湘中页岩气调查（参数）井施工工艺

2016-09-22谭千钟

西部探矿工程 2016年3期

关键词：钻具钻井液页岩

谭千钟

（湖南省煤田地质局第一勘探队，湖南耒阳421800）

湘中页岩气调查（参数）井施工工艺

谭千钟*

（湖南省煤田地质局第一勘探队，湖南耒阳421800）

通过湘中页岩气调查（参数）井钻井施工，总结在页岩气调查（参数）井钻井领域采用多级绳索取芯钻探技术，利用绳索钻杆作为套管进行复杂地层孔内隔离施工工艺，在岩溶地层、水敏、水溶性地层顺利钻井，为今后在该领域的同类工程施工提供参考。

页岩气调查（参数）井；钻井；绳索取芯钻具；溶岩地层；水敏、水溶性地层

页岩气是蕴藏于页岩层中的一种天然气，为国土资源部2012年12月31日公布的非常规新矿种。以其分布广、储量大、便于开采等优势条件，成为现阶段具有商业价值的新能源。武汉地质调查中心、华电集团等在湘中地区开展页岩气资源潜力评价和有利区块优选工作。我队承担了该区块页岩气调查（参数）井钻井施工，通过多井钻井实践摸索，形成了一套切实可行的页岩气调查（参数）井施工工艺，取得较好的经济效益和应用效果。

1　地层情况及地质技术要求

1.1地层情况

湘中坳陷位于华南褶皱系北部，西邻雪峰隆起，北靠沩山隆起，南接桂中坳陷，东邻衡山隆起，是以下古生界变质岩系为基底发展起来的一个晚古生代～中三叠世的碳酸盐岩为主夹碎屑岩为特征的准地台型沉积坳陷区。区内地层发育齐全，自元古界板溪群—新生界第三系均有出露。由于区内构造运动强烈，岩溶、断裂发育，破碎带、软硬互层及水敏、水溶地层等情况交替复杂多变；在进入主要调查目的层寒武系牛蹄塘组时，可能遇到钻井液溢流或气涌，钻探施工相对复杂。

1.2地质技术要求

（1）除第四系表土覆盖层，要求全井取芯率大于75%，目的层取芯率大于90%；（2）平均井径扩大率不大于15%；（3）终孔直径不小于77mm；（4）直井完井井斜不大于5°；（5）目的层钻进取样，钻进完成取样时间不大于30min/次。

2　页岩气调查（参数）井钻井施工难点

湘中页岩气调查（参数）井钻进与常规固体矿产钻探施工相比存在几个难点：（1）岩溶地层厚度较大，溶洞、裂隙发育，地层破碎，容易发生井漏；（2）地层倾角较大，一般25°～42°，为易倾斜地层即顺层跑地层，井斜难控制；（3）目的层主要为泥页岩，为水敏、水溶性地层，容易遇水膨胀，造成井壁不稳定；（4）目的层岩芯采取率要求高。

3　钻井施工

3.1钻井设备

我队在页岩气钻井施工中主要选用的配套设备有YDX-1800型全液压动力头钻机、XY-5型、XY-6型立轴钻机；WB-18型钻塔；现场还配备了便携式H2S报警仪、风向标、泥浆测试仪、测斜仪等专用检测仪器。

现场主要采用武汉金地探矿机械有限公司生产Ø122S、S95、S75的NQ系列绳索取芯钻具。

3.2钻井工艺

3.2.1钻井结构

为满足地质技术要求，页岩气调查（参数）井选择如下钻井结构表（表1）及井身结构图（图1）。

3.2.2钻头选取

金刚石绳索取芯钻进选取钻头时必须充分考虑所钻岩层的机械物理性质、金刚石品质级别、金刚石浓度、胎体硬度、钻头的唇面形状及水口形状，使所选钻头和所钻岩层岩性相配套。通过对湘中地层多年钻探实践对比分析，该区域内页岩气地层岩石可钻性要考虑3个方面；（1）施工主要地层，由泥岩、泥灰岩、页岩、砂质泥岩、粉砂岩及砂岩等，有时软硬交替频繁，岩性总体偏软，平均可钻性级别小于5；（2）其次是强研磨性硬岩层，主要为硅质泥岩、硅质灰岩、中细粒石英砂岩等，岩石硬度大，可钻性级别高，一般6～9；（3）间夹弱研磨性硬岩层，俗称打滑地层，主要为硅质灰岩、硅质岩等，可钻性级别高，8～12级。经区内多井施工比较，所用绳索取芯钻头选择见表2。

表1　页岩气调查（参数）井钻井结构及套管（钻杆）尺寸要求

图1　页岩气调查井井身结构（单位：mm）

3.2.3钻进参数选择及操作注意事项

湘中局部区域地层倾角较大，一般25°～42°，并且软硬交替频繁，为易倾斜地层，因而必须合理选用钻进参数，精心操作，确保在控制孔斜的前提下，提高钻探施工效率，钻进参数见表3。

