南方页岩气基础地质调查黔普地1井钻井施工技术

郝海洋， 宋继伟， 蒋国盛， 杜胜江， 李 勇， 班金彭， 黄明勇， 畅利民

(1.贵州省地质矿产勘查开发局一一五地质大队，贵州 清镇 551400；2.贵州省地质矿产勘查开发局一一二地质大队，贵州 安顺 561000；3.中国地质大学〈武汉〉工程学院，湖北 武汉 430074； 4.贵州省地质调查院，贵州 贵阳 550005)

我国南方地区发育了多套海相富有机质页岩，页岩气资源储量丰富[1-2]。国内涪陵、威远-长宁、昭通等地页岩气勘探开发正如火如荼的开展[3-7]，大有掀起中国“页岩气革命”之势。贵州省南方海相页岩气勘探已取得了实质性的进展[8-12]。国内海陆交互相和中新生代陆相炭质页岩，上扬子及滇黔桂地区单层厚度较大[13-14]；贵州省内二叠系龙潭组地层分布广泛，具有形成煤系气资源的良好物质基础[15-17]。中国地质调查局油气中心南方页岩气基础地质调查工程黔普地1井的实施，对揭露黔西南地区海陆交互相煤系地层龙潭组页岩气、煤层气及致密砂岩气的储层物性、含气性具有重要意义。本文总结了黔普地1井的钻井施工技术，并评价了钻井质量，以期为同类型页岩气调查井的钻井施工提供参考。

1 项目概况

1.1 工程概况

黔普地1井位于黔西南普安县南部上独村上桃子湾，是中国地质调查局油气资源中心在黔西南地区实施的一口页岩气地质调查井，该项目由贵州省地质调查院承担，贵州省地质矿产勘查开发局一一五地质大队负责钻探施工(见图1)。黔普地1井部署在黔西南凹陷青山向斜南翼，目的层为二叠系上统龙潭组。

该井设计井深1500m，完钻井深1402.68m，达到地质勘查目的；钻井周期为106 d，纯钻时间53 d；钻穿“三气”(煤层气、页岩气和致密砂岩气)储层277.21 m，获得岩心长度270.30 m，储层段岩心采取率97.5%；820 m以浅井斜角在1.3°以内，820 m以深井斜控制在3.28°以内。

图1 黔普地1井施工现场

1.2 地层

黔普地1井钻遇地层包括第四系、三叠系永宁镇组和飞仙关组、二叠系龙潭组和峨眉山玄武岩组[16]，具体钻遇地层分层、岩心特征及钻进时注意事项见表1。

表1 黔普地1井地层分层

2 钻井质量指标及技术要求

2.1 岩心采取率

全井段岩心采取率≥85%，不得出现零回次，每任意5 m段岩心采取率>75%，钻至目的层以后，以副绞车最大提升速度提取内管，以减少岩心气体损失。

2.2 钻孔弯曲度

500 m以浅，最大井斜≯2°；500 m<井深<1000 m，井斜≯3°；井深>1000 m，井斜≯5°。

2.3 井深校正

用钢尺校正井深，每100 m必须校正一次，终孔时测一次，误差≯1‰。根据地质工作需要可随机进行井深校正。

2.4 钻井液要求

钻进目的层后，钻井液中不得添加含荧光性物质。

3 钻井工程技术

3.1 钻井设备

选择钻井设备时，应充分考虑钻机处理卡、埋钻事故的能力。黔普地1井选用HXY-8型立轴钻机，最大起重力300 kN、最大加压力141 kN，基本满足黔普地1井钻井工程的施工要求。选用的具体设备详见表2。

表2 黔普地1井钻井设备配置

3.2 井身结构设计

井身结构设计应基于钻井质量指标和技术要求，满足页岩气基础地质调查的研究目的，既要考虑到事故预防和处理的合理化安排，又要考虑到后续测录井的有效开展。同时，由于地层压力剖面资料缺乏，难以把握“必封点”的准确位置。因此，在实际钻进施工中，应基于井内实时情况，及时优化调整井身结构。黔普地1井的实际井身结构见表3。

表3 黔普地1井井身结构

3.3 钻头选型

根据黔普地1井钻遇地层岩石的可钻性、研磨性和破碎程度等情况的预判，参照有关规程推荐的钻头选用标准及施工经验，确定开孔时选择硬质合金钻头，二开至终孔使用电镀、复合片和孕镶金刚石钻头，其主要技术参数应符合如下要求：

