页岩气调查黔地4井钻探技术

王宗友，陈 刚，乔生贵

(四川省煤田地质局一四一队，四川 德阳 618000)

1 地层概况

黔地4井是部署在渝东南凹陷褶皱带濯河坝向斜南段的一口页岩气地质调查井，目的层为下志留统龙马溪组—上奥陶统五峰组，设计井深2400 m。钻探目的是进一步探索黔江页岩气区块南部有利区五峰组-龙马溪组页岩含气性，获取目的层段有关评价页岩气的各项地质参数。

1.1 地层

钻井位置区域预测地层见表1。

1.2 油、气、水层位置预测

表1 区域地层

预计井漏及气显示层段见表2。

1.3 预测地层产状及断层情况

表2 黔地4井油、气、水、漏显示层段预测

黔地4井位于濯河坝向斜南部，西临天馆背斜，东临咸丰背斜，向斜轴线呈南北条带分布(两背斜夹一凹)；凹陷轴部发育顺轴断层F5，断层西部地层较陡，地层为东倾，断层东部地层相对较为宽缓，地层倾角约为18°，龙马溪组—五峰组地层与咸丰背斜接触处为逐渐尖灭，黔地4井位置距目的层尖灭线6.2 km，埋深相对较深。

2 钻井质量指标及技术要求

钻井工程质量按设计标准及《地质岩心钻探规程》(DZ/T 0227—2010)第16条钻探工程质量执行。其中目的层段五峰组—龙马溪组岩心采取率≮95%。严格控制全井井斜，正常钻进中用ADS测斜仪进行井身质量监控，根据规范测斜，每钻进50 m测一次，取得井斜角和方位角资料，井斜超标时要采取控制措施并加密测量。钻井地质设计如下。

项目名称：黔地4井钻井工程；

井号：黔地4井地质调查井；

地理位置：重庆市酉阳县双泉乡城墙村3组；

设计井深：2400 m；

设计执行标准：SYT 5965—2010；

井型：直井；

完钻层位：中奥陶统宝塔组；

目的层：龙马溪组—五峰组。

3 钻井工艺技术

3.1 钻探设备、机具配置

钻探主要设备根据施工的钻井目的、施工的环境条件、钻探方法、钻井深度、终孔直径等综合因素确定。主要设备见表3。

3.1.1 钻机

黔地4井设计孔深2400 m，终孔口径95 mm，钻机选用AC-VFD-AC交流变频电驱动全数字控制的XD-30DB型顶驱岩心钻机[1],主要部件及配套系统包括:钻塔、顶驱、主绞车、电气传动控制系统(VFD房)、司钻房、绳索取心绞车、液压站、动力钳、工具卷扬、泥浆泵。钻机远景见图1。

表3 钻探设备配置

图1 XD-30DB型交流变频顶驱岩心钻机

XD-30DB型交流变频顶驱岩心钻机钻井深度Ø77 mm口径钻深能力可达4000 m，Ø95 mm口径3000 m，Ø122 mm口径2000 m，满足地质设计井深要求。该型钻机配以先进的数字化操控司钻台，能实时监控钻孔内钻进参数，能有效地控制并减少钻探事故，最大行程15 m，工艺适用性好，信息化程度高。

3.1.2 泥浆泵

泥浆泵选择主要根据钻孔的深度及直径，以能顺利循环、排渣，达到携带岩粉，冷却钻具、钻头的能力。本井选择BW300/16型泥浆泵，该泵主要用于中深孔及深孔岩心钻探泵送冲洗液,交流变频，最大流量300 L/min。

3.1.3 防喷器

防喷器是井控装置的关键部分，通过分析临近钻孔资料，该地区属于低压区，选择额定工作压力为35 MPa的2FZ18-35型液动双闸板防喷器。

3.2 钻井结构设计及优化[2]

