长江下游（安徽）地区页岩气钻井工程难点及对策分析

朱迪斯，赵洪波，3，刘恩然，岳伟民，康海霞，王胜建，徐秋晨，石砥石，单文军，迟焕鹏，郑红军，李大勇*

（1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；2.中国地质调查局非常规油气工程技术中心，北京 100083；3.中国地质大学（北京），北京 100083；4.中国地质调查局南京地质调查中心，江苏 南京 210016）

0 引言

长江经济带覆盖了我国11个省市，面积约205.23万km2，占全国总面积的21.4%，人口和生产总值均超过全国的40%，是我国经济高质量发展和生态文明建设的先行示范带［1］。当前能源供应结构限制着长江经济带的绿色、高质量发展。研究表明，目前长江经济带能源消费仍以煤为主，占比49.2%，而天然气占比仅约7%［2］。2021年中国天然气消费量约为3726亿m3，其中长江经济带11省市消费量为1299.39亿m3，占 比34.9%，比2018年（占 比36.2%）降低了1.3个百分点。另一方面，长江经济带页岩气资源丰富，地质资源量92万亿m3，技术可采资源量17万亿m3（不含上海市），分别占全国页岩气相应资源量的75%、77%［3-4］。所以，加快长江经济带页岩气勘探开发具有服务国家能源安全、优化能源结构、建立清洁能源体系和减缓环境污染等重要意义。

针对长江经济带对页岩气等清洁能源巨大而迫切的需求，中国地质调查局从2015年开始实施长江经济带页岩气调查科技攻坚战，在长江上游、中游地区陆续实现贵州省志留系，湖北省震旦系、志留系和寒武系，云南省志留系等多个地区多套层系页岩气的重大突破和发现［4-5］，初步形成了长江经济带页岩气勘查开发新格局（见图1）。基于以上突破，中国地质调查局于2018年开展了长江下游（安徽）页岩气攻坚战，在安徽地区部署了多口参数井和地质调查井。

图1 中国地质调查局长江经济带页岩气调查成果（据中国地质调查局，2020年）Fig.1 Shale gas survey achievements in the Yangtze River Economic Belt by China Geological Survey(according to China Geological Survey,2020)

1 安徽地区钻井工程部署概况

2015-2021年，中国地质调查局在安徽地区部署了25口页岩气井工程，其中皖北地区7口，皖南地区18口，总进尺近50000 m（见表1）。通过这些工程的实施，厘清了地层序列，标定了已有地球物理资料，深化了区域构造演化认识，获取了页岩气关键评价参数，为安徽地区页岩气资源潜力评价提供了宝贵资料。同时，中国地质调查局协同施工单位，针对安徽地区构造复杂、软硬互层、断层裂隙发育、地层破碎等难点，通过制定针对性堵漏方案，优选多种类钻头，优化钻具组合、钻井液配置和钻井工艺，解决了恶性漏失和卡钻、破碎带高效高质取心、特殊层段纠斜控斜、水平段水敏地层井壁失稳、风化壳失返卡钻等钻进难题及钻井复杂［6］，取得了良好效果，为该区后续钻井作业提供了可借鉴的宝贵经验。

表1 安徽地区钻井部署概况Table 1 Drilling deployment in Anhui

2 皖北地区钻井工程难点与对策

皖北地区构造复杂（见图2），多套火山岩顺层侵入，地层软硬不均；风化壳广泛发育，伴生溶蚀孔洞；石炭二叠系多套煤层和碳质泥岩发育，地层破碎［7-9］。这些因素都很大程度制约了钻井工程的顺利实施。皖北地区部署的7口页岩气井工程主要面临破碎带取心难、硬岩地层钻进难、失返性漏失、井斜控制难等钻井技术难题（见表2）。

