页岩气深井取芯钻进技术实践

张子彬

（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000）

当前，传统的煤田地勘单位正面临着产业转型发展的任务，需要立足于煤炭资源勘查主业，逐步向能源地质勘查如煤层气、页岩气等非常规能源勘查领域扩展业务。近年来越来越多的煤田地勘单位开展了一些煤层气、页岩气调查井的钻井工程实践，并获得成功。这些钻井工程不仅口径大、井深结构复杂而且勘探深度也大大加深，较之以往煤炭勘查工程施工难度大大提高。以往的煤炭资源勘探工程最大深度仅在1500m左右，而由于我国页岩气赋存的独特条件，其勘探目标层系普遍埋藏较深，多在2000m以深。对于这些超2000m深的钻井工程，有必要对钻探工艺及参数进行探讨和总结。

1 项目概况

皖旗地1井为页岩气调查参数井，钻井工程位于安徽省马鞍山市含山县环峰镇境内，地处下扬子陆块沿江坳陷巢含褶皱带构造位置，位于巢含褶皱带的梅山背斜构造部位上。设计目的层为志留系高家边组、奥陶系五峰组，完钻层位为奥陶系宝塔组，井深超过2000m。本井钻井取芯进尺约80m，要求取目的层志留系高家边组下段、奥陶系五峰组。

2 井身结构方案

一开：311.2mm钻头钻入高家边组中段上部，井深约1000m，下244.5mm套管固井，封固坟头组-高家边组中部上部。

二开：215.9mm钻头钻至完钻井深，中途根据显示情况进行取芯作业，钻穿汤头组进入宝塔组灰岩50m后完钻。

3 主要钻井设备选型

本井设计钻深2000m，依据钻机负荷的选择原则、井控配套的要求，同时考虑到井深的不确定性，设计选择TSJ重型3000型钻机。

4 各开次钻具组合

各开次钻具组合见表1。其中取芯钻进时钻具参数见表2。

表1 钻具组合表

表2 取芯参数表

取芯钻进参数：钻压40～60kN，转速60～80 r/min，排量16～22 L/s。先单筒试取芯，若收获率较高，为缩短周期，后续采用双筒取芯工艺。对极硬地层，取芯采用孕镶金刚石钻头。

5 取芯钻进工艺流程及参数

取芯前保证井底畅通无落物，调试好取芯器，保证悬挂轴承旋转灵活，减少钻进时产生离心力，防止离心力过大使岩芯破碎造成堵芯。

（1）下钻技术措施

下钻时取芯筒外筒按规定紧扣，切勿咬扁筒身，下放钻具要平稳，遇阻不得强行下钻，更不得墩、窜，不得用取芯钻头长井段划眼强下，下钻到距井底一个单根时接方钻杆充分循环洗井液。下钻具至孔底1m处减速下放，在保证钻头不接触井底的情况下，上下活动钻具或转动钻具，并开泵循环钻井液2周，充分冲洗取芯器内筒，清洁井底沉沙或坍塌物，转动钻具的同时下放钻具，严禁猛烈反转，防止倒开安全接头，校对悬重后卸开主动钻杆，投球（Φ31.7mm），合车，3-5min后开泵循环钻井液，钢球堵住取芯器内管水眼，使钻井液从取芯器内外管间环状间隙流过，如孔内残留岩芯超过0.5m，应专门打捞。

（2）取芯技术措施

树芯：缓慢下放钻具，让钻头接触井底，采用低转速(40～60r/min)，低排量(10～15L/S)、轻钻压（5～10kN）钻进0.2～0.3m。

取芯钻进：送钻均与，增加钻压要缓慢，钻进8.50m左右，实钻中必须根据地层情况随时调整钻压，尽可能做到连续钻进，不上提钻具，做到不溜钻、不顿钻，不停泵，不停转盘。实钻中必须注意泵压变化，发现变化要及时分析处理。每钻进0.5m记录一次钻时，如钻时突然变慢要及时分析原因并妥善处理，如遇泵压突然增高，不能恢复到正常范围应立即上钻检查取芯器内外筒，钻时较快时应适当减压，否则造成岩芯无法顺利进入取芯器内筒。

