李正前， 羅宏保， 薛驍彤

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734)

0 引言

油氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查井的部署目的是查明地層層序、驗(yàn)證地球物理信息、驗(yàn)證烴源巖的存在性，確定烴源巖的規(guī)模。一般要求全井段或目的層取心。小口徑地質(zhì)調(diào)查井井深一般為1500 m，完鉆原則為鉆穿目的層10～20 m，完鉆口徑≮75 mm。應(yīng)進(jìn)行錄井、測井工作，錄井包括巖心編錄、氣測錄井、鉆時(shí)錄井、熒光錄井等。取心要求參照《井筒取心質(zhì)量規(guī)范》(SY/T 5593-2016)、《鉆井取心作業(yè)規(guī)程》(SY/T 5347-2016)和《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227-2010)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

地質(zhì)調(diào)查井工程設(shè)計(jì)，以地質(zhì)設(shè)計(jì)為依據(jù)，從工程的目的出發(fā)，按照地質(zhì)調(diào)查的需要和收集的客觀地質(zhì)條件，以技術(shù)和經(jīng)濟(jì)統(tǒng)一的全局觀出發(fā)對各種問題通盤加以考慮，做出科學(xué)合理的全面部署，確定需達(dá)到的質(zhì)量技術(shù)要求、安全環(huán)保要求、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的技術(shù)路徑。使施工活動(dòng)能夠有計(jì)劃地達(dá)到優(yōu)質(zhì)、低耗、高績效完成，使施工活動(dòng)能夠有力地支撐油氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查和基礎(chǔ)地質(zhì)研究。

本文以新柯地1井工程設(shè)計(jì)為例，簡要闡述油氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查井工程設(shè)計(jì)的一些初淺認(rèn)識。

1 地質(zhì)設(shè)計(jì)簡述

一般地，地質(zhì)設(shè)計(jì)包括鉆井基本數(shù)據(jù)、井區(qū)自然地理情況、區(qū)域地質(zhì)簡介、調(diào)查工作程度、鉆井部署依據(jù)及目的(完鉆層位及原則、如有重大油氣顯示的完井方法)、地層分層預(yù)測及巖性簡述、鉆井液要求、測井要求、錄井要求等內(nèi)容。

新柯地1井是部署在塔里木盆地西北緣柯坪沖斷帶東北部的第一口油氣基礎(chǔ)地質(zhì)井。新柯地1井的鉆探目的是更深層次的了解柯坪沖斷帶溫宿凸起南緣地區(qū)寒武系、震旦系地層的地下發(fā)育狀況，對于評價(jià)溫宿凸起地區(qū)以及整個(gè)柯坪沖斷帶烴源巖的形成條件和分布都具有指導(dǎo)和借鑒意義。設(shè)計(jì)鉆穿震旦系，達(dá)到鉆井設(shè)計(jì)深度后完鉆。

2 鉆井工程設(shè)計(jì)

2.1 資料收集與難點(diǎn)分析

該區(qū)的地質(zhì)調(diào)查工作開展較早，但勘探程度較低，多數(shù)是路線調(diào)查，因此在調(diào)查報(bào)告中對區(qū)內(nèi)地層、構(gòu)造和礦產(chǎn)只是略有涉及，周圍30 km沒有臨井可以參考，設(shè)計(jì)的不確定性大。由于新柯地1井井位處于阿克蘇-喀什地震帶，該區(qū)褶皺和沖斷構(gòu)造變形同時(shí)存在，擠壓走滑和逆沖推覆作用都很強(qiáng)烈，形成如今的地質(zhì)地貌特點(diǎn)。梳理這些地質(zhì)演化過程，鉆井工程可能有以下技術(shù)難題。

