含炭泥晶灰巖、炭質頁巖為主。

1.3 油氣水層位預測 淺水層預測在200米以內。

油氣層根據區域地質資料,為樂平組上老山段-茅坪組南港段頁巖層段。

1.4 地層壓力預測 依據本井鉆遇地層預測,870-1350 m 可能存在高壓。鉆進過程中需要注意防止塌孔、漏水,以及防噴、防火、防硫化氫,需要準備一定的加重泥漿備用。

2 鉆孔質量指標及技術要求

贛豐1井涉及鉆探工程施工與測試,技術要求按照國土資源部、中國地質調查局的相關技術規范、規程、標準和井位論證方案執行。采用直井多開次鉆探方法,要求井深≥1500 m,同時開展固井、錄井、測井等配套工作。

(1)井身質量參照《鉆井井身質量控制規范》(SY/T 5088—2008)標準;

(2)全井段井斜≤8°,全井傾角變化率控制在3°/30 m;

(3)井底水平位移≤80 m;

(4)全孔井徑擴大率≤25%。

3 鉆井工藝技術

3.1 鉆探設備、機具配置 主要鉆探設備根據鉆井目的、施工現場環境條件、鉆探方法、鉆孔深度、終孔直徑等綜合因素確定。主要鉆探設備配置見表1。

表1 主要鉆探設備配置表

3.2 井身結構設計及調整

3.2.1 井身結構設計(見表2)

3.2.2 井身結構調整

3.2.2.1 調整依據：在二開鉆進過程中,采用Φ122繩索取心鉆進,因為在井深960～974 m 井段持續垮塌,使用各種方法嘗試解決塌孔問題,收效甚微。經多方論證后,進行井身結構調整,提前下入Φ114 mm 繩索鉆桿當做套管至974.05 m,隔離垮塌層。接著換Φ89 mm 繩索鉆桿+Φ95 mm 繩索取心鉆探鉆進至終孔。

表2 贛豐地1井鉆孔結構設計表

注：二開以Φ122繩索取心鉆進,根據鉆孔施工實際情況決定是否一徑到底。如需三開,則直接以Φ114繩索鉆桿當做技術套管。

3.2.2.2 調整后實際井身結構：根據地層破碎完整情況,開孔Φ150 mm 實際鉆進至83.88 m,下入Φ146 mm 套管,水泥固井,井口安裝防噴器。

Φ122 mm 鉆頭鉆進至974 m 后,根據專家論證意見,直接將Φ114 mm繩索取心鉆桿作套管,下部50 m 水泥固井,Φ95 mm 繩索鉆進至終孔。

3.2.2.3 調整前后井身結構對比：設計調整前后井身機構見表3。

表3 井身結構調整前后對比

3.3 鉆進工藝：贛豐地1井除開孔外,二開、三開口徑均采用繩索取心鉆進工藝。充分利用繩索取心工藝采取率高、工程質量高、勞動強度小的優點,進而提高鉆進效率。

3.4 鉆頭選擇：贛豐地1井鉆遇地層主要巖性為泥質灰巖、泥巖、粉砂質泥頁巖、泥質粉砂巖、含碳頁巖等,巖石可鉆性級別以4 級為主。巖石硬度比較軟,研磨性比較弱,選用中等硬度細顆粒孕鑲金剛石鉆頭。繩索取心鉆頭的水口適當加寬,方便排渣,降低泵壓,加大鉆頭內徑金剛石濃度,防止鉆頭內徑磨損過快。依據巖石可鉆性級別,以胎體硬度HRC30～45,唇面形式為同心尖齒、高低齒鉆頭為主。

3.5 鉆進參數：XY-8B型鉆機是相當成熟的巖心立軸鉆機,其轉速為Ⅰ(反轉)擋：0～215 r/min,Ⅱ(正轉)擋：0～1011r/min。鉆進參數見表4。

表4 贛豐地1井鉆進參數

3.6 泥漿性能與參數選擇

3.6.1 泥漿性能：贛豐地1井泥漿性能主要從以下三個方面進行控制。

(1)攜帶巖屑的能力。深孔鉆進施工過程中巖粉及巖屑若不能及時排出,就會造成巖屑重復破碎,影響鉆進效率,同時巖粉過多會造成打撈巖心時(停泵)泥漿反壓,造成內管遇卡情況的出現。

(2)護壁性能。泥頁巖等水敏性地層要控制好泥漿失水量,減少泥漿中水的滲透,降低巖層吸水膨脹及垮塌的風險,長井段的裸眼需要穩定的井壁,保證取心鉆進順利進行。

(3)潤滑性能。繩索取心鉆進工藝主要是靠高轉速研磨破碎,在鉆具高轉速下泥漿的潤滑性能對鉆具的保護尤為重要,尤其是深孔鉆進。

3.6.2 泥漿配置：泥漿是鉆探工程的“血液”,什么地層尤其是各種復雜地層使用什么類型的泥漿? 是鉆井工作中需要正視解決的關鍵技術問題。配制泥漿的主要材料：膨潤土、純堿、聚丙烯酰胺、纖維素、磺化瀝青、腐植酸鉀、堵漏劑等。

