鄂咸頁1井鉆探技術(shù)研究及應(yīng)用

葉輝兵， 徐 俊， 汪發(fā)文， 洪 毅

(1.湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊，湖北 宜昌 443100; 2.湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北 武漢 430050)

近年來，隨著國際能源安全形勢和“雙碳”政策壓力的日趨緊張，世界各國都加大了對新型油氣資源和清潔替代能源的勘探力度，如美國發(fā)起了頁巖氣勘探革命，取得一系列勘探成果。自2011年中國將頁巖氣設(shè)立為獨立礦種之后，國家相關(guān)部門和大型油氣企業(yè)都加大了頁巖氣勘探和開發(fā)力度[1]，如中石化在川渝地區(qū)取得頁巖氣勘探和開發(fā)重大突破，發(fā)現(xiàn)并建成中國首個大型頁巖氣田——涪陵頁巖氣田。鄰近川渝地區(qū)的恩施州是湖北省頁巖氣資源分布的重要板塊，也是頁巖氣資源調(diào)查與勘查工作重點部署的片區(qū)。2018年初，恩施州政府將頁巖氣開發(fā)利用納入全州清潔能源產(chǎn)業(yè)集群，并直接由州政府出資實施頁巖氣工業(yè)探井，其中就包括咸頁1井[2]，該井鉆探的主要目的：①查明湖北咸豐地區(qū)下二疊統(tǒng)—上奧陶統(tǒng)的地層序列，為該區(qū)地震地質(zhì)層位標定提供依據(jù)；②查明該地區(qū)主要目的層上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖含氣性，并且力爭獲得頁巖氣重大發(fā)現(xiàn)；③通過對鉆取的巖心等實物資料進行實驗測試，獲取目的層頁巖礦物組成、地球化學(xué)特征、儲集物性及巖石力學(xué)性質(zhì)等關(guān)鍵評價參數(shù)，為優(yōu)選頁巖氣有利層段提供依據(jù)。

與石油鉆井施工不同，咸頁1井的鉆探施工只有有限的地質(zhì)資料作支撐，在地層巖性、地層壓力梯度、氣體成分等未知情況下施工技術(shù)難度大，面臨著巨大的工程風(fēng)險，亟需制訂出有效的解決方案。本文根據(jù)頁巖氣探井鉆探工藝特點，重點研究了鉆探鉆進技術(shù)參數(shù)優(yōu)化、未知氣層取心鉆探工藝、漏失地層沖洗液體系研究等技術(shù)，為后期該區(qū)塊的頁巖氣鉆探工程和勘探開發(fā)提供了重要的支撐作用。

1 鉆井設(shè)計技術(shù)要求及難點

1.1 鉆井設(shè)計要求

(1) 該井設(shè)計井深1 707 m(最終井深以地質(zhì)設(shè)計為準)，井深誤差允許范圍≤1‰，終孔直徑≥215.9 mm。

(2) 目的層連續(xù)取心不少于80 m，取心直徑≥80 mm，平均采取率≥85%。

(3) 鉆進過程中，每100 m測量一次鉆井方位角和頂角，鉆井彎曲度≤2°/100 m。

(4) 井徑擴大率≤20%。

(5) 沖洗液中不能添加含油、含熒光等影響巖心樣品質(zhì)量和氣體化驗分析結(jié)果的處理劑，同時在目的層鉆井過程中，只能使用暫堵性堵漏材料。

1.2 鉆井技術(shù)難點

(1) 地層復(fù)雜，孔壁穩(wěn)定性差[3]。鉆遇覆蓋層松散破碎，膠結(jié)性差，鉆進過程中易掉塊坍塌，沖洗液漏失層段多。一開和二開鉆進過程中，隨著孔深的增加，鉆具摩阻增加，在軟硬互層地段易井斜和漏失，特別是鉆遇泥巖和頁巖等水敏性強、水化嚴重井段，井壁更加容易垮塌，同時在裂隙層易存在失返性漏失，極易造成井下事故。

(2) 取心鉆進安全風(fēng)險高，巖心采取率要求高。鉆探目的層為含氣層，地層壓力不明，在取心的過程中，下部鉆具組合需要安裝內(nèi)防噴工具，這將導(dǎo)致常規(guī)取心作業(yè)時，鋼球無法投入到取心鉆具上球座，增加了取心時割心難度。此外，根據(jù)設(shè)計要求，該井巖心直徑≥80 mm，平均采取率≤85%，巖心采取率要求高。

(3) 井控技術(shù)亟需提高，安全隱患大。在油氣鉆井領(lǐng)域，井控工作是鉆井工作的重點，特別是作為一口頁巖氣探井，面臨的井控壓力更大。由于以往固體礦產(chǎn)勘查過程中，多采用機械巖屑鉆機，鉆探目標區(qū)別很大，基本沒有設(shè)計井控工作，在技術(shù)、裝備和人員上存在著先天不足，因此在鉆井的過程中，如果鉆遇高壓氣層，快速控制井口難度大，施工安全難以保障。