(1)地層高陡斜，肖爾布拉克露頭群和蘇蓋特布拉克露頭群地層傾角相對較緩，也有20°～40°。井斜，尤其是小井眼鉆進(jìn)的井斜難以控制。

(2)地層破碎，有古近多條斷裂構(gòu)造。井壁不穩(wěn)定，易造成掉塊卡鉆事故。易發(fā)生井漏產(chǎn)生事故。

(3)碳酸鹽巖儲(chǔ)層溶蝕孔洞、裂縫發(fā)育，常出現(xiàn)放空、井漏、井涌等。

針對易斜和漏失兩大難點(diǎn)的應(yīng)對措施：一是綜合治理，在井身設(shè)計(jì)、工藝選擇、鉆井液設(shè)計(jì)時(shí)予以綜合考慮，以防為先；二是選擇專項(xiàng)措施，針對易斜地層選擇“滿、剛”鉆具組合以及準(zhǔn)備糾斜工具，針對漏失問題準(zhǔn)備多種堵漏工藝；三是工藝操作，勤測量，多觀察，操作動(dòng)作精益求精。

2.2 鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井身和套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足以下設(shè)計(jì)原則。

(1)滿足基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查研究的目的。井徑要能確保有效巖心的直徑、其他錄井參數(shù)的獲取、測井條件的滿足。

(2)必封點(diǎn)。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)提供鉆遇地層、含油氣目標(biāo)地層等內(nèi)容，本井必封點(diǎn)設(shè)置必須考慮封堵漏失、垮塌地層以保證作業(yè)安全，同時(shí)對目標(biāo)地層可能的油氣發(fā)現(xiàn)進(jìn)行保護(hù)。

(3)鉆井綜合管理，事故預(yù)防和處理。地層的不確定性，以往工作程度低的未知性，井身結(jié)構(gòu)需留有余地。

(4)井控安全。地層壓力未知，不能確保一次井控的安全，需預(yù)留進(jìn)行二次井控的余地。

根據(jù)上述原則，結(jié)合地質(zhì)設(shè)計(jì)，新柯地1井設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)和套管程序見圖1。

2.3 鉆機(jī)選型及設(shè)備要求

圖1 新柯地1井井身結(jié)構(gòu)示意圖

最大負(fù)荷預(yù)測：本井設(shè)計(jì)井深1500 m。按1500 m鉆具14 kg/m校核計(jì)算負(fù)荷210 kN，再附加處理事故30%的余力。

根據(jù)鉆機(jī)選型原則，要求設(shè)計(jì)井深應(yīng)在鉆機(jī)名義鉆深范圍之內(nèi)且最大工作鉤載應(yīng)不大于所選鉆機(jī)實(shí)際最大鉤載的80%，同時(shí)依據(jù)項(xiàng)目鉆探目的、井深結(jié)構(gòu)、鉆井工程質(zhì)量要求，選擇HXY-8B型鉆機(jī)，SG24型鉆塔，BW300/16和BW280/30型泥漿泵。HXY-8B型電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，最大起重力300 kN，主要用于地質(zhì)調(diào)查，金屬、非金屬固體礦床勘探金剛石小口徑取心鉆進(jìn)，可用于大口徑油氣勘探孔及工程鉆孔施工。

2.4 鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)選擇

鉆具組合及鉆具選擇首先需要確定鉆進(jìn)方法，根據(jù)鉆進(jìn)方法確定鉆具的選取，總體要求是符合地層需要，按照質(zhì)量、效率、安全、成本綜合考慮進(jìn)行優(yōu)選，在施工過程中可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。

新柯地1井主要選擇繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，能兼顧時(shí)間經(jīng)濟(jì)效率和安全績效的要求。建議鉆進(jìn)方法和鉆具組合如下。

一開：采用?150 mm普通金剛石取心鉆進(jìn)，?165 mm擴(kuò)孔后固井。鉆具組合?150 mm金剛石取心鉆頭+下擴(kuò)孔器+?146 mm外管+上擴(kuò)孔器+?148 mm穩(wěn)定器+?127 mm短加重鉆鋌+?60 mm鉆桿。

