南華北盆地亳州—阜陽地區頁巖氣鉆井技術

趙洪波 朱迪斯 黃正 王勝建 何遠信

1.中國地質大學(北京)；2.中國地質調查局油氣資源調查中心；3.中國地質調查局非常規油氣工程技術中心；4.中國石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司

0 引言

南華北盆地是我國油氣勘探歷史較長、東部地區唯一沒有發現大型油氣田的大型盆地。近年來，南華北盆地河南溫縣和中牟頁巖氣勘查取得重大進展［1］，隸屬于南華北盆地南緣的安徽亳州—阜陽一帶油氣勘查工作再次受到重視。南華北盆地南緣亳州—阜陽一帶構造上位于南華北盆地周口坳陷東部的阜陽凹陷、顏集凹陷、倪丘集凹陷等。地質歷史過程中發育了青白口系、震旦系、寒武—奧陶系、石炭—二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系等多套地層。由上至下依次發育新近系、古近系、上古生界二疊系、石炭系和下古生界寒武—奧陶系。可劃分為3 個構造層：上構造層，主要包括第四系平原組，新近系明化鎮組、館陶組；中構造層包括古近系、三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系和寒武系；下構造層主要由前寒系基底，包括太古界片麻巖和元古界變質巖等。南華北盆地上古生界、三疊系、下白堊統及古近系在多個凹陷均有程度不同的油氣顯示［2］，目前主要勘探層系也由淺部中、新生界向深部古生界等層系擴展。2002 年、2012 年分別完成的古城1 井和鳳凰1 井均鉆遇到石炭—二疊系海陸交互相環境中形成的煤系烴源巖，巖性主要為煤、暗色泥巖、炭質泥巖等，從有機質豐度和類型方面開展的該類烴源巖基礎地球化學特征研究表明總體上具有有機質豐度高但有機質類型偏腐殖型的特點［3］,具有一定的生氣能力，后期勘探應以氣為主，尤其是頁巖氣的勘查［4-5］。

區域內古生界石炭—二疊系以及奧陶系頂部風化殼作為區域內主力烴源巖層系，巖性以碳質泥頁巖、煤、閃長玢巖以及石灰巖為主，鉆井過程主要面臨的技術難點是：(1)地層破碎，伴有火成巖間斷侵入，可鉆性差、研磨性強，取心易堵、取心難度大；(2)井壁穩定性差，易發生坍塌、掉塊、井漏失返、下鉆遇阻等井下復雜。

1 亳州—阜陽地區主要頁巖氣井概況

中石化江蘇油田等單位在南華北盆地南緣開展了一系列重點工程［6-7］。2019 年6 月，中國地質調查局部署的長江下游(安徽)頁巖氣攻堅戰，在亳州—阜陽地區先后完成了以非常規油氣勘查為主、常規油氣兼顧的多個地質調查井(見圖1、表1)。重點理清石炭—二疊系地層序列，為該區地震地質層位標定提供依據，評價該區域頁巖氣、致密砂巖氣、煤層氣資源潛力，推動南華北盆地石炭—二疊系非常規油氣及奧陶系石灰巖風化殼常規油氣勘探工作，力爭在南華北盆地取得油氣勘探戰略突破，帶動皖北地區經濟發展。通過優化取心工藝等一系列措施滿足了勘探要求，達到了地質目的。

圖1 南華北盆地亳州—阜陽地區構造區劃示意圖Fig.1 Geotectonic map of Bozhou-Fuyang area in the Southern North China Basin

2 典型井例分析

2.1 皖亳參1 井取心技術

2.1.1 地質特征

根據地震及鄰井資料，預測皖亳參1 井主要鉆遇地層包括第四系平原組，新近系明化鎮組、館陶組，三疊系二馬營組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組，石炭系太原組、本溪組以及奧陶系上馬家溝組。上部第四系、新近系松散地層較厚及含煤層系井壁易坍塌；中部三疊系、二疊系、石炭系地層煤層和炭質泥巖發育，由于煤層層理節理及裂縫非常發育，在形成井眼時容易造成解理裂開，導致坍塌、掉塊；下部奧陶系地層巖性以砂巖、含灰質粉砂巖及泥巖等為主，砂巖致密，泥巖性硬、脆、質較純，可鉆性差、研磨性強。

表1 南華北盆地亳州—阜陽地區主要鉆井實施概況Table 1 Implementation summary of main wells in Bozhou-Fuyang area of the Southern North China Basin

