寧國凹陷復雜工況關鍵鉆井工藝

劉 兵，朱恒銀，蔡正水，王 強，蘆文成

(安徽省地質礦產勘查局313地質隊,六安 237010)

近年來,上、中揚子地區的頁巖氣勘探取得了重大突破[1-7],下揚子地區的油氣頁巖氣資源調查工作已成為中國地質調查局的重點保障工作[8]。中國地質調查局南京地質調查中心在下揚子地區做了大量的工作,取得了階段性的進展[8-13],特別是皖油地1井、港地1井實現了寧國凹陷的油氣發現[14],對下揚子油氣資源勘探具有重要意義。

截至目前,下揚子頁巖油氣勘探主要是以小口徑地質調查井為主,多采用繩索取心鉆井技術,終孔直徑一般介于73～122 mm[13,15-16],不能滿足試油試氣等下一步工作的需要。皖油地1井是大口徑地質調查井,終孔直徑215.9 mm,區域內無此類口徑的鉆井,可利用的鉆井資料少[17],因此安徽省地質礦產勘查局313地質隊在皖油地1井鉆井工程實施過程中開展了適用于該區域地層的大口徑鉆井技術研究,為寧國凹陷大口徑鉆井工程奠定工程技術基礎。

1 地質特征

皖油地1井位于蘇皖南坳陷寧國凹陷水東向斜。自晉寧期下揚子褶皺基底形成以來,下揚子區經歷了多期復雜的構造演化時間。區域內構造行跡復雜,多褶皺和斷層,形成了一套復雜的構造格局,這一現象導致了本區的地層完整性差[18]。裂隙發育容易出現漏失等事故,大大增加了鉆井施工的難度。

根據鉆探揭示,鉆井自上而下鉆遇的地層情況見表1。

表1 地層劃分及巖性特征

2 施工設計

2.1 井身結構

皖油地1井鉆井井身結構如表2所示。根據鉆井工程設計,一開及二開上部井段采用磨盤回轉鉆進；二開非取心井段采用螺桿鉆具孔底液動鉆進；取心井段采用了大口徑不提鉆取心鉆進和KT-194鉆具[19]聯合螺桿兩種鉆進方法。

表2 鉆井井身結構數據表

一開鉆具組合為Φ311.2 mm牙輪鉆頭+Φ177.8 mm鉆鋌+Φ114.3 mm鉆桿,鉆進至72.14 m,后采用Φ430 mm牙輪鉆頭擴孔至47.88 m。下入Φ339.7 mm套管(鋼級J55)至47.88 m,封固第四系和松散層,固井,水泥返至地面。

二開592 m以淺井段采用Φ311.2 mm牙輪鉆頭+Φ177.8 mm鉆鋌+Φ114.3 mm鉆桿鉆進,592 m以深采用Φ311.2 mm牙輪/金剛石復合片鉆頭+Φ172 mm螺桿+Φ177.8 mm鉆鋌+Φ114.3 mm鉆桿鉆進。下入Φ244.5 mm套管(鋼級N80S)至814.74 m。固井,水泥返至地面。

三開非取心井段采用Φ215.9 mm金剛石復合片/牙輪鉆頭+Φ172 mm螺桿+Φ177.8 mm鉆鋌+Φ114.3 mm鉆桿鉆進。鉆遇泥巖、灰巖(非頂底板)等可鉆性好地層時采用金剛石復合片鉆頭,硬地層及頂底板地層采用牙輪鉆頭。

三開取心井段采用了兩種取心鉆具,不提鉆取心鉆具(口徑215.9 mm,巖心外徑Φ80 mm)和KT-194鉆具。

2.2 主要設備

主要設備見表3。

表3 主要鉆井設備

2.3 鉆井液

2.3.1 鉆井液性能

根據地質設計和鉆井工程的需要,皖油地1井非目的層的鉆井液性能見表4,其中黏度采用蘇式漏斗黏度計測量。

表4 鉆井液性能

2.3.2 鉆井液凈化與維護

鉆井液凈化以機械凈化為主,化學絮凝為輔。根據分離顆粒的尺寸,振動篩、除泥器和離心機等三級固控除砂、除泥,控制鉆井液固相含量。

鉆井液循環系統合理設置,采用鉆井液罐防止雨水、污水滲入破壞鉆井液性能和防止鉆井液污染環境。

3 關鍵工藝技術

皖油地1井完井井深2 012.16 m。為縮短施工周期和保證工程的順利完成,主要采用了井壁穩定方法、石膏層鉆頭泥包處理方法和窄鉆井液密度窗口條件下的鉆進方法等工藝技術。

3.1 井壁穩定方法

皖油地1井主要目的層段為二疊系大隆組、龍潭組和孤峰組,其中龍潭組巖石破碎嚴重,如圖1所示。但為了保證油氣顯示,根據中國地質調查局南京地質調查中心要求,目的層井段取心鉆進時鉆井液密度須保持在1.07 g/cm3及以下。低密度鉆井液形成的液注壓力不能平衡地層壓力,井內發生坍塌,如圖2所示。

圖1 龍潭組巖心圖(1 356.16～1 358.46 m)Fig.1 Core drawing of Longtan Group(1 356.16～1 358.46 m)

圖2 掉塊圖Fig.2 Drawing of falling cuttings

為此,通過研究不同鉆井液黏度時的掉塊尺寸(振動篩處取樣),優選適宜的鉆井液黏度。如圖3所示。

圖3 掉塊尺寸隨鉆井液黏度變化圖Fig.3 Diagram of falling cuttings size changing with drilling fluid viscosity

