宁213井区浅表层环保钻井技术研究

万夫磊，刘洪彬，齐 玉

(1国家能源页岩气研发(实验)中心2川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院)

中国“十三五”页岩气发展规划产量将超过300×108m3，其中长宁页岩气区块是发展规划的重点区块。但长宁页岩气资源多集中在中西部山区，作业区人口密集，开发环境极其敏感，地形复杂，属于典型的喀斯特地貌，表层钻井常遇到:井位临近水源区、地表易漏、表层裂缝和岩溶发育、钻遇地下暗河等问题，表层钻井作业环保极其重要［1－3］。宁213井区附近有河流、农户和农田，周边低位存有大小渔洞、见出水口、空洞，是典型的环境敏感井区。如何构建更加和谐的开发环境，走出一条页岩气绿色开发之路，形成一套长宁页岩气表层环保钻井模板，确保环境不受影响和破坏，成为了长宁页岩气开发工作的重中之重。

一、宁213井区环境影响分析

宁213井井场位于山顶的旱地内，经调查，该井方圆500 m范围内有农户119人，附近有小河沟和农田，且发育很多大小不一的落水洞，在井场北西至北东方向可见较明显的溶蚀洼地。周边低位存有大小渔洞、见出水口、空洞，浅表地层岩溶、地下裂缝和暗河发育，并且呈不规则分布。

由此可见，导眼和一开钻井过程中钻井液漏失有可能造成地表水资源破坏;例如宁201井在嘉四至嘉三段使用1．02 g/cm3密度的钻井液钻进，发生严重漏失，累计漏失量高达4 748 m3，宁207井在地表发生井漏，漏失钻井液造成附近河流浑浊，导致宁207井停钻，给当地页岩气开发带来不利影响。

因此，在宁213井区表层钻井作业中，需对地层进行物探剖析，明确地层含水层，依据地层特性优化井身结构，并在易漏地层采用气体钻井的方式，避免钻井施工对环境造成破坏，以达到长宁页岩气表层环保钻井的目的。

二、表层电磁法地质勘察研究

为明确宁213井区地质特征，有效避免暗河、岩溶等地质复杂，降低井漏复杂率，开展了地层电磁法勘察研究，针对性地勘察表层裂缝、暗河、岩溶发育层，并行采用瞬变电磁法和音频大地电磁法布设勘查。

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源通以脉冲电流为场源，以激励探测目的物感应二次电流，在脉冲间歇测量二次场随时间变化的响应。当发射回线中的电流突然断开时，在介质中激励出二次涡流场，二次场从产生到结束的时间是短暂的，这就是“瞬变”名词的由来。在二次涡流场的衰减过程中，早期以高频为主，反映的是浅层信息，晚期以低频为主，反映的是深层地下信息。研究瞬变电磁场随时间变化规律，即可探测不同导电性介质的垂向分布。

音频大地电磁法是利用人工场源激发地下岩石，在电流流过时产生的电位差，接收不同供电频率形成的一次场电位，由于不同频率的场在地层中的传播深度不同，所反映深度也就与频率构成一个数学关系，不同电导率的岩石在电流流过时所产生的电位和磁场是不同的，音频大地电磁法方法就是利用不同岩石的电导率差异观测一次场电位和磁场强度变化的一种电磁勘探方法。

为了获得精确的勘查数据，在勘查之前进行了一致性试验、极距试验、测量时间试验研究。其中，一致性试验是通过仪器测量结果标定，利用仪器在自身发送额定信号时，所采集得到的曲线均为振幅为1，相位为0的光滑曲线，满足《大地电磁测深法技术规程》规范要求，仪器正常后，即可开展勘查施工;极距试验是选取合适的极距长度，以有利于勘查效率，试验发现，10 m极距不能满足数据质量要求，而20 m、40 m极距均能采集到可靠的数据，兼顾施工进度和效率，最终选择极距长度为20 m。

图1宁213井电磁法地层勘查视电阻率图

通常，采用电阻率异常的方式来进行异常地层划分。对于地表含水、岩溶特征的地层，比对勘查工作成果及反演剖面电性特征，含水岩溶电性属于0.5～25Ω·m范围，为低阻视电阻率，也是地表勘查重点研究的异常。以宁213井电磁法勘查结果为例，如图1显示，根据视电阻率反演剖面的电性特征，结合地表地质调查及收集资料将物探反演剖面中地层进行了大致划分。根据视电阻率反演剖面的电性特征，井场区域岩溶较发育，根据异常划定标准，圈定出了7个低阻异常区，主要发育于嘉陵江组及长兴组地层，其中发育在井口下方标高1 000 m及500 m附近的异常，在钻井作业时应特别注意防范。

三、环保钻井措施研究

1．井身结构优化

最初，宁213井井身结构采用四开井身结构，一开采用 Ø660．4 mm钻头钻至井深30～50 m，下Ø508 mm套管封隔地表疏松及易漏易垮层;二开采用Ø406．4 mm钻头钻至嘉二1～嘉一段垂厚10～15 m左右，下Ø339．7 mm套管封隔上部易垮塌层、易漏层;三开采用Ø311．2 mm钻头钻进至韩家店组顶部20 m，下Ø244．5 mm技术套管;四开采用Ø215．9 mm钻头钻至完钻井深，下Ø139．7 mm套管后期完成。各开次水泥浆均返至地面。