二開：采用?122 mm繩索取心鉆進(jìn)，下?114.3 mm套管井底固結(jié)(根據(jù)地層壓力情況，試壓不滿足井控要求，則按固井要求固井)。?122 mm繩索取心鉆頭+下擴(kuò)孔器+繩索取心鉆具+上擴(kuò)孔器+?114 mm繩索取心鉆桿。

三開：采用?96 mm繩索取心鉆進(jìn)，爭取鉆至完井井深。?96 mm繩索取心鉆頭+下擴(kuò)孔器+繩索取心鉆具+上擴(kuò)孔器+?89 mm繩索取心鉆桿。

四開(備用)：遇特殊情況，在三開井段下?89 mm套管并井底固結(jié)，四開完鉆。?75 mm繩索取心鉆頭+下擴(kuò)孔器+繩索取心鉆具+上擴(kuò)孔器+?73 mm繩索取心鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù)根據(jù)地層狀況隨時(shí)調(diào)整：一般地，在較軟地層鉆進(jìn)，采用高轉(zhuǎn)速、大泵量和適當(dāng)?shù)膲毫?；在?jiān)硬的研磨性強(qiáng)的巖層鉆進(jìn)，則采用大鉆壓和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速和泵量；在裂隙發(fā)育的破碎巖層和研磨性強(qiáng)的巖層鉆進(jìn)，則采用小鉆壓、中低轉(zhuǎn)速和適當(dāng)?shù)谋昧?。在深孔鉆進(jìn)時(shí)，為保證孔內(nèi)安全，則要限制轉(zhuǎn)速和鉆壓。

施工操作的要點(diǎn)是控制好孔內(nèi)壓力平衡，撈取巖心及起下鉆時(shí)必須采取沖洗液回灌措施，并根據(jù)地層的實(shí)際情況，控制撈取巖心及起下鉆的速度，防止孔內(nèi)壓力失衡造成孔壁坍塌。

金剛石鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速、小泵量和適當(dāng)壓力。在低固相鉆井液鉆進(jìn)條件下，為避免鉆桿內(nèi)結(jié)泥皮，應(yīng)限制鉆具轉(zhuǎn)速。鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)參考表1。

表1 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)(推薦)

2.5 鉆井液設(shè)計(jì)

依據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)所提供的地層層序、巖性剖面、對鉆井液的要求等資料和井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆井液體系。設(shè)計(jì)原則是使用的鉆井液應(yīng)有利于快速和安全鉆井；有利于環(huán)境保護(hù)；有利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)氣層；有利于地質(zhì)資料錄取；有利于復(fù)雜情況的預(yù)防和處理。

新柯地1井設(shè)計(jì)采用水基粘土鉆井液，鉆井液性能要求保持低固相、強(qiáng)抑制、較低的濾失量、薄而韌的泥皮、優(yōu)良的造壁性和潤滑性，以及良好的流變性，保證安全快速鉆進(jìn)，主產(chǎn)層井段以有利于保護(hù)儲(chǔ)層為目的進(jìn)行選型。鉆井液類型選擇在一開以有利于快速、安全鉆井為原則；二開、三開井段以防塌、潤滑防卡和保護(hù)儲(chǔ)層為目的進(jìn)行選型。

建議新柯地1井分段鉆井液類型和基本性能參數(shù)如下：

一開采用低固相聚合物鉆井液。其基本配方為：3%～4%膨潤土+0.1%～0.3%純堿+0.5%～0.8%水解聚丙烯酰胺+0.5%K-PAM+0.5%～1%NH4-HPAN+1%～3%增粘護(hù)壁劑。其基本性能參數(shù)：ρ=1.02～1.05 g/cm3，F(xiàn)V=18～22 s，F(xiàn)L<15 mL，泥皮厚0.5～0.1 mm，pH值8～9，PV=8～12 mPa·s，YP=3～8 Pa。