石炭—二疊系下石盒子組、山西組、太原組，奧陶系馬家溝組灰巖風化殼為本井主要勘探目的層，全井設計取心共230 m。

2.1.2 井身結構

(1)一開采用?406.4 mm 鉆頭鉆穿新近系，以封隔表層不穩定地層，鉆穿館陶組地層，進入三疊系二馬營組30 m 完鉆，一開完鉆，井深約760 m，下?339.7 mm 套管固井，水泥封固(返至地面)。

(2)二開采用?311.2 mm 鉆頭鉆穿劉家溝組，進入二疊系上石盒子組30 m 二開完鉆，井深為1 890 m，下?244.5 mm 套管固井，封固三疊系和二疊系易井垮、井漏層段。

(3)三開采用?215.9 mm 鉆頭鉆至2 800 m 完鉆，中途根據顯示情況進行取心作業，鉆穿奧陶系上馬家溝組100 m 后無油氣顯示完鉆。

2.1.3 鉆具組合

非取心段組合采用常規鐘擺組合或PDC+螺桿；取心段鉆具組合為：?215.9 mm PDC 鉆頭+?178 mm取心筒+鉆具止回閥+?159 mm 鉆鋌×9 根+?127 mm加重鉆桿×9 根+?165 mm 隨鉆震擊器+?127 mm 加重鉆桿×12 根+?127 mm 鉆桿。

2.1.4 鉆井液

針對取心井段，采用鉀胺基聚合聚磺防塌鉆井液，配方為：4%～5%鈉土+0.2%～0.3%PMHA-Ⅱ +0.1%聚胺+3%KCl+0.5%LV—PAC+2%～3%有機硅腐殖酸鉀+1%～2%白瀝青+1%～2%單封+1%～2%聚合醇。配加CaCO3、QS-4、OSAM-K、燒堿等，在鉆進過程中視鉆井液性能和地層穩定情況，使用KPAM+PAC-LV 混合液進行維護處理，以保持鉆井液性能穩定。同時及時補充降濾失劑、低熒光防塌劑、超低滲透處理劑調整鉆井液的防塌性能、流變性等。

2.1.5 破碎地層取心工藝

破碎地層一般表現為縱向裂縫發育并為方解石填充，地層傾角大，破碎較為嚴重，受地層巖性、地層傾角以及構造地應力對地層的擠壓作用等因素影響，遇阻、卡鉆復雜頻繁，如果未及時發現或發現未及時處理，不可避免地會導致磨心及堵心，降低取心收獲率。

區域內二疊系上石盒子組、下石盒子組、山西組和石炭系太原組取心段炭質泥巖、煤層、火成巖發育，泥巖和砂巖均破碎(見圖2)，造成取心過程中堵心頻發、單趟取心進尺短，取心趟數多。針對此，優化取心工藝：(1)采用雙扶正器取心筒，減少底部取心工具的擺動；破碎性砂巖地層采用單筒取心工藝，同時控制取心進尺。(2)使用彈性較好的巖心爪，便于進心；調整巖心爪與鉆頭間隙到5～7 mm，降低在巖心爪處卡心的幾率。(3)取心鉆頭優選。針對鉆遇二疊系山西組閃長玢巖、炭質泥巖等破碎地層，選取常規PDC 鉆頭，機械鉆速極低(0.45～0.62 m/h)，鉆時一般在37～131 min，極易造成堵心，導致單筒回次取心進尺短，平均在1.6～5.0 m 之間。選用刀翼式復合片三角聚晶混鑲齒鉆頭，配合螺桿進行復合鉆井，可顯著提高機械鉆速，平均機械鉆速提高至1.87 m/h。(4)優化取心參數。降低鉆壓至40 kN、轉盤轉速為50 r/min，減少取心筒的受壓彎曲變形，提高鉆頭工作的穩定性，利于巖心成柱，便于進心。

圖2 不同井段取出的破碎巖心Fig.2 Broken cores taken from different hole sections

全井取心進尺230 m，心長227.69 m，收獲率96.89%。

2.2 皖太參1 井鉆井技術(復雜工況處理)

