充气钻进技术在黔北地区下寒武统页岩气钻井中的研究与应用——以YX1井为例

黄 勇

(北京大地高科煤层气工程技术研究院，北京 100040)

0 引言

黔北地区是我国页岩气勘探开发的重要地区之一。随着国土资源部第二轮页岩气招标区块勘查工作的不断推进和黔北页岩气勘查试验区的确立，页岩气勘探开发步伐不断加快[1-2]。近年来，相比黔北地区页岩气资源评价方面的研究成果，勘探开发适用性技术的研究成果较少，而钻井技术方面的研究工作更显薄弱。

目前，黔北地区已有的钻井主要包括小井眼的地质调查井和为数不多的预探井。地质调查井的施工主要依靠具有本地区施工经验的煤炭勘查和地勘队伍，预探井主要由各大油田企业下属井队实施。黔北地区主要的页岩气勘查层系以下寒武统牛蹄塘组为主，上覆地层岩性多以碳酸盐岩为主，加之本地区经历了多期次构造运动，造成钻井地质条件复杂，地层漏失、出水等问题频发，导致钻井液消耗量大、辅助时间长、钻井周期长等问题[3-5]。

1 钻遇地层及含水层

YX1井是黔北某区块部署的一口页岩气探井，钻遇地层包括寒武系娄山关组、高台组、清虚洞组、金顶山组、明心寺组、牛蹄塘组及震旦系灯影组(未穿)。其中娄山关组及高台组岩性以白云岩为主，含少量灰质；清虚洞组灰质成分增加，岩性以灰岩及白云质灰岩为主；至金顶山组碳酸盐成分明显减少，以泥岩或砂质泥岩为主；明心寺组以粉砂质泥岩为主；目的层牛蹄塘组底部为黑色富粘土硅质页岩与硅质页岩，中上部以粉砂质泥岩为主；灯影组顶部为层状、块状白云岩。

由于上部地层以白云岩等碳酸盐岩为主，溶洞、裂缝发育，为该区主要含水层。YX1井在钻遇娄山关组至金顶山组时多次发生井漏、地层出水等情况，传统堵漏方法效果很不明显，阻碍了钻井施工的顺利进行。通过分析研究已有钻井工艺技术，借鉴相似地质条件钻井经验，选择充气钻进技术作为适用性工艺，经过工艺改进，实现了漏失地层钻井和地质录井，是漏失地层钻井技术的一种有益尝试，为本区页岩气钻井工艺选择积累了经验。

2 钻井施工概况及存在的问题

2.1 钻井施工概况

YX1井位于黔中隆起东缘，目的层为下寒武统牛蹄塘组页岩气，开孔层位为娄山关组，钻穿寒武系牛蹄塘组进入震旦系灯影组90m完钻。本井为本区第一口预探井，主要钻探目的为获得牛蹄塘组储层特征、生烃能力、储集性能、含气性、压裂工程及产气能力等参数，为下一步勘探开发提供基础。本井构造勘探程度低，邻井参考资料缺乏，地层压力存在不确定性；同时，油气显示层位及含硫性未知。

二开从井深65m处开钻，井深72m时发生井漏，清水强钻至井深85m，期间最大漏速达7.0m3/h，一般漏速约3.5m3/h。采用水泥堵漏后清水强钻至井深136.98m再次发生井漏，最大漏速达12.2m3/h，一般漏速为4.0m3/h。续清水强钻至井深317m，发现钻具放空、井漏失返。先后4次堵漏，共计注入水泥浆78m3，水泥球200粒，棕垫、白棕绳和旧工衣若干后出口未返，宣告堵漏失败。

2.2 施工存在的问题

(1)井漏失返。本井二开采用清水钻进的过程中，在井深317m处放空，发生了井漏失返，利用水泥堵漏后未见成效。综合考虑可能为地层裂缝性漏失，在进行气体钻井的过程中，依然可能会出现井漏失返的状况。

(2)地层出水。在井深317m井漏失返，注水泥堵漏后下钻未探得塞面；起钻时发现液面始终保持在井深40m左右，分析在井深317m可能存在地下暗河，故本井实施气体钻井过程中可能出现地层出水的现象。

