安徽皖江地区页岩气钻井施工技术难点及对策探讨

秦鹏飞,吴承国，蒋冬冬,倪晋刚

（安徽省煤田地质局第二勘探队, 安徽芜湖 241001）

0 引言

近几年来，页岩气被称为“天然气战略新锐”，受到国家能源勘探的重视。页岩气是以吸附和游离状态存在于泥页岩中的可开发利用的气藏，表现为典型的“原地”成藏模式。页岩气是一种典型的非常规天然气，在20世纪70年代中期以前曾被归入非经济可采资源，但是随着天然气开发技术的进步及对气体能源需求的剧增而逐渐转变为经济可采资源。目前北美地区是全球页岩气商业开采的领头羊，2015年美国页岩气产量达到2800×108m3，占美国天然气总产量的约1/3，已在世界范围内引起巨大的关注，引发所谓的“页岩气革命”。我国自2004年起，国土资源部油气战略研究中心与中国地质大学（北京）合作开展了页岩气资源的研究工作，2011年，国务院批准页岩气为新的独立矿种，成为我国第172种矿产。安徽省于2010年开始涉足页岩气资源调查研究工作，并由中石化华东分公司2010年在安徽宣城地区完成了安徽省页岩气调查第一口探井-宣页1井，井深达2848m，后期安徽省又实施了一些其他页岩气勘探项目。安徽省煤田地质局第二勘探队于2015年组织实施了安徽皖江地区1∶5万页岩气地质调查子项目-皖江地区页岩气调查地质钻探施工工作。该项目于2016年03月02日第一口页岩气地质调查井“港地1井”开钻，至2016年11月09日 “南地1井”顺利终孔，共完成钻井两口，完成工作量3004.82m（设计3000m），完成率100.16%。钻井质量评定：两井均为甲类孔，优质率100%。

1 项目目标及任务

1.1 项目目标

获取钻井地质资料，取全取准目的层系岩性、厚度等相关资料，为该区地质层位标定提供依据。查明安徽皖江地区地层层序，获取地表深部大隆组、龙潭组、孤峰组、五峰-高家边组富有机质泥页岩厚度、有机地球化学、储集性能和含气性等页岩气评价参数，探索区域构造发育特征，为评价安徽皖江地区页岩气资源潜力提供资料支撑。

1.2 工作部署

本项目共部署钻井两口。其中“港地1井”位于港口-水东地区，行政隶属安徽省宣城市宣州区。“南地1井”位于南陵县三里镇地区，行政隶属安徽宣城市和芜湖市交界处，井位示意图见图1。

2 钻井设计及技术要求

2.1 钻井设计

钻井设计深度：详见表1，孔深误差范围：≦1‰。

设计倾角：90°（直孔），钻孔弯曲度全孔允许范围：≦2°/100m。

图1 安徽皖江地区页岩气调查井井位示意图Fig. 1 Locations of shale gas survey wells in the Anhui Wanjiang area

表1 安徽皖江地区页岩气调查井设计情况表Table 1 Design of shale gas survey wells in the Anhui Wanjiang area

2.2 钻井技术要求

该工程项目涉及钻探工程施工与编录测试，使用钻井能力大于1500m的钻机。技术要求按照国土资源部、中国地质调查局的相关技术规范、规程、标准和井位论证方案执行。

工作方法：要求井深不小于1500m，基岩段全取芯，同步开展录井、测井、固井及钻井评价等配套工作。

（1）开钻位置：钻井开钻的位置、倾角、方位按设计执行。

（2）岩矿芯采取：钻穿第四系后至井底连续进行钻井取芯，基岩段取芯率不低于90%。岩矿芯采取要牢靠，防止脱落和残留。残留岩芯过多，影响到采取率时，必须及时打捞。岩芯出筒后按井深和顺序正确排放装入岩芯箱，不得错位和颠倒。岩矿芯提取时准确量取岩芯长度，不得弄虚作假。岩芯箱制作牢固，规格统一。岩芯箱的一侧用红漆以规整的字体写明矿区名称、孔号、箱号、钻机号及箱内岩芯的起讫号。岩矿芯必须写明编号并画上指示钻进方向的箭头，每一回次岩芯用铅笔填写一木隔板，放入箱内相应位置。防止损坏、日晒、雨淋及丢失。

（3）钻井弯曲度：钻进过程中应及时测定钻井弯曲度，确定其在深部的空间位置，以免达不到设计目的。要求每钻进50m，必须进行天顶角和方位角的测定。钻井换径或见主要矿体时，均应加测顶角和方位角。总体井斜不超过8°。水平井底位移不超过200m，偏斜超差时及时设法补救。