3.2.1 井身结构设计

根据地层特点、钻孔深度及终孔直径，钻孔设计结构为：Ø219 mm钻头开孔钻进至10 m，下Ø180 mm套管并固井；换Ø122 mm钻头钻进至600 m，穿过灰岩漏失地层；Ø165 mm钻头扩孔，下Ø140 mm套管护壁固井；Ø122 mm钻头钻进至1200 m，直接用Ø114 mm钻杆作为技术套管；Ø95 mm钻头钻进至终孔。

3.2.2 井身结构优化

3.2.2.1 优化依据

钻井井深至491 m，在最易漏失段茅口组、栖霞组灰岩没遇见大的裂隙及溶洞，有中小漏失通过随钻堵漏已能止漏，只在431～454 m井段地层换层，出现裂隙及岩石破碎,发生过几次失返性漏失，采用水泥浆液封堵已护好井壁。钻孔已经穿过易漏失的茅口组、栖霞组灰岩，并通过梁山组钻进至韩家店组50 m，漏失情况完全控制住，返浆良好。经地质部门综合对比分析，目前已钻韩家店组穿过了顶部漏失层段，下部岩石整体较为完整，在韩家店组及下部地层可能存在微裂缝较发育现象，但可排除较大规模裂缝发育、发生恶性井漏的可能。对黔江、酉阳东区块已有钻井情况的分析，受区域地质及构造条件的控制，黔地4井保存条件差，地层压力系数低，在韩家店地层不可能发育高压气层。

若钻孔直径从Ø122 mm扩孔至Ø165 mm至井深491 m，上部地层长井段扩孔会导致已封堵地层出现再次漏失，导致堵漏、蓄水等辅助时间长，且增加出现井内复杂情况的扩孔风险，延长工期。原井身结构设计扩孔固井的目的是防止漏失、垮塌、安装防喷器，目前孔内漏失问题已解决，并且孔内无垮塌情况，431～454 m井段水泥固井良好。

3.2.2.2 优化后实际井身结构

Ø122 mm钻头钻至849.73 m，直接将Ø114 mm绳索取心钻杆作套管，下部100 m水泥固井，井口安装防喷器。Ø95 mm钻头钻至终孔井深2258 m，实际井身结构见图2。

图2 实际井身结构

3.3 钻进工艺

黔地4井除Ø219～165 mm开孔导管及扩孔段外，一开、二开口径采用绳索取心钻进工艺[3-4]。利用绳索打捞器捞取岩心容纳管取心钻进技术具有多方面的优点，其中最突出的优点之一是工程质量高，地质效果好，提高钻进效率。

3.4 绳索取心金刚石钻头

3.4.1 钻头方案设计

黔地4井钻遇地层主要岩性为灰岩、泥页岩、粉砂质泥页岩、泥质粉砂岩、灰质粉砂岩，岩石可钻性级别以4级为主。岩石硬度较软，研磨性较弱，选用中等硬度细颗粒孕镶金刚石钻头[5]。绳索取心钻头的水口适当加宽，方便排渣，降低泵压,钻头内径加大金刚石浓度，防止钻头内径磨损过快。根据岩石可钻级别，胎体硬度HRC30～40，唇面型式为同心尖齿、同心阶梯齿为主。见图3。

图3 绳索取心金刚石钻头

3.4.2 钻头效率

钻进施工中，开孔导管段Ø219、165 mm为单管复合片钻头。Ø122、95 mm为绳索取心孕镶金刚石钻头，胎体硬度为HRC37～39。

一开使用Ø122 mm金刚石钻头4个，平均进尺180 m,最大钻头寿命412 m；二开使用Ø95 mm钻头9个，平均进尺158 m，最大寿命466 m。

3.5 钻进参数

XD-30DB型钻机最大转速600 r/min，为新购钻机，对钻机性能掌握有限，使用中为预防顶驱电机温度过高损坏顶驱，对转速进行限速设置；钻压略大于钻杆二次弯曲临界钻压，对防止钻孔偏斜有利[7]，钻进参数见表4。1015～1185 m钻压>15 kN，孔斜增大，为控制孔斜，1185 m后将钻压控制在12 kN以内。