2.2.1 區域漏失概況

亳州—阜陽地區二疊系—石炭系煤層、炭質泥巖比較發育，奧陶系風化殼縫洞發育。前期施工的多口勘探井均出現不同程度的漏失、卡鉆等故障。現有堵漏方法對滲透性漏失較易解決，對裂縫性漏失或溶洞，單次堵漏成功率低，處理過程復雜、周期較長、成本高。主要原因是井下裂縫寬度不一、難以確定，造成堵漏材料粒徑不匹配，大粒徑堵漏材料難以進入地層，小粒徑堵漏材料又容易被漏失的鉆井液帶走，難以在漏失孔喉處形成有效的橋架結構，導致堵漏成功率低。針對鳳凰X1 井裂縫性漏失，采用了一種新型堵漏工藝——井下爆炸堵漏技術，基于對堵漏工作原理、堵漏注射器、藥盒、膠筒及凝膠配方等方面的研究，形成鉆井井下爆炸堵漏技術。從現場應用情況看，鳳凰X1 井3 004～3 005 m 漏速從3～5 m3/h 降為1 m3/h，有效降低了漏失速度［8-9］。

2.2.2 失返性漏失、卡鉆處理

皖太參1 井鉆進至1 585 m 后，由于對地層風險認識不足以及鉆地層口袋鉆具組合不夠簡化(?216 mm PDC+雙母+浮閥(托盤)+?178 mm 無磁鉆鋌+?178 mm 螺旋鉆鋌+411×630 短接+?309 mm扶正器+631×410+?178 mm 螺旋鉆鋌×4 根+?127 mm加重鉆桿×3 根+?165 mm 隨鉆震擊器+?127 mm 加重鉆桿×18 根+?127 mm 鉆桿+地面震擊器+方鉆桿)，發生失返性漏失，提起鉆至井深923 m 左右上提摩阻增大，由正常上提懸重580 kN 升至800 kN，至679 m 卡鉆后無活動距離。具體處理辦法如下：(1)使用地面震擊器震擊，利用地面震擊器震擊400 余次無效，注入堵漏漿(30%堵漏漿：竹纖維1 t、復合堵漏劑1 t、核桃殼1 t、單封1 t、棉籽殼1 t)，連續向水眼和環空灌漿；(2)測卡點爆炸松扣，爆炸松扣后落魚深度244 m，注入28%堵漏漿(隨鉆堵漏1.5 t、復合堵漏劑2.5 t、1～3 mm 核桃殼2 t、3～5 mm核桃殼2 t、單封1.5 t、棉籽殼0.5 t、5～7 mm 貝殼2 t、超細碳酸鈣2 t)后，堵漏成功；(3)套銑倒扣。下套銑鉆具組合(?209 mm 銑鞋+?208 mm 套銑筒×8 根+變徑接頭+?127 mm 加重鉆桿×15 根+?127 mm 鉆桿+方鉆桿)，發生井漏失返，上提鉆具至表層套管內，注入堵漏漿(7～10 mm 1 t、5～7mm 1 t、3～5 mm 1 t 核桃殼，復合堵漏劑1 t，鋸末0.5 t，棉籽殼0.5 t，膨潤土1 t)，憋壓靜堵成功，后繼續套銑至664 m，接超級震擊器解卡，起出落魚，期間發生多次滲漏。處理過程見圖3。

圖3 皖太參1 井井漏失返卡鉆復雜處理過程示意圖Fig.3 Schematic treatment process of mud loss with no return and pipe sticking in Well Wantaican 1

3 結論及建議

(1)南華北盆地亳州—阜陽區域油氣調查主要集中在石炭系—二疊系，針對鉆遇中古生界地層含煤碳質泥巖等破碎性地層，通過優化取心工藝，解決了可鉆性差、取心易堵及取心難度大等難題，形成了一套適應于該地區破碎地層高效取心技術；由于古生界硬地層可鉆性差、研磨性強，機械鉆速低，尤其在取心段，PDC 取心鉆頭選型極為重要，建議下一步從破巖機理出發，開展PDC-金剛石孕鑲塊復合取心鉆頭研究，達到提速目的；針對連續取心井段長，為確保取心連續性，建議采用頂驅鉆井系統。

(2)由于對地層認識不足，鉆遇奧陶系風化殼時發生失返性漏失，上提遇阻，上部長裸眼井段坍塌，導致卡鉆，采用復合震擊-測卡點-爆炸松扣-套銑-震擊等一系列工序，成功解卡。

(3)建議開展該區域不同地層漏失機理及漏失類型研究，優化鉆井液防塌封堵能力，進一步促進鉆井安全，提高鉆井效率。