(3)录井工作困难。因井漏失返，岩屑录井等工作难以开展，造成录井工作困难，无法完成准确建立地层岩性剖面的工作。

3 充气钻井工艺技术改进

充气泥浆是把空气压缩后注入立管和泥浆混合后进入钻具内形成泥浆泡沫。充气泥浆在解决裂缝性漏失地层堵漏和提高机械钻速方面具有良好的应用效果，其堵漏原理为：钻井注入的高结构粘度泡沫群体吸附聚集于地层孔隙中不仅能够封堵渗漏通道，还能对渗向地层的自由水产生强烈的排斥作用，形成稳定的疏水屏障，阻碍了自由水的流动，使渗漏进一步减弱；由于泡沫流动产生界面变形吸收能量，并相互粘滞形成高粘度泡沫泥浆，该高粘度泡沫的流变特性既有利于提高钻进效率，又有利于防止和减少漏失；与常规泥浆相比，充气泥浆具有低密度、低液柱压力的特点，依靠低液柱压力形成负压钻进，可以防止脆弱岩石被压裂或闭合裂隙张开贯通，起到防漏作用[6-12]。

(1)充气钻井参数优化。根据HK模式，要实现成功钻穿漏层和水层，就必须使注入气量介于最小注气量与最大注气量之间。通过充气钻井专业软件计算可知：地层压力系数为0.87时，该井段最优充气量为30～60m3/min，液量为40～50L/s。采用两台空压机加一台增压机用6～9MPa压力，空气排量30～60m3/min把空气通过高压管线注入井内，采用空钻和清水强钻相结合：空气排量30～90m3/min，液量40～50L/s立压6.9～7.0MPa，调整好液/气量比同时工作，确保正常钻进，砂子也能返出，大大提高了钻井速度(图1)。

充气钻井期间，通过不断调整气液比，建立了连续循环，使排砂管线出口可以持续返出，有效解决了井漏、出口失返的难题，满足了地质岩屑录井的需要。

(2)地层水返注解决地层出水问题。由于井下存在暗河等原因，充气钻井过程中排砂出口出水量较大，约为80m3/h，污水池容量有限难以容纳，容易造成污水流出造成污染。所以，充气钻井期间，间断采用清水回注井筒内的方法来消耗地面沉砂池内的清水。

(3)带压钻井可以保证钻井安全。何淼等通过实验研究表明：环空近井口段截面含气率对井口回压的变化相当敏感，带压1～2 MPa 钻进可以大幅改善环空近井口处两相流流型，保证充气控压钻井的安全高效作业[13-14]。YX1井钻进过程中，井口压力控制在1.5 MPa，保证了施工安全，充气钻井层段(317～980m)钻效86.6m/d，钻井作业安全高效。

图1 空气钻进工艺流程示意Figure 1 A schematic diagram of aerated drilling technology flow chart

(4)增加碳酸盐岩分析仪，提高岩性识别准确度。充气钻井过程中，岩屑在上返过程中由于高速运动，与钻具、井壁之间的碰撞加剧，使岩屑的颗粒直径由常规的块状变成粉尘状，偶见细粒状岩屑颗粒，给现场地质录井技术人员对岩性识别、定名及分层卡层带来较大困难。因此，在录井过程中增加碳酸盐岩分析仪，以提高岩性识别准确度。在黑色页岩层段还可增加地化录井，以解决判层及优质页岩储层准确定位的问题。

(5)探沉砂防沉砂卡钻。钻进中发生恶性漏失，气体返出量减少或不返时，注意钻进一段后探沉砂情况。如沉砂少，则继续钻进；沉砂多，则增大气量钻进，并根据沉砂情况及时改变或终止气体钻进，防沉砂卡钻。

4 实施效果

通过采用改进后的充气钻井工艺，钻效由泥浆钻井时的62.2m/d提高至87.08m/d，地层漏失情况得到大幅改善，岩屑上返效果大大改善，保证了岩屑录井的正常进行，为岩性剖面的准确建立奠定了基础(图2)。

图2 YX1井钻时及钻效柱状Figure 2 Well YX 1 drilling time and drilling efficiency column

5 结语

(1)充气钻井工艺很好的解决了黔北地区页岩气钻井过程中地层漏失和出水问题，为改善易漏失地层钻井质量，提高钻井效率，保证施工安全提供了有效途径。

(2)黔北地区充气钻井参数可以以以下参数为基础，进行优化调整：空气排量30～90m3/min，液量40～50L/s，立压6.9～7.0MPa。同时在钻进过程中采用清水回注可以解决地层出水问题，井口带压钻井可以提高钻效保证安全。

(3)为弥补充气钻井对岩屑录井的影响，钻井现场建议配备碳酸盐岩分析仪，优质页岩发育层段建议配备地化分析仪，以提高岩性识别精度。

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