（4）井深验证：每钻进100m或在见主要矿体、重要标志层、构造破碎帯以及完钻后均应用钢卷尺丈量钻具，验证井深。井深误差每百米不超过0.1m，超出允许误差时，应及时平差。

（5）钻探野外记录表：由专人负责，认真填写，妥善保管。报表记录做到及时、准确、详细、整洁且客观实际反映情况，完钻后汇订成册，归档存查。

（6）简易水文观测：要对孔内静止水位、冲洗液消耗量、涌（漏）水位置及涌（漏）水量等进行观测，必要时进行专门水文地质观测。

（7）钻井封闭：钻探工程结束验收后，经南京地质调查中心同意的情况下采用水泥浆进行封孔，并在孔口立水泥桩作为标记。

3 钻探工艺选择

3.1 钻探设备

根据钻井设计要求选择钻进能力及工艺技术相匹配的地质岩芯钻机，整个项目共投入钻机设备两台套，详见表2。

表2 主要钻探设备一览表Table 2 List of main drilling equipment

3.2 井身结构

主要的钻井难点是既要取准取全上部地层含气性，同时本井还要求进行全井段连续取芯任务，设计钻遇碳质泥页岩层、煤层,施工中极容易发生井塌、抱钻、井漏、下钻遇阻等事故。设计要求该井采用的绳索钻探技术,钻具环空间隙小,对入井液性能要求高。入井液的黏度和比重过大不利于返浆,反之不利于护壁。因此井身结构设计主要考虑生产施工质量安全要求，兼顾经济性，物料准备与供应的可行性，总体勘探的一致性。

为保证资料录取完整钻井总体采用四开井身结构：Φ150mm→Φ130mm→Φ114mm→Φ95mm，既能保证上部松软地层井眼施工安全，同时此井身结构配套钻头等物资和材料便于准备，购买周期短，能够较好地减少成本，加快钻井施工时效。主要井身结构示意图见图2。

图2 “港地1井”井身结构示意图Fig. 2 Well bore configuration of the Gangdi well 1

3.3 钻进方法

全井采用绳索取芯钻进技术，提高岩矿心采取率同时最大限度减少起下钻的辅助时间，确保含气性测试数据的准确性，提高整体成井效率。

3.4 钻头选择

主要使用金刚石取芯钻头，扩孔使用牙轮钻头。具体钻头使用情况见表3。

3.5 泥浆技术

以“港地1井”为例介绍泥浆配比及使用情况。

3.5.1 上部井段

上部井段岩性主要为砂砾石等破碎及较松软地层，约100～200m，钻井液采用双聚泥浆。在该段主要控制泥浆的黏度和比重，其性能具体要求见表4：

（1）泥浆材料:配制双聚泥浆的材料为清水、黏土、纯碱、聚丙烯腈和聚丙烯酰胺。黏土使用山东产优质膨润土，其造浆率为18m3/t；聚丙烯腈（粉剂），分子量10×104～20×104，水解度36%，聚丙烯酰胺（粉剂）分子量为500×104～700×104，水解度36%，碱为纯碱；清水就地打井抽水。

表3 “港地1井”钻头使用情况及钻井参数统计表Table 3 Drill bits used for the Gangdi well 1 and statistics of drilling parameters

表4 双聚泥浆主要性能Table 4 Main properties of double-polymer mud

（2）泥浆的配制:粉剂腈、胺分别在二个容器内浸泡2d，分别配制10%和0.4%～0.6%浓度的溶液备用。先在泥浆池中放入清水并按比例加入纯碱，然后徐徐加入黏土粉搅拌均匀进行水化24h，加入稀释好的聚丙烯腈搅拌30min后，再加入稀释的聚丙烯酰胺搅拌20min后即成。双聚泥浆的配比见表5。

表5 双聚泥浆配比表Table 5 Double-polymer mud proportioning table

在泥浆使用过程中性能会发生变化，需经常调整和补充新泥浆或处理剂，其调整方法是：降低泥浆比重和黏度时，加入适当聚丙烯酰胺或泥浆；提高黏度时可加入聚丙烯腈或基浆，坚持少调、勤调的原则，以增强泥浆的黏度和切力，很好的保护井壁，防止井壁坍塌和钻井液漏失。并准备足够的堵漏材料，保证施工的正常进行。