(4) 需要高性能的沖洗液體系。該井在鉆井過程中，首先要解決因沖洗液引發(fā)的井壁水化膨脹難題，其次就是針對漏失和失返性漏失地層，能進行隨鉆堵漏。特別在發(fā)育大量裂隙的目的層鉆進時，只能采取暫堵性堵漏措施，待完成鉆進之后，再進行頁巖氣儲層解堵工作，最大限度地保護儲層。這些性能要求限制了部分封堵性材料的使用，卻大大地提高了沖洗液體系的性能要求[4]。

(5) 其他難點。在鉆井施工過程中，沖洗液漏失是常見的井下問題，如果堵漏不及時，將誘發(fā)一系列事故[5]。特別是在漏失較快或者發(fā)生失返性漏失時，如堵漏不及時，極有可能導(dǎo)致環(huán)空液面突然下降，環(huán)空壓力瞬間降低；在頁巖氣儲層鉆進時，很有可能引發(fā)漏失轉(zhuǎn)井噴的嚴重事故。因此，在頁巖氣鉆進施工的過程中，必須對沖洗液的漏失和堵漏問題有足夠的認識。

2 鉆探工藝技術(shù)

2.1 鉆探設(shè)備選型

鉆探設(shè)備的選型在整個施工過程中至關(guān)重要，主要是根據(jù)孔深、最大鉆具質(zhì)量和遇阻后提升能力進行綜合評估[6]。根據(jù)該井鉆探目的、設(shè)計孔深(1 707 m)、設(shè)計終孔口徑(215.9 mm，配用89 mm鉆桿)，依據(jù)鉆機負荷的能力大小，選用DB-3500型鉆機(荷載能力1 350 kN)進行鉆探施工，同時配備雙閘板防噴器和液氣分離器等相應(yīng)的配套器具，以保證安全施工。

2.2 井身結(jié)構(gòu)

井身結(jié)構(gòu)是鉆井工程重要的設(shè)計內(nèi)容，合理的井身結(jié)構(gòu)在大幅度節(jié)約成本的同時，能最大限度地避免各種井下事故，從而有效提升鉆進綜合效率[7]。根據(jù)該井的重要性和鉆遇地層的實際情況，井身結(jié)構(gòu)采用三開鉆進形式(圖1)，詳細數(shù)據(jù)見表1。

圖1 井身結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Well structure diagram

表1 井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表Table 1 Table of well structure data

2.3 鉆探施工技術(shù)參數(shù)

(1) 一開鉆進技術(shù)參數(shù)(表2)。一開鉆進設(shè)計井段0～70 m，實際孔深63.86 m。原則是封隔地表易漏、易垮塌層，建立井口。套管采用Φ339.7 mm、鋼級J-55、壁厚9.65 mm的API套管。其重點工作是防斜，為控制井眼軌跡，采用塔式鉆具組合，其鉆具組合為：Φ444.5 mm三牙輪鉆頭+變徑接頭+Φ203.2 mm鉆鋌×3+變徑接頭+Φ177.8 mm鉆鋌×3+變徑接頭+方鉆桿。

表2 一開鉆進技術(shù)參數(shù)表Table 2 Table of first drilling technical parameters

在鉆進過程中，采用垂直吊打，并且及時調(diào)整鉆進參數(shù)，沖洗液使用膨潤土—正電膠體系，便于封隔地表易漏、易垮塌層。在鉆完地表后，沖洗液維護的重點是控制井壁垮塌和井漏，在沖洗液里加入適量的防塌劑適當(dāng)提高其黏度，以降低失水量。起下鉆過程中做到操作平穩(wěn)，防止壓力激動引起井漏。

(2) 二開鉆進技術(shù)參數(shù)(表3)。二開設(shè)計井段70～1 002 m，實際孔深904.33 m。本段施工鉆遇泥盆系云臺觀組下段和志留系紗帽組、羅惹坪組、新灘組。云臺觀組下段巖性主要為細砂巖，紗帽組和羅惹坪組地層主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，新灘組巖性主要為粉—細砂巖。其鉆進重點工作是防止泥巖和石英砂巖軟硬互層導(dǎo)致的井斜和沖洗液漏失難題。在鉆進過程中，需要及時調(diào)整鉆壓、鉆速等鉆進參數(shù)，沖洗液使用聚合物防塌沖洗液體系，密度為1.06～1.10 g/cm3，漏斗黏度為30～45 s,含砂量≤1%。在鉆進過程中，根據(jù)實際情況及時調(diào)整沖洗液參數(shù)，如發(fā)生井涌現(xiàn)象時，在原有的基礎(chǔ)上添加膨潤土和羧甲基纖維素，提高鉆井液的黏度；如發(fā)生漏失時，及時調(diào)整沖洗液配方，加入803堵漏劑。