钻头直径(外径)：根据井身结构确定，一开采用Ø172 mm硬质合金钻头；二开采用Ø150 mm电镀金刚石钻头取心；三开采用Ø122 mm金刚石钻头；四开采用Ø96 mm金刚石或复合片钻头。

钻头内径：Ø150 mm提钻取心钻头内径确定为108 mm。Ø122 mm绳索取心钻头内径为85 mm；Ø96 mm绳索取心钻头内径为64 mm。钻头水口、水槽的设计应考虑冲洗钻屑和保护岩心的作用，适当加大水口、水槽断面，增加水口、水槽数量，以减少流通阻力，保证钻头得到充分的冷却，同时要避免冲洗液直接冲刷岩心和地层，可采用底喷式和侧喷式。

金刚石单晶强度：选择的金刚石单晶强度应大于343 N，即单晶强度应相当于SMD35以上的人造金刚石。胎体硬度：软岩HRC15～40，硬岩HRC5～8。

3.4 钻具组合

除了上部大口径段采用普通取心钻具外，三开四开钻具一般采用绳索取心钻具。黔普地1井的钻具组合见表4。

表4 黔普地1井各开次钻具组合

3.5 钻进参数

选用合理的钻进参数，才能使钻进过程达到最优的技术和经济指标。应根据地层变化和井内的实际情况，结合金刚石钻头(尤其是绳索取心金刚石钻头)的破岩机理，及时控制钻压、转速和排量。基于黔普地1井钻遇地层的实际情况，推荐钻进参数见表5。

表5 黔普地1井钻进参数推荐

值得注意的是，采用绳索取心钻进工艺后，应控制好内管下放和上提的速度，以免由此产生的“激动”压力和抽吸压力诱发易漏、易垮、易喷段的孔内事故发生。

3.6 钻井液

页岩气基础地质调查黔普地1井采用欠平衡钻进，钻井液的性能设计主要从泥浆护壁、携岩和冷却钻头方面考虑。一开钻遇的第四系主要是浮土，采用清水+3%～5%膨润土即可满足钻进目的。二开、三开、四开永宁镇组和飞仙关组以灰岩和砂岩为主，钻井施工所用钻井液为清水+4%膨润土+0.25%CMC。四开钻进至1072.41 m后，到达龙潭组，龙潭组包含易水敏膨胀缩径的泥页岩以及易垮塌的煤岩；为确保该井井壁稳定，保证钻探取心的正常进行，确定的无固相钻井液配方为：清水+0.3%NH4-HPAN+0.15%CMC+0.02%烧碱+3%～5%KCl。

图2是采用现场岩心所做的浸泡实验，从图中可以清晰看出，浸泡在清水中的泥页岩在45 min后由于水化膨胀，出现松软、分散的状态；而采用无固相泥页岩抑制钻井液具有相对较好的泥页岩抑制效果。现场实测的钻井液参数见表6。

图2 浸泡45 min后无固相钻井液对泥页岩抑制性效果

表6 各开次钻井液体系及性能参数

4 钻井质量结果分析

4.1 井斜控制与井深校正

图3给出了黔普地1井的井斜角测量结果，820 m以浅井斜角在1.3°以内、820 m以深井斜控制在3.28°内，说明黔普地1井的井眼轨迹满足设计要求。黔普地1井共校正井深14次，井深校正符合设计要求。

4.2 井径及井径扩大率

基于测井资料，图4给出了目的层段的井径随井深变化的曲线。从图中可以看出目的层段有一定的井径扩大率，尤其是煤层段，出现井径扩大率激增现象。说明无固相钻井液虽然能够起到抑制泥页岩水化的作用，却无法有效防止井壁坍塌。欠平衡钻进时，钻井液的液柱压力小于目的层段的坍塌压力可能是煤层段垮塌的原因之一[18-19]。煤岩本身节理裂隙发育、机械强度低的性质和泥页岩水化膨胀后的推挤作用也可能是煤层段井径扩大的原因[20-21]。当然，在泥页岩垮塌周期以外进行测井，也是井径扩大率较大的客观原因之一。

图3 黔普地1井井斜角测定结果

图4 黔普地1井目的层段井径变化情况

4.3 岩心采取率

黔普地1井完钻井深1402.68 m，记录岩心长度1351.15 m，平均岩心采取率为96.4%；目的层277.21 m，获得岩心长度270.30 m，平均岩心采取率97.5%；岩心采取率满足地质设计要求。