表4 钻进参数

3.6 钻井液及护壁

3.6.1 钻井液性能

黔地4井钻遇地层相对稳定，钻井液[6-9]性能主要控制以下几点。

3.6.1.1 泥浆润滑性能

绳索取心钻进工艺主要是靠高转速研磨破碎，在钻具高转速下泥浆的润滑性能对钻具的保护尤为重要，尤其是深孔钻进。

3.6.1.2 泥浆携带岩屑的能力

深孔钻进过程中岩粉及岩屑若不能及时排出，就会造成岩屑重复破碎，影响钻进效率，同时岩粉过多会造成打捞岩心时(停泵)泥浆反压，造成内管遇卡情况的出现。

3.6.1.3 泥浆的护壁性能

泥页岩及破碎地层要控制好泥浆失水量及泥饼质量，减少泥浆中水的渗透，降低岩层吸水胀及垮塌的风险，长井段的裸眼需要稳定的井壁，保证取心钻进顺利进行。

3.6.2 钻井液配方

钻井液采用无固相—低固相泥浆，配比为：基浆+0.3%片碱+0.5%CMC+0.02%聚丙酰胺+0.5%特效润滑剂+0.5%聚乙烯单体共聚物141+0.3%保壁剂+低荧光防塌降失水剂。钻遇漏失地层加0.2%～1%随钻堵漏剂。

3.6.3 钻井液测试

主要测试其粘度、密度、失水量。粘度控制在20～24 s，密度1.01～1.03 g/cm3，API失水量<10 mL/30 min。

该井钻井液主要强调降失水、润滑性。消耗较多的材料为低荧光防塌护壁降失水剂、特效润滑剂。

3.6.4 护壁堵漏[10]

(1)堵漏:失返性漏失有2段，通过常规堵漏无效后用水泥封堵，轻微漏失段通过随钻堵漏剂堵漏。水泥封孔堵漏见表5。

表5 水泥浆堵漏统计

(2)固井:0～10.7 m下Ø180 mm套管，10.7～21 m下Ø140 mm套管并固井；一开Ø122 mm钻进结束，用Ø114 mm绳索取心钻杆做技术套管，并在底部和顶部封固套管，考虑到井控安全及后期方便起拔套管，下部固井段至少封闭100 m，在705.93 m处用正反扣接头连接上下部套管，方便起拔，在上部环空封闭以防止岩屑、岩粉窜入环空间隙。

4 保质增效技术

4.1 加长岩心容纳管

二开Ø95 mm钻进,采购和配套4.5 m长绳索取心内外管组合，每回次的取心长度增加1.5 m，提高了纯钻进时间,相同时间内钻进效率提高12.6%。

4.2 卡取岩心技术

4.2.1 岩心脱落原因

在钻进韩家店组地层1114～1145 m，新滩组地层2060～2080 m多次掉落岩心，主要原因为钻进过程中岩层软硬互层，存在钻速差,造成岩心外径大小不一，在岩心上形成葫芦状凹槽，回次取心时，遇到岩心直径较小处，卡不住而脱落。

4.2.2 卡取岩心技术

减小卡簧内径，从厂家定制非常规Ø62 mm卡簧(常规卡簧直径62.5 mm)，或通过点焊增加卡簧内径，适当加大卡簧开口处宽度，让卡簧行程更长，适应岩心直径，见图4。回次进尺结束前，适当提高钻压，使钻进岩心减少磨损，更利于卡取岩心。每次卡取岩心时，快速回转钻具，使已卡断的岩心在转动过程中在内管或卡簧内遇到较大的扭矩而卡稳，不易脱落。通过上述措施提高了岩心采取率及钻进效率。黔地4井共取心681回次，进尺2258 m，心长2214.30 m，岩心采取率98%。

图4 卡簧点焊后岩心上形成的拉痕

4.3 孔斜控制

孔斜预防和控制[11-15]是影响钻井质量和钻探效率的主要工艺技术因素之一。本井采用多点KXP-2X型无线数字罗盘测斜仪，由于KXP-2X型测斜仪测方位是在非磁性环境中工作，钻进过程中为减少提钻时间，在钻杆内测斜，主要记录顶角，方位角则通过与内管连接的变径接头伸出钻具在无磁环境中测量，提高测斜效率。钻井在1015～1185 m井斜弯曲强度增大较快，在1185 m控制钻压后孔斜基本保持不变。