配制程序：鉆井液配制前,首先加純堿浸泡粘土,進行預水化處理,難溶于水的纖維素事先按比例溶于水中;按照具體地層相應配制基漿,按比例加入相應的泥漿添加劑。

3.6.2.1 一開泥漿：要求配制快捷,凈化能力好,能支撐上部第四系填層及大冶組、長興組破碎裂隙灰巖地層,不分散低固相化學鉆井液。配方：清水1 m3+5%鈉土粉+0.2%純堿+500～700pp m 聚丙烯酰胺+0.1%～0.2%CMC鈉羧甲基纖維素,輔之以磺化瀝青護壁劑、太古油潤滑劑等。性能指標：密度1.03～1.07g/c m3、漏斗粘度21～25s、失水量8～12 mL/30 min、p H 值保持弱堿性8～9。

3.6.2.2 二開泥漿：針對水敏性的泥頁巖、泥質含量高的砂巖、炭質泥巖以及煤系地層,改用防塌性好,排粉能力強,流變性好、抑制性強的低固相防塌聚合物鉆井液體系。配方：1 m3水+0.1%～0.2%kg純堿+3%～5%鈉土粉+0.5%～1%降失水劑(GPNH)+0.5%～1%增粘劑(GTQ)+0.1%～0.3%包被劑+1%～2%隨鉆堵漏劑(GPC)+2%～5%封堵劑+0.5%～2%極壓潤滑劑(GLUB)。性能指標：密度1.03～1.07g/c m3、漏斗粘度20～25s、失水量8～12 mL/30 min、p H 值保持弱堿性8～9。

3.6.2.3 三開泥漿：裸眼鉆進茅口組灰巖地層,采用普通化學泥漿,輔以鋸末、麻繩等堵漏材料,保證潤滑降溫,且減少漏失污染。性能指標：密度1.02～1.07g/c m3、粘度20～25s。

4 鉆井問題處理

鉆探施工孔內復雜問題的合理處理,是保障鉆探工作順利完成的重要環節。贛豐地1井鉆探施工過程中,出現了井漏、垮孔等孔內問題,這些孔內問題部分得到了妥善的處理,有的處理不是特別理想,最終還是保證了鉆井工作比較順利地完成,但是鉆進效率不是特別高,值得總結。

4.1 井漏的處理：一開Φ150 mm 普通金剛石取心鉆進時,由于第四系表土比較松散、上部巖層比較破碎導致泥漿漏失嚴重,鉆進困難。采取調節泥漿粘度、加入堵漏劑等措施,鉆進至62.6 m 后用水泥封孔堵漏后繼續鉆進。鉆進至83.88 m 后,已經鉆見12.5 m 完整的巖心,直接下Φ146 mm 表層套管固井解決了一開漏失問題。

4.2 垮孔的處理：贛豐地1 井在井深960-974 m 處持續發生垮孔。

4.2.1 垮孔原因分析：該井段鉆遇的是樂平組中老山段泥質頁巖、含炭質頁巖地層,水敏性較強,屬于易坍塌地層。泥漿過稠,導致打撈巖心內管時產生抽吸壓力,先后拉斷絞車鋼絲繩9次,反復處理打撈內管,其中7次打撈內管不成功只能起大鉆,倒騰時間近1 個月,致使該孔段多次垮塌。

4.2.2 垮孔處理措施：經過專家組的集體商定,用Φ114繩索鉆桿黨套管下至974.05 m,然后采用Φ95繩鉆裸孔鉆進至終孔。另外派一名泥漿工程師駐現場,指導泥漿調配直至終孔。974.05-1501.22 m,沒有發生孔內事故,順利完成。

5 鉆探施工總結

5.1 鉆井施工時長：2017年1月7日開鉆,2018年7月2日完鉆,共計177d,且在施工中春節放假15d,實際施工162d。960-974.05 m 持續垮孔處理時間29d。

5.2 鉆進效率：贛豐地1井實際鉆探施工期為162d,平均機械鉆速2.09 m/h,臺月效率278 m,不計垮孔處理29d,鉆機臺月效率338.62 m。詳見表5。

表5 鉆進效率統計

5.3 總結分析：全井盡管生產時間占92.75%,但是純鉆進時間只占18.47%,非生產時間占7.25%。與同類型的地質巖心鉆孔相比,贛豐地1井施工周期比較長。主要原因是在鉆進過程中泥漿使用不當導致泥頁巖地層垮孔處理時間較長,設計變更、等待鉆具也延誤了部分工期。同時鉆機、水泵、絞車等設備的維修保養時間較長。

6 結語

贛豐地1井于2017年1月7日通過開鉆驗收,采用繩索取心工藝鉆進,2017年7月2日順利完鉆,完鉆深度1501.22 m,終孔層位茅口組茅口二段。該工程實現了鉆探的目的。同時也為今后同類型項目施工積累了經驗,頁巖氣調查井地質要求高,必須做到：

(1)配置齊全Φ122、Φ95 系列繩索取心鉆具,Φ75 規格鉆具作為復雜地層備用也應時刻準備;

(2)配置齊全熟練的機長、班長,嚴格按照鉆探工程師、泥漿工程師的設計方案施工;

(3)只要地層許可,鉆孔設計盡可能簡單,盡量發揮繩索取心工藝的優點,進一步提高鉆效,快速鉆探成孔、獲得目的層樣品。

(4)針對既定的技術措施,應制定嚴格的勞動紀律、設備物資保障等組織管理措施與之相結合,更好地實現優質高效。