二開、三開采用KCl聚合物防塌鉆井液。其基本配方：3%～5%膨潤土+0.3%～0.5%聚合物包被劑+3%～5%氯化鉀+1%～2%聚合物降失水劑+2%～3%聚合醇+2%～3%乳化瀝青+3%～5%高效液體潤滑劑+加重劑?；拘阅軈?shù)：ρ=1.02～1.20 g/cm3，F(xiàn)V=20～28 s，F(xiàn)L<10 mL，泥皮厚0.8～0.3 mm，pH值9～10，PV=10～15 mPa·s，YP=4～10 Pa。

2.6 固井設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查井穩(wěn)定井壁和安裝井控裝置的需要，依據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)所提供的地層層序、巖性剖面、對鉆井液的要求等資料和井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行固井設(shè)計(jì)。確保井控裝置的安全有效。設(shè)計(jì)一開套管必須固井，達(dá)到井控試壓要求；二開套管根據(jù)試壓情況選擇井底固結(jié)或全固。

2.7 井控設(shè)計(jì)

鉆井過程中，當(dāng)井內(nèi)鉆井液液柱壓力低于地層孔隙壓力，就會(huì)失去地層-井眼系統(tǒng)的壓力平衡，發(fā)生井涌或井噴。為了實(shí)現(xiàn)對鉆井的壓力控制，對事故進(jìn)行預(yù)防、檢測、控制，實(shí)現(xiàn)安全鉆井，必須進(jìn)行井控設(shè)計(jì)。井控設(shè)備的作用是預(yù)防井噴、發(fā)現(xiàn)溢流、實(shí)現(xiàn)控制、失控處理等。井控設(shè)備組包括井口裝置、地面管匯和控制裝置。

對于鉆井壓力控制的裝備和操作，地質(zhì)調(diào)查行業(yè)目前沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一般按石油天然氣井控安全規(guī)定(企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))的要求執(zhí)行。三開垂深1500 m，考慮調(diào)查井深度不確定性，按不超過1750 m計(jì)算，此地區(qū)無參考地層壓力，參考石油同類深度地壓梯度1.15 MPa/100 m計(jì)算地層壓力為20.12 MPa。選用2FZ18-21雙閘板防噴器。

井口裝置及地面管匯包括：雙閘板防噴器、四通、節(jié)流管匯、壓井管匯、放噴管線等(見圖2、圖3)。

控制裝置包括：遠(yuǎn)程控制器，司鉆控制臺(tái)。

井控安全與地質(zhì)調(diào)查目的油氣發(fā)現(xiàn)是一對矛盾，需要找到平衡點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中要明確施工過程的控制是一個(gè)不斷反饋和調(diào)節(jié)的過程，在保證安全的前提下，盡量使用低密度壓力控制，以更多發(fā)現(xiàn)地質(zhì)信息。

圖2 井口裝置示意圖

3 錄井工程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)調(diào)查井是全取心地質(zhì)調(diào)查井，保證巖心采取率和及時(shí)正確的巖心編錄是獲取第一手地質(zhì)資料、地層含油氣顯示的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)以氣測錄井作為輔助手段，能及時(shí)正確發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層發(fā)育層段。為了及時(shí)反饋施工中的信息，設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鉆時(shí)錄井和鉆井液錄井。

圖3 21 MPa節(jié)流、壓井管匯示意圖

4 測井工程設(shè)計(jì)

測井工程的目的是解釋巖性和氣水層，為選擇試氣層位及綜合研究提供依據(jù)。采用先進(jìn)的測井系列進(jìn)行組合測井和綜合測井。

測井主要參照《頁巖氣勘探開發(fā)相關(guān)技術(shù)規(guī)程》(征求意見稿)及中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司頒發(fā)的《煤層氣測井作業(yè)規(guī)程》(Q/CUCBM-2002)的要求進(jìn)行。估算目的層段含氣量和工業(yè)分析質(zhì)量百分含量。估算地層中砂、泥、水的體積百分含量。評價(jià)目的層的滲透性、含水性。對目的層的力學(xué)性質(zhì)、滲透性、含水性進(jìn)行分析。劃分水層和其它有用礦層并進(jìn)行分析評價(jià)。