3.5.2 下部井段

下部井段地层岩性以扁担山组灰岩、三叠系灰岩及二叠系泥页岩为主，以防漏、预防垮孔为主，主要使用低固相钻井液。低固相泥浆一般是泥浆中黏土固相含量小于4%的泥浆，其最大的特点是泥浆相对密度低，对小口径金刚石钻探施工来说，低固相泥浆可减少钻具回转的摩擦阻力，减少泵压损失，提高机械钻速和减少孔内漏失。对于比较深的钻井，由于黏土颗粒少，高温下也不稠化，能使泥浆性能保持稳定。

低固相冲洗液的配方：清水(H2O) +膨润土+钠羧甲基纤维素(Na-CMC)+纯碱(Na2CO3)

低固相冲洗液性能要求：比重≤1.07；黏度20～24s；pH值9～11；含砂量＜0.5%；失水量＜15mL/30min(表6)。

表6 钻井液分段使用统计表Table 6 Statistics of staged use of drilling fluid

3.5.3 泥浆管理

（1）机组每小班指定一个人员兼管冲洗液。

（2）按规定的比例和要求调整冲洗液，各种化学处理剂不得随意乱加。

（3）钻进过程中，每小班必须现场测试冲洗液性能指标(黏度、比重、失水量、含砂量)一次，并记录在班报上。当冲洗液性能发生变化时，应及时调整；现场冲洗液测试工具应加强保护，用后清洗干净并妥善保管。

（4）钻进过程中，每个钻探回次应清理循环槽，每48h应清理沉淀池。

（5）冲洗液循环系统应避免雨水和地表水流入冲洗液储存池内。

加强泥浆的三级管理，严格遵守双聚泥浆的配制方法和操作程序，聚丙烯腈和聚丙烯酰胺的干粉必须提前浸泡，待全部溶解后方可加入，钻机应由机长负责，班长配合进行调整和管理，每天至少测定一次泥浆主要性能并作好记录，保证达到规定要求。

（6）井场应储备一定量的重晶石粉和除硫剂（碱式碳酸锌），在钻至目的层位前，在备用泥浆池中加入适量的重晶石粉配制重泥浆，替换孔内泥浆，以平衡井内压力，预防钻进到目的层位出现井喷现象；当监测仪器检测到H2S后，应加入烧碱以增加钻井液的pH值，然后加入碱式碳酸锌除硫，防止钻具被快速腐蚀。

4 钻探工程质量管理

（1）严格执行《中国地质调查局地质调查项目管理办法》（试行）（中地调发【2011】18号）及页岩气勘探的其他技术要求。主要从7个方面进行质量管理：施工组织设计，岩矿芯采取率，原始班报记录，钻孔弯曲度，孔深误差测量与校正，简易水文观测，钻孔封闭实施情况。另外，录井及测井作为钻井质量验收的内容。

（2）实行三级质量管理。具体做法为：班组互查、机台或项目组自查、队部对项目进行不定期抽查，发现问题及时提出整改措施限期整改并验收。

（3）钻孔工程质量验收。经南京地质调查中心、地质、钻探各方成立质量验收专家组，首先进行野外现场质量验收，召开质量验收会议，从岩矿芯采取率、原始记录、钻孔弯曲度量、孔深误差测量与校正、简易水文观测、封孔设计及实施、气测录井、物探测井对照钻井设计要求进行钻井质量评定。质量成果：项目所完成两个钻孔全部为甲级钻孔，优质率100%。

5 项目取得成果

安徽皖江地区1:5万页岩气调查项目，设计2个钻孔，完成2个钻孔，完成率100%；设计钻探工程量3000m，完成钻探工程量3004.82m，完成率100.16%。钻井质量评定：甲类孔2个，优质率100%。其中，“港地1井”在二叠系大隆组和龙潭组地层中发现了页岩气、砂岩气、煤层气以及页岩油。该井在二叠系海陆过渡相页岩气钻井方面的重大发现，为安徽皖江地区页岩油气勘探提供了有力支撑。

钻井井深结构采用四开，即：

Φ150mm→Φ130mm→Φ114mm→Φ95mm，结构简单合理，可在同类项目中采用此类结构推广使用。

（3）上部砂砾岩及破碎岩层段主要采用双聚泥浆，下部灰岩段及泥页岩段主要采用低固相泥浆，可在同类地层钻孔施工中借鉴使用。

（4）XY系列绳索取芯钻机在皖南页岩气基础地质调查勘探施工中应用效果良好，可推广使用。

（5）针对项目施工组织设计中提出的影响成井质量的重点环节和关键工序调派相应工作经验比较丰富的专业技术人员，例如泥浆调配直接影响成井安全质量，该项目调配了具有30多年泥浆管理经验的技师负责专门驻点现场调配。

参考文献：

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