为充分研究黔普地1井各层段的岩心采取率，统计分析了全井段岩心采取率的情况，如图5所示。从图中可以看出，一开、二开大口径钻井时由于采用普通取心工艺，岩心采取率无法有效保证；三开以后采用绳索取心工艺，岩心采取率基本保持在95%以上。钻至目的层龙潭组后，地层中出现煤泥交互地层，煤层临近井段的采取率略有降低，最低也基本在90%以上；由于砂岩和大部分泥页岩的岩心较为完整，目的层整体岩心采取率高达97.5%。由此可见，进入目的层后采用无固相泥页岩抑制性钻井液，配合小口径绳索取心工艺进行页岩气基础地质调查，完全能够满足岩心采取率的设计要求。

图5 黔普地1井全井段岩心采取率分布图

5 钻效分析

5.1 机械钻速

机械钻速受钻井施工中不可控因素(地层岩性、储层埋深和地层压力等)和可控因素的(钻井设备、钻头类型、钻井液性能和钻进参数等)两大方面的影响和制约。黔普地1井一开、二开采用普通绳索取心钻进工艺，平均机械钻速分别为3.12、3.86 m/h；三开以后选用绳索取心钻进工艺，三开平均机械钻速为4.26 m/h，四开目的层以浅平均机械钻速为2.95 m/h，四开目的层平均机械钻速为1.56 m/h，四开玄武岩段平均机械钻速为1.95m/h，全井段平均机械钻速2.69 m/h。黔普地1井全井段机械钻速分布如图6所示。

图6 黔普地1井全井段机械钻速分布图

从图6中可以看出，随着井深的增加，机械钻速呈下降趋势，目的层段最低。机械钻速呈现出这种状态的原因是多方面因素综合作用的结果。就选定了钻机设备的黔普地1井而言，钻进效率的大小与地层因素和人为可控因素关系密切。三开主要为砂岩、灰岩地层，钻进时提高转速、适当增大钻压(大于该区地层的“门限钻压”)，根据不同地层的可钻性等级选用了不同胎体硬度的金刚石取心钻头。钻进速度快时，产生的岩屑就会增多，此时的排量应适当增大以确保清洗孔底和及时上返岩屑。对于目的层的泥页岩地层，由于地层相对较软，钻压应减小，排量适当降低。黔普地1井全井段平均机械钻速2.69 m/h，不低于相同设计类型的页岩气基础地质调查井。

5.2 钻井周期与时效分析

黔普地1井自2017年1月14日建井、2017年1月16日开钻，至2017年4月29日完钻，2017年4月30日撤场，建井周期106 d，钻井周期103 d。

图7给出了黔普地1井的建井周期分布柱状图，其中纯钻时间占建井周期50%，事故处理占16%，全井生产时间占71%。纯钻时间为521.23 h，平均机械钻速2.69 m/h；钻机台月数为3.53个，综合台月效率397.36 m，平均钻时22.31 min/m。与相同设计类型的页岩气基础地质调查井相比，黔普地1井的建井周期略长，除了事故处理17 d外，还有21 d的停待和春节放假时间，影响了机台的台月效率。

6 结语

黔普地1井是南方页岩气基础地质调查工程在黔西南地区所实施的一口页岩气地质调查井，为揭示南方海陆过渡相页岩的发育特征和煤系地层含“三气”性特点，和进一步深入研究黔西南地区龙潭组页岩气资源潜力提供了重要的参数依据。通过合理的钻探设备选型、井身结构优化、钻进取心工艺配合、钻井液体系优化和钻进参数的合理搭配，成功实施了黔普地1井。黔普地1井完钻井深1402.68 m，揭穿了二叠系龙潭组；全井最大井斜角为3.28°；平均岩心采取率为96.4%，目的层岩心采取率达97.5%。钻井各项指标满足业主方地质设计的要求。

图7 黔普地1井建井周期

与石油钻井工艺相比，黔普地1井采用的机械岩心钻探工艺，具有钻井成本低、钻进效率高、岩心采取率高等突出优势，然而其在安全方面(井控、HSE、储备加重钻井液等)还存在诸多亟须解决的问题[22-23]。此外，包含黔普地1井在内的同类型的页岩气基础地质调查井中，均未有采用密闭取心技术的报道。黔普地1井钻遇目的层后，尽管采用无固相泥页岩抑制性钻井液，获得较高的岩心采取率，然而并没有很好地解决井壁稳定性问题。