各種儀器設(shè)備均應(yīng)按說明書和規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)校、測試與刻度，確保儀器性能良好、工作正常。用于定量解釋的補(bǔ)償密度、補(bǔ)償中子、自然伽瑪?shù)目潭葢?yīng)在刻度井中進(jìn)行。測井原始數(shù)據(jù)記錄中應(yīng)含該孔使用儀器設(shè)備的調(diào)校、刻度成果資料、井場校驗(yàn)資料。

5 新柯地1井鉆井施工簡況

新柯地1井于2017年8月18日開鉆，2017年11月8日完鉆。因達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)目的完鉆井深1050.1 m。鉆井周期83.23 d，全井平均機(jī)械鉆速0.64 m/h，臺(tái)月效率379.06 m。

各開次及套管情況：?219 mm導(dǎo)管鉆進(jìn)0～19.80 m，一開?150 mm鉆進(jìn)19.80～47.10 m，二開?122 mm鉆進(jìn)47.10～335.50 m，三開?96 mm鉆進(jìn)335.50～1050.10 m；套管程序?180 mm套管×19.80 m，?146 mm套管×47.10 m，?114 mm套管×335.50 m。

新柯地1井施工最大難點(diǎn)是井漏的預(yù)防與封堵。新柯地1井幾乎全井漏失，漏失層位主要是肖爾布拉克、玉爾吐斯組，漏失原因?yàn)榈貙恿严栋l(fā)育且規(guī)模較大。裂隙幾乎順鉆孔軌跡走向，多為應(yīng)力擠壓破碎形成，中間無膠結(jié)物。

施工過程中采用了多種堵漏方法，但見效甚微。

(1)水泥封堵：導(dǎo)管與一開鉆進(jìn)中，效果明顯。但候凝時(shí)間長，生產(chǎn)效率低。后加入早強(qiáng)劑或石膏，雖然在一定程度上縮短了候凝時(shí)間，但仍需要等待12～20 h。隨井深加深、裂隙增大，水泥漿幾乎順裂縫流失，無法進(jìn)行封堵。且裂隙縱向發(fā)育，封堵的長度太短，鉆開即漏，效果不好。

(2)套管隔離：屬于最有效的隔離封堵手段。但受限于設(shè)備與工藝方法。本井一開設(shè)計(jì)鉆進(jìn)至200 m左右，實(shí)際施工至47.10 m，因多次水泥封堵無效，采用套管隔離實(shí)屬無可奈何。

(3)橋接堵漏材料：在封堵過程中，存在顆粒小無法封堵、顆粒大無法進(jìn)入裂隙兩種情況。通過調(diào)整比例加入各類型大小不一的骨架材料，配置成高粘堵漏劑泵入或灌入漏層靜止或憋壓堵漏，但堵漏效果不佳。

(4)強(qiáng)鉆：三開至完鉆全部采用頂漏強(qiáng)鉆穿過震旦系奇格布拉克組、蘇蓋特布拉克組進(jìn)入長城系。此井的施工為在此地區(qū)進(jìn)行調(diào)查鉆井提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)語

新柯地1井的鉆井工程設(shè)計(jì)經(jīng)過專家組的論證通過后，有效地指導(dǎo)了新柯地1井的施工，取得了較好的施工效果，滿足了地質(zhì)調(diào)查的需要。為今后的油氣或頁巖氣地質(zhì)鉆探工程設(shè)計(jì)提供了一些參考。

對于該地區(qū)鉆井的漏失規(guī)律和有效治理，特別是小井眼繩索取心鉆進(jìn)的漏失治理還有很多方面需要總結(jié)和完善。