（1）在回次钻进过程中，钻压匀速，发现钻进速度明显加快要及时调整，减小钻压，控制钻进速度，防止软硬互层时压力过大造成钻头顺层跑，导致井斜偏大。

（2）钻进软硬互层地层，特别是钻进目的层，如果钻进压力不当或压力不均，会使岩芯变细或平时说的“车葫芦”一节大一节细，打捞时卡簧无法卡住岩芯，造成目的层岩芯采取率偏低。钻进岩性较硬的地层时S95、S75分别选用Ø 63.5mm/63.7mm、Ø 45.5mm/ 45.8mm的卡簧；钻进较软（或目的）地层S95、S75分别选用Ø63.2mm、Ø45.2mm的卡簧。

表3　页岩气调查（参数）井钻进参数表

（3）钻进破碎地层，适当加大钻压，降低转速，尽量减少钻具震动。

（4）在钻进过程中，密切关注井口上返冲冼液，如果发现钻井液发生液流或气显，要及时加重钻井液密度进行处理。

3.2.4套管工艺

（1）前期钻进时，沿用传统的套管级配，就是采用小口径钻进后，再逐级扩孔，然后下套管，费时费力，严重影响了钻进效率，而且在扩孔过程中极易发生孔内事故。钻遇破碎垮塌地层时，先用大口径钻具钻穿复杂地层后，起钻联接套管下入井内，如遇垮塌破碎或掉块则起上套管重新扫孔，或用比套管小一级的钻具透孔后再下套管，如此反复，极大地减少了纯钻时间，影响了施工进度，还可能造成卡、埋套管事故。

（2）采用多级金刚石绳索取芯钻具钻进，极大地提高了钻进效率，克服了一些复杂地层（岩溶地层、破碎垮塌地层）套管隔离问题。采用多级绳索取芯钻具钻穿复杂地层后，起钻换成薄壁钻头，钻杆涂抹黄甘油后，直接将钻杆作为技术套管下入井内，下钻途中如遇掉块，可以直接开动钻机扫除掉块，保证套管一次到位。在继续钻进过程中，再次钻遇复杂地层，还可以在不起套管的情况下继续追加技术套管，减少事故发生。采用多级绳索取芯钻具钻进可以按既定的施工方法一次成孔，又可以按照施工的实际情况追加套管，隔离破碎垮塌带，提高了纯钻时间利用率，为钻孔顺利完成提供了有利的保障，同时提高了岩芯的采取率。

3.2.5钻井液

湘中地区页岩气地层岩性基本以泥岩、砂质泥岩、页岩、砂质泥页岩、泥质页岩为主，为水敏、水溶性地层，该地层遇水极易水化膨胀，造成钻孔坍塌、缩径。钻井液不仅要求具有冷却钻头、降低泵压、润滑钻具性能良好、携带岩粉能力强，同时要求钻井液能平衡地层压力，抑制泥、页岩水化膨胀保护孔壁，保护油气层。发现钻井液液流或气显时，提高钻井液的密度，防止发生井喷事故。

通过对湘中地区采集岩芯样本进行室内钻井液对比试验及采集钻井现场实钻钻井液数据对比，总结出3种适宜湘中地区页岩气钻井液：

（1）无固相钻井液。适应于岩性较完整，水敏、水溶性较弱的地层。钻井液性能参数：密度1.01～1.03g/cm3，粘度17～25s，pH值8～9。钻井液配方：5%PHP+纯碱+ 1‰X-1稀释剂+水。

（2）低固相钻井液。适应于泥岩、页岩等水敏、水溶性地层。钻井液性能参数：密度1.03～1.06g/cm3，粘度23～42s，pH值7～8，失水量3～6mL/30min。钻井液配方：5%膨润土+1%SD-1+0.5%KP+0.3%CMC+ 3‰PHP+5%KCl。

（3）高密度钻井液。适应于产生溢流和气涌的地层。钻井液性能参数：密度1.07～1.12g/cm3，粘度35～55s，pH值8～9。

钻井液配方：3%膨润土+1‰纯碱+3‰CMC+8‰SMC+12‰磺化沥青+6%重晶石+6%广谱护壁剂+水。

上述钻井液的使用，在钻井液粘度适当，钻井液固相含量得到有效控制，井底清洁的前提下，有效的抑制气体释放，减少了钻井液密度变小而造成的井内垮塌；钻井液失水量小极大程度地抑制了泥页岩的水敏、水溶水化膨胀，减少了卡埋钻等事故；只要钻井液的密度适中，基本满足了湘中地区页岩气调查（参数）井施工需要。

4　成果

通过对湘中地区页岩气常页1井、涟页1井、涟页2井、涟页3井、涟参1井的钻井施工实践，极大地缩减了辅助时间，有效地增加了纯钻时间，明显缩短了施工周期，加快了工程进度。基本形成了一套较为简单、切合实际的钻井施工工艺。采用多级金刚石绳索取芯轻压快转钻进，选择合理的钻进参数，配以与地层相宜的钻井液，就能取得了良好的经济效益。在创造经济价值的同时，为湘中地区页岩气进一步勘探、开发和地质研究提供了可靠翔实的资料。为加快页岩气资源勘探及同类岩溶地层、水敏、水溶性地层施工提供参考。