割芯：加压至80～90kN，迅速上提0.1～0.2m，转速减至50 r/min，排量不变，转动3～5min磨芯，然后缓慢上提割芯。（软地层停泵增加钻压10kN，钻进2～4min上提割芯）若悬重不增加或增加后又下降， 则上提钻具 2～3m，慢慢下放到井底，如无遇阻显示则表明割心成功，可以起钻。若上提悬重增加 100kN 以上仍不下降，则说明岩心未拔断，此时可在岩心受拉力的情况下启动转盘割心，若仍不行可上提 200～300kN 采取拉力割心方式拔断岩心。若以上措施仍无效则可再钻进0.1～0.2m后，按上述要求进行割心。

仔细观察取出的岩芯直径，如岩芯直径过细或过粗，说明卡簧内径与钻头内径不匹配，必须进行调整，卡簧内径比钻头内径小3～5mm。

（3）上钻技术措施

关泵上钻，上钻要操作平稳，不猛刹、猛放、猛墩，不能用钻盘转动钻具，防止钻具剧烈摆动，不能用锤敲击，防止岩芯脱落，起钻过程中要及时向井内灌钻井液。钻具提至井口卸方钻杆时，应锁住转盘，保证井下钻具不转动。

（4）合理选择钻进参数

钻进参数：本孔在1305～1322m处取芯钻进，根据实钻总结钻压40～60kN、排量20～25L/S、转速50～60r/ min最佳，1945～1991m、2045～2058m处取芯钻进钻压控制在50-60kN、排量18～20L/S、转速50～75r/m最佳。本孔在2044.57～2052.50m取芯钻进时，钻压控制在60kN，转速75r/min，排量20 L/S，钻时30min/m，增加钻压至80kN时，进尺缓慢，钻时70min/m。实钻中钻压过大，钻时反而增大；转速过快，易造成岩石机械破碎，排量过大时钻进泥页岩及破碎地层时，造成岩芯收获率降低。

软岩层：钻压10～20kN，排量10～20L/S，转速40～60r/min，卡箍底部与钻头内腔台肩间隙为10～12mm；

硬岩层：钻压50～60kN，排量20～30L/S，转速60～80r/min，卡箍底部与钻头内腔台肩间隙为15～20mm；

破碎地层：钻压20～30kN，排量10～15L/S，转速35～50r/min，卡箍底部与钻头内腔台肩间隙为10mm。

（5）钻井液性能钻井液应具有良好的润滑性、抑制性和携带岩屑性能，具有低密度、低粘度、低含砂量、低失水量、适当的切力。本孔在取芯钻进井段采用水基低固相聚合物钻井液，钻井液密度1.07～1.10g/cm3，粘度29～30S，含砂量0.1～0.2%，失水3.9～4.1ml，终切力5.5～9.2Pa。

6 取芯结果

本井在井深1305.68m～1322.1m（高加边组中段），1945.00m～1991.30m（高加边组中段），2044.57m～2058.80m（奥陶系五峰组-滩头组-宝塔组）三段分别进行了取芯钻探（见图1），取芯率分别达到98.54%、91.96%、92.62%，超过设计要求取芯率标准。

7 结论

本工程根据钻井设计要求，合理选择钻机型号及各种钻具组合，通过现场精心组织安排施工，特别是在取芯钻进过程中科学选择取芯钻进工艺流程及参数，最终成功完成深井取芯钻进，提高了工作效率。原本合同工期125d，实际仅用93d完成钻井任务，最终井深2081.68m，圆满完成了设计要求的各项指标，为页岩地层深井钻探工作积累了宝贵经验，对于今后类似工程具有实际指导意义。

图1 取芯段岩芯照片