表2 皖北地区钻井工程概况Table 2 Overview of drilling works in Northern Anhui

图2 皖北地区构造Fig.2 Tectonics in Northern Anhui

2.1 破碎带取心难

皖北地区主要目的层为石炭-二叠系上石盒子组、下石盒子组、山西组和太原组，其中取心段发育多套煤层和碳质泥岩，并伴有火成岩侵入、地层破碎且岩性复杂（见图3、图4），多口井出现取心困难问题。

图3 侵入的火成岩——闪长玢岩Fig.3 Intrusive igneous rock diorite porphyrite

图4 皖亳参1井破碎岩心Fig.4 Broken cores from Well Wanbocan-1

以皖亳参1井为例：该井在上石盒子组、下石盒子组、山西组取心230 m，堵心、卡心频发，单趟取心进尺短，平均为1.5～5.3 m；在中古生界地层共钻遇18层累计276.58 m厚闪长玢岩，其中山西组钻遇6层累计128.58 m，火成岩侵入井段取心平均钻时120 min/m，最高达318 min/m，远高于取心井段平均钻时36.1 min/m（见图5），进尺速度慢，增大堵心概率。另一方面高钻压钻进硬岩地层导致岩心增粗，加大进心摩阻，甚至压弯取心筒，造成堵心。

图5 皖亳参1井取心井段钻时Fig.5 Drilling time chart of the coring section of Well Wanbocan-1

采取的钻井措施：（1）采用单动双管取心工艺，取心时内筒不转动，避免了钻具振动、摆动和摩擦对岩心的破坏；（2）使用弹性较好的岩心爪，便于进心，调整岩心爪与钻头间隙到5～7 mm，降低卡心的概率；（3）针对闪长玢岩、碳质泥岩等难钻进、破碎地层，优选进口尖圆齿复合片取心钻头（见图6），将取心机械钻速从0.5 m/h提高到1.87 m/h，降低堵心概率；（4）优化取心钻进参数，通过实践，降低钻压为40 kN、转速为50 r/min，减少取心筒的受压弯曲变形，提高钻头工作的稳定性，利于岩心成柱便于进心［10］。通过以上针对性措施，最终顺利完成了取心作业，取心进尺230 m，心长222.7 m，岩心采取率达到了96.83%。

图6 尖圆齿复合片取心钻头Fig.6 Imported sharp round tooth PDC coring bit

2.2 硬岩地层钻进难

皖北地区多口井钻遇了硬岩地层，地层硬度大、研磨性强，钻进困难。以皖太参1井为例：该井在二叠系钻遇了大套砂泥岩互层地层，软硬不均，其中石盒子组砂岩以石英砂岩为主（石英含量＞80%，长石含量10%～20%），山西组23砂岩（见图7）、太原组砂岩（见图8）矿物成分中石英含量达70%，这类高石英含量砂岩对钻头磨损严重，单只进口钻头进尺仅为100～200 m之间；下部钻遇了奥陶系、寒武系等古老碳酸盐岩地层，这些地层形成时间早、埋藏深度大、成岩作用强，受长期压实作用影响，孔隙度和渗透率较低，奥陶系上马家沟组孔隙度为3.49%，渗透率为33.7 md（该层存在碳酸岩盐溶洞发育，渗透率较高）；下马家沟组孔隙度为2.62%，渗透率为0.022 md；寒武系张夏组孔隙度为3.28%，平均渗透率仅为0.038 md，地层致密难钻进（见图9、图10）。

图7 山西组（1417m）灰白色含气中粒石英砂岩Fig.7 Shanxi Formation（1417m）gray white gas bearing medium-grained quartz sandstone

图8 太原组（1480m）灰白色中细石英砂岩Fig.8 Taiyuan Formation（1480m）gray white medium to fine quartz sandstone