表3 二開鉆進技術(shù)參數(shù)表Table 3 Table of second drilling technical parameters

(3) 三開鉆進技術(shù)參數(shù)(表4)。三開設(shè)計井段1 002～1 707 m，實際孔深904.33 m。本段施工鉆遇志留系新灘組、龍馬溪組和奧陶系上統(tǒng)五峰組、寶塔組。新灘組巖性主要為粉砂巖、細砂巖(中部含泥巖層，下部為頁巖層)，五峰組巖性主要為頁巖，寶塔組巖性主要為灰?guī)r層。作為目的層，重要工作是頁巖氣層的取心和地層裂隙產(chǎn)生的漏失難題。沖洗液使用膨潤土FA-367體系，密度為1.07～1.10 g/cm3，漏斗黏度為26～35 s,含砂量≤1%。設(shè)計的泥漿體系滿足實際鉆進需求。

表4 三開鉆進技術(shù)參數(shù)表Table 4 Table of third drilling technical parameters

2.4 取心鉆探工藝

咸頁1井作為鄂西地區(qū)的一口頁巖氣調(diào)查井，本次取心則是采用常規(guī)取心技術(shù)。常規(guī)取心工具入井之后，都需要通過鉆具將小鋼球投入取心鉆具上部球座，封閉取心內(nèi)筒，從而避免高壓鉆井液沖蝕巖心。按照石油行業(yè)協(xié)會的規(guī)定，在高壓高含硫區(qū)塊進行鉆井作業(yè)時，其下部鉆具組合必須安裝內(nèi)防噴工具來保證施工安全，而這將導(dǎo)致常規(guī)取心作業(yè)時鋼球無法投入到取心鉆具上球座。針對此種情況，為了保證鉆進取心的安全，本次取心采用了川7-5型(不投球)自動卸壓取心工具，實現(xiàn)了下部鉆具組合中安裝內(nèi)防噴工具的常規(guī)取心作業(yè)，有效保障了未知地層壓力區(qū)塊鉆進取心的安全作業(yè)。

川7-5型取心工具[8]結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由巖心爪組合件、外筒、內(nèi)筒、自動卸壓機構(gòu)、差值短節(jié)(或穩(wěn)定器)、旋轉(zhuǎn)總成(A型)、安全接頭等部件組成。巖心爪組合件由卡箍座和卡箍組成。自動卸壓機構(gòu)由單流球座、梅花擋板和鋼球組成(圖3)，通過取心內(nèi)筒與鉆桿內(nèi)鉆井液壓差，迫使鋼球上下運動來自動調(diào)節(jié)平衡內(nèi)筒壓力，從而有利于巖心進入內(nèi)管，并能有效避免鉆井液對巖心的沖蝕，同時也解決了使用常規(guī)取心鉆具時的投球難題。旋轉(zhuǎn)總成由軸承盒、軸承和心軸組成，其心軸能避開鉆井液的沖刷，從而能提高其強度。川7-5型取心工具的主要技術(shù)參數(shù)見表5和表6。

圖2 川7-5型取心工具結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure drawing of Chuan 7-5 core-taking tool

圖3 自動卸壓機構(gòu)Fig.3 Automatic pressure relief mechanism

表5 川7-5型取心鉆具主要技術(shù)參數(shù)表Table 5 Table of main technical parameters of Chuan 7-5 type core drilling tools

表6 川7-5型取心鉆具推薦取心鉆進參數(shù)表Table 6 Recommended coring drilling parameters table for Chuan 7-5 type core drilling tool

本次取心井段位于孔深1 441.81～1 525.92 m，總計11回次，進尺84.11 m，巖心長83.04 m，平均巖心采取率為98.73%(取心情況見圖4，取心數(shù)據(jù)見表7)，符合設(shè)計取心要求。本取心段鉆頭選型得當(dāng)，有效提高了取心鉆進效率，取心純鉆時間為39.83 h，鉆進時效為2.11 m/h，鉆頭磨損不明顯，與地層匹配度高，達到了預(yù)期鉆探取心目的。

表7 咸頁1井取心數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 7 Statistical table of coring data from Well Xianye 1

圖4 取心現(xiàn)場圖Fig.4 Coring field drawing

2.5 井控優(yōu)化技術(shù)