引入电磁法地质勘查后，对井身结构进行重新优化，改用五开井身结构，增下一层Ø720 mm导管，具体如下:一开为保障钻机底座安全，用Ø762 mm钻头钻进硬地层2 m，下Ø720 mm导管，导管固井尽量少留口袋;二开采用Ø660．4 mm钻头钻至井深200 m左右，下Ø508 mm套管封隔地表疏松及易漏易产水层，现场根据实际钻进情况确定下入深度;三开采用Ø406．4 mm钻头钻入飞仙关组顶部50～55 m，下Ø339．7 mm套管封隔嘉陵江水层和漏层，防钻井过程中对当地水源的影响;四开采用Ø311．2 mm钻头钻进至韩家店组顶部20 m，下Ø244．5 mm技术套管;五开采用Ø215．9 mm钻头钻至完钻井深，下Ø139．7 mm套管后期完成。各开次水泥浆均返至地面。井身结构优化如图2所示。

2．气体钻井技术优化应用

二开Ø660．4 mm井段和三开Ø406．4 mm井段采用空气钻井，若出水则根据实际情况转为雾化钻井。若无法实施空气/雾化钻井，制订清水钻井措施后采用清水钻进。

图2宁213井井身结构优化图

前期已经初步开展了长宁页岩气区块表层气体钻井防漏提速技术应用，并取得了较好的效果。例如在长宁H6平台、H11平台、H12平台、H13平台，先采用空气钻井，出水后转雾化钻井的治漏模式，共表层治漏50余井次，避免了因井漏影响地下水的情况，减少了清水强钻因缺水或堵漏造成的等停［1］。

为了进一步提高表层环保钻井效率，开展了气体钻井表层批量化钻井方案研究，形成了表层批量化气体钻井方案，包括设备配套、设备布局、作业程序优化、管线快速安装及人员优化配置等，考虑最大限度的降低安装时间，保持所有设备固定不动，供气管线固定不动，在两台钻机间使用供气管并联，利用控制阀快速切换，井口的5 m排砂管线设计为可快速移动的方式，其余管线保持固定，大大降低了非作业时间，批量化气体钻井作业效率得到保障，同时减少了人员的配置，节约了成本，气体钻井设备单井安装时间降为4．1 h，平均耗用周期仅2．75 d，设备利用率提高28%，减少设备安装时间70%，作业效率大幅提高。

3．表层钻井液体系优化

表层使用钻井液发生井漏是导致环境破坏的最大危险因素，前期，邻井区在表层多使用聚合物体系钻井液，所含的化学物质较多，一旦发生井漏，漏串至地表水处，必将影响地下水，因此，需对宁213井表层钻井所用的钻井液体系进行优化选型，使用清水钻进，无法保障携岩的可使用膨润土钻井液，发生井漏时选用物理堵漏方式，所用的堵漏材料和堵漏剂均需无毒无害，满足环保的要求。同时，开钻前配制预水化膨润土浆120 m3。

4．噪音防治措施

石油钻井施工现场的噪声主要来自钻机动力机组及其配套设备运转产生的机械噪声，高强度噪声对井场周边居住民和场内作业人员均可能造成伤害和干扰。经现场实测，井场区域内平均噪音为85 dB(A)左右，而800 kW柴油发电机组的冷却风扇处噪声为112 dB(A)，排气管噪声为120 dB(A)，机房平均噪声为103 dB(A)，钻台岗位平均噪声为90 dB(A)以上，均超过国家《工业企业噪声卫生标准》及《工业企业职工听力保护规范》中低于85 dB(A)的标准要求。钻井工人每班连续工作时间为12 h，值班住井人员工作往往超过12 h，长期工作在强噪声环境下，身体受到的伤害更大［4－8］。

为降低施工现场噪音，大力推广网电应用，对机械钻井升级改造，采用外电做为主动力，现场柴油机仅做为备用，减少了主要噪声源，效果良好。从根源上避免了强噪源。此外，对柴油机房进行改造，采用了整体隔音棚、降噪发电房等，有效隔绝柴油机等高噪音源，降噪效果良好。

5．其他环保措施

页岩气勘探开发经过不断探索、总结，已初步形成以钻井现场清污分流、钻井液不落地、水基钻井液废液、岩屑无害化处理、回收利用等系列清洁化钻井技术配合应用，在本井区表层钻井中，对环保的重视程度越来越大，满足了环保要求。

四、结论与建议

(1)利用地层电磁法勘察，明确了宁213井区表层地质特征，可针对性的避免暗河、岩溶等地质复杂，降低井漏复杂率，为开展表层环保钻井技术提供理论支撑。

(2)根据宁213井区特有的表层地质特征，通过优化井身结构，有效封隔暗河、岩溶等地层，是实现表层环保钻井的基础。

(3)采用气体钻井技术，优化表层钻井液体系，并配套其他环保措施，可有效保障表层钻井环保，形成了适用于宁213井区表层环保钻井的技术措施，对长宁页岩气环保钻井提供了指导。

(4)长宁页岩气环保钻井是场持久战，而且是不能失败的持久战，应继续开展地层特征勘查与解释、井身结构优化、气体钻井有效携岩、噪音防治、钻井液体系优化和其他配套的环保技术和措施研究，持续推进页岩气勘探开发的同时，有效的保护当地环境不受破坏。