在目的層段,在鉆井液密度不能升高的情況下,加入高-中黏羧甲基纖維素(CMC)/高效增黏劑提高鉆井液黏度至30 s以上,增大了鉆井液切力,提高了鉆井液懸浮能力,使其攜帶出大量沉渣,降低了鉆井液含砂量,且CMC還具有一定的潤滑性,減小鉆具和井壁之間的摩擦和降低鉆井液循環流動阻力。

同時加入腐殖酸鉀(KHm)/磺化褐煤(SMC)鉆井液失水量至4.5 mL/30 min以下,減小自由水向井壁的滲透,提高了鉆井液防塌能力,起到穩定井壁的效果。處理后鉆井液性能參數見表5。

表5 處理后鉆井液性能參數

調整鉆井液參數適宜后,再多次短起劃眼和循環鉆井液清洗井底,待新井段應力釋放至達成新的平衡后繼續鉆進。鉆穿龍潭組后,完成了主要目的層的鉆進工作,達到了地質目的。在保護儲層的同時,申請將鉆井液密度調整至設計密度(1.16 g/cm3),保持地層壓力和液注壓力的近平衡。

3.2 漏失地層的處理方法

皖油地1井鉆進至1 544 m時發現地層漏失,測井數據顯示1 523.4～1 631.1 m井段存在三層裂縫層,如表6所示。

表6 漏失位置

由于上部井段井壁不穩定,大泵量的鉆進可能導致鉆井液嚴重沖刷井壁造成井壁失穩,施工中采用低泵量頂漏作業。但是低泵量條件下螺桿轉速降低,不利于快速鉆進。為此主要通過以下技術方法進行控制:①控制失水量,鉆井液失水量最低至3.5 mL/30 min；②提高鉆井液的抑制能力,加入多種強抑制劑(如:K-PAM),抑制劑也具有一定降低濾失量的效果；③增加鉆井液的黏度和加入暫堵性堵漏材料，加入多種增黏劑(CMC、PAM),并加入鋸末、核桃粉等堵漏材料。

3.3 石膏層鉆頭泥包處理方法

皖油地1井鉆進石膏層井段1 543～1 545 m時鉆頭發生泥包,石膏層的厚度約2 m,圖4為振動篩除出的石膏層巖屑樣。

圖4 石膏層巖屑樣Fig.4 Debris sample of gypsum layer

鉆進至石膏層,鉆頭發生泥包,主要現象有:①鉆時明顯變長,鉆時由60 min增加至180 min,甚至更長；②改變鉆壓時電流表波動小,對鉆進效率無明顯影響。

結合地層情況,研究認為：①泥頁巖雖成巖,但易于水化分散,井眼內泥質或固相含量增大；②地層中含有純石膏井段,分散石膏造成鉆井液污染后,鉆井液中的有害固相難于清除；③為防止地層漏失,排量小,不能有效清洗井底及鉆頭,同時上返速度不足,巖屑在井內滯留時間長,黏附于井壁形成厚泥餅。三種原因的疊加作用造成了鉆頭的泥包。

針對鉆頭泥包,結合地層情況,主要的處理方法如下:①調整鉆井液性能:加堿和增加離心機工作時間,降低鉆井液固相含量；降低鉆井液黏度、切力,及時清除劣質固相,增加無熒光潤滑劑投入量,使鉆屑不易黏附到鉆頭上；加大鉆井液中聚合物含量,控制失水,提高泥餅質量。②下鉆中途進行循環,沖洗鉆頭,防止下鉆時鉆頭不斷刮削井壁,井壁上的泥餅或滯留于井內的鉆屑會在鉆頭下堆積。③下鉆到底后,充分循環鉆井液,清洗井眼,防止起鉆后滯留在井眼的鉆屑繼續水化分散。④精細操作,均勻加壓；發現鉆頭泥包時,上提鉆頭脫離井底,提高轉速增加離心力去除泥塊。

3.4 窄鉆井液密度窗口條件下的鉆進方法

皖油地1井鉆進過程中,進入黃龍組以后發生漏失(表6)。由于上部龍潭組地層存在坍塌、黃龍組地層存在漏失(上塌下漏),鉆井液密度窗口窄。鉆進過程中積極探索了適宜的鉆井液密度。

為保持龍潭組井壁穩定,鉆井液密度需保持在1.20 g/cm3以上。鉆井液密度為1.20 g/cm3時,鉆井液泵頻率須小于等于40 Hz(泵量為27.58 L/s),泵壓小于等于8.5 MPa。實測螺桿壓降為5.5 MPa,因此環空壓降為3 MPa。結合式(1)計算ECD：

(1)

式(1)中：ECD為當量循環密度；ESD為當量靜態密度；ΔP為環空壓降；H為井深。經計算,龍潭組鉆井液當量密度ECD的窗口為1.18～1.22 g/cm3。

4 結論

(1)通過皖油地1井的施工,為區域類油氣鉆探提供了寶貴的地層資料和鉆井經驗。

(2)寧國凹陷二疊系龍潭組泥頁巖地層易坍塌,低密度的鉆井液不能穩定保持鉆井液液注壓力和地層壓力平衡,易造成井壁失穩。

(3)寧國凹陷棲霞組、船山組和黃龍組存在裂縫性地層,地層漏失；船山組存在純石膏層,易造成鉆頭泥包,應當提前防范。

(4)通過窄鉆井液密度窗口條件下的鉆進方法的研究,為研究區鉆井工程積累技術經驗,有利于區域內下一步鉆井工藝的優化。