图9 皖太参1井孔隙度分布Fig.9 Porosity distribution at Well Wantaican-1

图10 皖太参1井渗透率分布Fig.10 Permeability distribution at Well Wantaican-1

采取的钻井措施：（1）通过实钻地层特点和地层可钻性分析进行钻头优选，采用5刀翼复合片三角聚晶混镶齿PDC钻头，取得较好的效果，同比钻时减少，达到提速增效的作用。（2）采用井底动力钻进技术，配合PDC钻头和等壁厚螺杆马达，螺杆马达直接带动连接在其传动轴上的钻头回转，避免了通过钻杆传递动能的沿程损失。而且等壁厚螺杆马达强度高，使用时间长，提高了钻井时效。

通过采取以上2项措施，机械钻速提高了2.74倍。

2.3 失返性漏失

皖北地区风化壳广泛发育，风化壳顶部的淋滤溶蚀作用，形成了次生淋滤溶蚀孔隙和溶蚀孔洞，极易发生恶性漏失（见图11）。以皖太参1井为例：该井1595.43～1737.12 m共发生恶性漏失5次，均发生在奥陶系上马家沟组碳酸盐岩风化壳井段，累计漏失2201 m³，损失时间17 d 18 h。其中1595.43 m处为失返性漏失，悬重从575 kN增加到656 kN，钻压下降为0，井筒液面下降，造成上部地层垮塌并卡钻［11］。

图11 皖北地区钻遇的孔隙和孔洞发育地层Fig.11 Pore developed strata in Northern Anhui

采取的钻井措施：（1）采用地面震击器进行震击400余次无效，并连续向井眼和环空注入堵漏浆。（2）电测法提拉钻具测卡点后爆炸松扣，注入堵漏浆。（3）套铣倒扣，处理爆炸松扣产生的井底落鱼。下套铣钻具组合，多次套铣、倒扣，减少了落鱼的长度，接超级震击器震击28次解卡，起出落鱼。（4）强钻打穿漏层后再堵漏，先泵入堵漏浆15 m³，再泵入水泥浆10 m³堵漏，堵漏成功。

2.4 强造斜地层井斜控制难

皖凤地1井是部署在淮南市凤台县的1口大口径地质调查井，构造位置位于皖北长山隆起阜凤逆冲推覆构造带，该井在一开井段钻遇了寒武系-二叠系推覆体。由于逆冲推覆构造作用，地层顺着逆冲推覆体方向发生变型，导致地层倾角变大（见图12），同时形成大段块状高陡硬地层，钻进过程中井斜难以控制。

图12 逆冲推覆体井段岩心Fig.12 Cores from the well section in the thrust nappe

采取的钻井措施：采用硬岩强造斜地层随钻纠斜技术，一开井段采用Ø311 mm PDC钻头+Ø197 mm单弯螺杆（1°）+MWD预弯曲防斜打直钻具组合防斜钻进，同时加密测斜35次，一旦发现井斜超标，更换1.25°螺杆定向随钻纠斜。最终控制到最大井斜为3.85°，满足设计要求。

3 皖南地区钻井工程难点与对策

皖南地区属于下扬子板块。区内构造活动标志以断裂构造活动为主，断裂构造活动十分强烈，区内有1级 断裂2条，二级断裂3条，三级断裂6条，这些断裂将研究区划分成井格形状，构造单元面积小且个数多，构造较为复杂（见图13）。同时中小断层、不整合面发育，且断层多为开启性的拉张型断层为主，这些都是潜在的高渗透层通道，不仅不利于油气保存，还容易引起恶性漏失；主要目的层二叠系泥页岩地层水敏性强、承压能力弱，极易发生缩径、井壁垮塌等复杂情况［12-20］。中国地质调查局在皖南地区部署的18口钻井工程均受到了复杂地质条件的影响，以部署在宣城市黄渡乡皖页1HF井为例，该井是下扬子地区第一口页岩气水平井，是1口侧钻井，导眼井是2000 m深的大口径地质调查井皖油地1井，井身结构见图14，目的层为二叠系大隆、龙潭和孤峰组。皖页1HF井工程钻遇水敏性地层、出现坍塌掉块，导向困难，失返性漏失等区域性技术难题。