頁巖氣探井工程施工的重點工作之一是預(yù)防氣井井噴。本次結(jié)合鉆探實際情況，在不同鉆井階段使用不同的防噴器組合:一開鉆進過程中，采用了FZ35-35液動單閘板防噴器；二開作為目的層，采用了2SFZ35-21手動雙閘板防噴器。在方鉆桿安裝旋塞閥，對壓力管匯、液氣分離器、放噴管匯等關(guān)鍵井控設(shè)備進行優(yōu)化，最終形成完整的井控設(shè)備體系。同時結(jié)合鉆探工藝，借鑒石油行業(yè)標準，制訂相關(guān)井控措施和標準，對從業(yè)人員進行推廣和培訓(xùn)，并堅持每周進行一次防噴演習(xí)，提升防控安全意識[3]。

3 復(fù)雜情況及采取的技術(shù)措施

咸頁1井在鉆進過程中遇到的主要復(fù)雜情況為二開井段嚴重漏失和三開井段取心上部掉塊(表8)。二開井段鉆遇漏失地層后，及時調(diào)整沖洗液配方，加入堵漏劑堵漏，在嘗試各種方式無效后，改為頂漏鉆進，同時鉆進至一定深度后，在鉆桿底部捆綁密封塞下放到指定深度灌漿，觀察鉆桿內(nèi)和環(huán)空內(nèi)的液面變化，查找漏失點，最終證實漏失段在井深470～484 m、525～530 m、823～827 m。井內(nèi)靜態(tài)液面在井深136 m處，后期采用水泥漿分段堵漏，先堵下部，后做木塞架橋堵上部。用水泥分段堵漏成功后，下套管固井。

表8 鉆遇主要復(fù)雜情況統(tǒng)計表Table 8 Statistics table of main complicated drilling situations

4 施工效果及分析

(1) 鉆進時效分析。一開井段完鉆井深63.86 m，進尺63.86 m，總時間為648 h(包含7月7—19日導(dǎo)管段固井、建方井、維修電機、安裝一開防噴器等一開前整改工作312 h)，純鉆時間為172.17 h，平均機械鉆速為0.37 m/h。二開完鉆深度904.33 m，進尺840.47 m，總時間為1 392 h(期間等待泥漿和堵漏材料，反復(fù)堵漏)，純鉆時間為325.42 h，平均機械鉆速為2.58 m/h。三開完鉆井深1 545.33 m，進尺641 m，總時間為840 h(包含7天停工等待川7-5型的取心工具)，純鉆時間為228.33 h，平均機械鉆速為2.81 m/h。鉆井周期為120 d，鉆機臺月為4臺月，鉆機月速為386.33 m/臺月，全井純鉆時間為725.92 h，平均機械鉆速為2.13 m/h。

(2) 井身質(zhì)量。咸頁1井三維井眼軌跡如圖5所示，垂直投影如圖6所示，水平投影如圖7所示。該井實鉆井深1 545.33 m，0～1 000 m最大井斜1.73°，最大全角變化率為0.71°，最大水平位移為13.5 m，井徑擴大率為0.77%，均滿足設(shè)計要求；1 000～2 000 m最大井斜為4.87°，最大全角變化率為1.10°，最大水平位移為38.76 m，井徑擴大率為3.56%，均滿足設(shè)計要求。鉆進過程中采用連續(xù)測斜儀進行井身質(zhì)量監(jiān)控，按每25 m測量一點并計算全角變化率、水平位移。

紅線為實際軌跡；藍線為對稱軌跡圖5 咸頁1井三維井眼軌跡Fig.5 Three-dimensional borehole trajectory of Well Xianye 1

圖6 咸頁1井的垂直投影圖(閉合方位306°)Fig.6 Vertical projection of Well Xianye 1

圖7 咸頁1井的水平投影圖Fig.7 Horizontal projection of Well Xianye 1

(3) 取心質(zhì)量。取心段為1 441.81～1 525.92 m，取心進尺84.11 m，心長83.04 m，巖心采取率為98.73%，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論與建議

(1) 咸頁1井是湖北省地質(zhì)部門在鄂西地區(qū)施工的第一口頁巖氣探井，無相關(guān)參考資料和經(jīng)驗，對施工隊伍來說是一個非常大的挑戰(zhàn)，因此該井的順利實施具有里程碑的意義。

(2) 咸頁1井達到了鉆探目的，查明了奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組的頁巖氣含氣量，其獲得的巖心實物資料以及鉆井、錄井、測井等相關(guān)數(shù)據(jù)資料，為評價該地區(qū)的頁巖氣資源潛力提供了可靠依據(jù)。

(3) 工程實踐證明，川7-5型自卸壓取心技術(shù)在咸頁1井得到成功應(yīng)用，實現(xiàn)了高風(fēng)險區(qū)塊頁巖氣井(不投球)安全高效取心鉆進的同時，巖心采取率高達98.73%，取得了較好的效果，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

(4) 建議加大湖北省大型鉆探施工技術(shù)及裝備的科研投入，實現(xiàn)鉆探過程機械化向自動化和智能化轉(zhuǎn)變，從而進一步提升全省的鉆井技術(shù)水平和裝備智能化程度。