(1)井斜原因分析：二开钻进井径由直径Ø122 mm变为Ø95 mm，在1065 m井深内管长度由3.0 m增加到4.5 m,粗径钻具直径变小，长度增加,因而二次弯曲临界钻压降低，未及时调低钻压，造成井斜弯曲强度增大。

(2)孔斜控制措施及效果：在粗径钻具上增加一个扩孔器，起扶正作用。降低钻压在8～12 kN，孔斜得到控制，甚至出现下降情况。通过井斜控制，该井至完钻，没有出现二次增斜,完钻井斜12.6°,见表6。据地质钻探行业钻孔质量标准，孔斜为甲级孔标准。

表6 黔地4井测斜数据

5 环境保护

5.1 环境保护措施

(1)钻场、生活区挖掘废液池，收集钻探机械水泥砂浆硬化，厚度>15 cm,池内壁作混凝土砖砌筑防渗处理，保证废液、废液、废冲洗液、生活污水。废液池及泥浆循环槽底用废浆不渗漏污染地下水体。

(2)废液池中污水在施工和结束后委托酉阳县污水处理厂运移处理。

(3)废弃岩粉及岩屑在复垦前通过加水泥搅拌现场固化，并通过运移、填埋处理。对生活垃圾和其它废弃物统一收集后,在指定场所进行焚烧或填埋。

5.2 土地复垦

井场的碎石、片石垫层彻底清理，井场池类进行回填，机台基础挖去60 cm厚。在原土地上覆以耕土，见图5。

图5 井场土地复垦恢复后的地貌

6 钻井周期及钻效

6.1 钻井周期

本井2016年12月25日开孔,于2017年5月17日钻至2258.00 m完井。7月13日通过钻井井场环保验收。

6.2 钻效

6.2.1 全井段钻效

黔地4井钻井工期141.7 d，平均机械钻速1.78 m/h,钻月效率478 m,不计春节组织停工,钻月效率535 m,其中二开纯钻进时间为42.5%,钻效704 m,详见表7。

表7 钻进效率统计

6.2.2 效率分析

全井生产时间占78.7%，其中纯钻进时间37.4%，全井非生产时间21.3%。与同口径、深度的地质孔相比，黔地4井施工周期短，钻进效率高。一开纯钻进时间33.0%,而非生产时间占34.3%，非生产时间超过纯钻进时间，主要原因：一是春节放假停工15 d，复工完善、调试相关设备,排除孔底沉渣，护壁堵漏等延误工期；二是Ø122 mm绳索取心钻进钻速相对低。二开Ø95 mm钻进，施工时间60 d，进尺1408.29 m,纯钻进时间42.5%,生产时间98.2%，钻效704 m。

7 结语

深孔页岩气全取心调查井配置交流变频顶驱钻机与传统机械传动、油压立轴式钻机比,信息化程度高，钻进参数可无级调速、调整，精确控制，确保安全文明生产，实现优质高效。根据实钻进程优化钻井结构，减小扩孔风险及工作量，钻井结构与钻具匹配合理，提高钻井质量与效率。选用适岩中等胎体硬度孕镶齿轮形、同心圆阶梯绳索取心金刚石钻头，加宽水口，加大钻头内外径金刚石浓度，钻头寿命高，减小起下钻次数及时间，提高钻进效率。加长绳索取心内管长度，由常规3.0 m加长至4.5 m,相同时间,钻效提高10%以上。采用防渗、固化、运移、污水外理、粘土覆土等环境保护措施，达到保护环境、土地复垦目的。黔地4井一开Ø122 mm钻进，今后项目施工应在不超钻机额定最高转速的情况下，提高转速，发挥绳索取心工艺孕镶金刚石钻头高转速碎岩的特点，钻效会进一步得到提高。针对性的技术措施须与严格的组织管理措施结合，方能更好地实现优质高效。

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