图13 长江下游地区区域构造格架Fig.13 Regional tectonic framework in the lower reach of the Yangtze River

图14 皖页1HF井井身结构Fig.14 Wellbore structure of Well Wanye-1HF

3.1 地层水敏、易坍塌掉块

皖页1HF井造斜井段为大隆组和龙潭组，大隆组、龙潭组均属水敏地层，坍塌掉块严重。根据导眼井皖油地1井岩心实验分析，大隆组岩心粘土矿物含量为43%～52%，以强水敏矿物伊蒙混层为主（见表3），岩石吸水后产生的膨胀导致岩石力学强度降低，岩心水化后应力分布不均易导致井眼坍塌，岩心扫描电镜结果显示，地层微裂缝发育，缝宽26 nm～1.71 μm（见图15），钻井过程中钻井液在毛管力的作用下易沿微裂缝侵入地层深部造成地层水化坍塌。

图15 皖油地1井大隆组岩心电镜扫描图Fig.15 Scanning electron microscope of Dalong Formation cores from Well Wanyoudi-1

表3 皖油地1井大隆组岩心矿物组分分析Table 3 Mineral composition of Dalong Formation cores from Well Wanyoudi-1

在钻进过程中，造斜段1380～1520 m多次出现复杂，钻井液返出大量掉块，最大尺寸达到17 cm（见图16），导致后期起下钻扩划眼困难，反复起下钻，导致钻具疲劳断裂，“落鱼”长度达200多米。

图16 皖页1HF井17 cm掉块Fig.1617cm falling stone in Well Wanye-1HF

采取的钻井措施：解决地质条件引起的井壁稳定性问题，首要也是最重要的解决方案就是针对地层特性和工程特点，采用合适的钻井液体系［21-22］。（1）钻前进行了充分的岩心敏感性评价，对多种油基、水基钻井液体系进行对比分析，研发出了强封堵油基防塌钻井液体系配方，相比高性能水基钻井液和常规油基钻井液体系具有更强的抑制性和封堵防塌效果（见图17）。配方为：400 mL柴油+3%主乳化剂+2%辅乳化剂+100 mL CaCl2溶液（25%）+2%CaO+3%有机土+4%降滤失剂。（2）钻井过程中进行现场室内试验，针对现场情况及时调整钻井液参数。

图17 皖油地1井大隆组岩心油基泥浆浸泡96 h试验Fig.1796h immersion test of core oil-based mud in Dalong formation of Well Wanyoudi-1

通过采用强封堵油基防塌钻井液体系并及时调整钻井液参数，较顺利地穿越皖页1HF井造斜段易坍塌掉块地层和水平段多套断层及破碎带地层。在发生失返性漏失，钻井液当量密度下降到0.5 g/cm3的情况下，仍能够保持井壁稳定，及时上提旋转导向工具，避免了卡钻、埋钻等复杂发生。经过多次堵漏作业，循环的油基钻井液中堵漏材料含量高达10%，钻井液的破乳电压由高峰时的1450 V降低到400 V，现场技术人员在钻井液中加入大量的氧化沥青、主乳化剂、辅乳化剂，钻井液破乳电压由400 V提升到900 V，保证了井下安全［23-24］。

3.2 失返性漏失

皖页1HF井钻进到1908 m后多次钻遇裂缝性漏失，漏速2～4.5 m³/h，堵漏作业成功后钻进至2004 m沟通了栖霞组灰岩溶洞，发生失返性漏失，液面随之下降到井口下800 m，漏失当量密度0.5 g/cm3、漏速达181 m³/h，累计漏失846 m³油基泥浆。

采取的钻井措施：现场针对不同漏失类型及漏速，采取一漏一策，累计堵漏12次，在最后一次失返性漏失堵漏过程中采用了水平井分层堵漏技术。由于本井水平段井身轨迹上翘，所以在重力作用下固化材料无法以段塞形式在水平段滞留固化，前期采用了多次高浓度大颗粒的桥塞堵漏方案和水泥堵漏方案堵漏均未成功。分析堵漏失败原因后，现场创新采取了分层堵漏法进行堵漏，首先使用高密度水泥固化封堵水平段下井壁部分，使用低密度（1.17 g/cm3）无机凝胶固化后封堵上井壁部分，以缩小水平段井筒的尺寸和有效通道，通过钻杆泵入油基高浓度大颗粒桥塞堵漏浆，成功地将水平段井筒封堵并承压达到5 MPa，堵漏成功（见图18）。

图18 水平井分层堵漏示意Fig.18 Layered plugging of horizontal wells

3.3 构造不确定性大、导向困难

皖页1HF井所在区域页岩气勘探程度低，仅有二维地震资料，且地震测线未经过井位，只能将井轨迹投影在地震剖面上；区域内小断层发育［25］，本井在500多米的水平段内就钻遇了断距11～16 m的4个逆断层。由于断距较小，无法在地震图上进行识别，地质追层难度很大，同时反复调整钻井轨迹也使井身曲率不规则，诱发钻具疲劳断裂；下扬子地区存在多期不整合面，构造活动具有期次多、构造活动强度大的特点，多期构造事件叠加导致裂缝发育且复杂，总体上该区裂缝发育具有多期、多方向、多类型、多尺度及多形成机制叠置的特点，导致地层预测难度大。

采取的钻井措施：（1）建立储层模型。将孤峰组优质页岩段分为8个小层，根据皖油地1井的储层特征分析，结合地震反射剖面投影深度形成储层模型，结合皖油地1井测井资料和区域地质资料从而得到钻前地质导向模型图。（2）采用旋转导向技术。采用贝克休斯AutoTrak Curve旋转导向工具，建立复杂断块旋转导向井眼轨迹控制技术，动态监测井眼轨迹，并据情况快速调整。

4 结论及建议

近年来，中国地质调查局在安徽地区部署的25口页岩气钻井工程实施过程中，强化地质与工程一体化技术攻关，地质调查人员、工程技术人员紧密结合，建立“地质调查指导技术攻关，技术攻关支撑地质调查”工作思路，组建“地质、测录井、钻井”联合协同工作小组，克服施工难点顺利完成钻探工作量，为长江下游地区页岩气勘探和区域钻井技术提供了宝贵的技术资料。通过对25口钻井工程技术总结，取得的主要成果及建议如下：

（1）通过钻井工程部署、技术攻关与现场试验，针对地质构造复杂、软硬互层、断层裂隙发育以及地层破碎等地质条件引起的恶性漏失、难取心、难钻进、井壁失稳等钻井复杂情况，初步形成了长江下游（安徽）地区页岩气钻井技术体系，包括：破碎带高效高质取心工艺、软硬互层纠斜控斜钻具组合研究、强研磨性硬地层钻头优选、恶性漏失卡钻处理方法、水平井段钻井液堵漏技术以及水敏地层井壁稳定处理等。

（2）下一步针对长江下游（安徽）地区页岩气钻井工程难点，强化地质-物探-工程一体化，多学科联合攻关，打破专业孤岛效应，保障部署科学性。在钻探工程部署前，提前开展解决方案设计，加强钻井过程控制，坚持预防为主的施工原则。在钻探工程实施中，以预防井漏为主，针对二叠系泥页岩地层水敏性强、承压能力弱，选用具有更强抑制性、防塌性能好的钻井液体系；根据地层情况优选钻头，针对硬地层，建议采取冲击钻进工艺；针对连续取心井段长，在含煤、碳质泥岩等难取心地层，建议采用“少打多提”工艺。从技术攻关角度出发，加强随钻防漏堵漏研究，加强井下提速技术、高效碎岩技术，钻井自动化技术和钻完井液环保处理技术研发。