劉文武, 趙志濤, 翁 煒, 朱迪斯, 單文軍, 賀云超
(北京探礦工程研究所,北京 100083)
皖南地1井是部署在安徽省南陵縣煙墩鎮(zhèn)的一口頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查井,目的層為五峰-高家邊組,兼探牯牛潭組-侖山組,設(shè)計(jì)井深1500 m。鉆探的目的是查明安徽皖江地區(qū)地層層序,獲取五峰-高家邊組頁巖厚度、有機(jī)地球化學(xué)、儲(chǔ)集性能及含氣性等頁巖氣評價(jià)參數(shù),摸清五峰-高家邊組在皖江地區(qū)的發(fā)育情況,為評價(jià)皖南地區(qū)五峰-高家邊組頁巖氣資源潛力提供資料支撐,同時(shí)兼顧奧陶系灰?guī)r常規(guī)儲(chǔ)層含氣性調(diào)查。
工區(qū)位于皖南山區(qū)與沿江平原的過渡地帶,地貌類型較復(fù)雜,呈平原、低山、丘陵和山間盆谷區(qū)的地貌組合。北部和東北部屬于長江下游平原,海拔高度在6~60 m;其余大部分地區(qū)地貌以低山、丘陵和山間盆谷區(qū)為主,海拔高度在80~600 m,且工區(qū)西部海拔整體低于東部,表現(xiàn)為南高北低、東高西低的地勢。
鉆井位置區(qū)域預(yù)測地層見表1。
淺水層預(yù)測在300 m以淺。
油氣層依據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,即皖南地1井頁巖目的層段見表2。
根據(jù)南陵1井資料和本井鉆遇地層預(yù)測,902~1500 m可能存在高壓。鉆遇高家邊組泥頁巖地層及奧陶系灰?guī)r地層,鉆進(jìn)中需注意防塌、防漏。目的層段應(yīng)注意防噴、防火、防硫化氫,要儲(chǔ)備一定的重泥漿備用。
皖南地1井涉及鉆探工程施工與測試,技術(shù)要求按照國土資源部、中國地質(zhì)調(diào)查局的相關(guān)技術(shù)規(guī)范、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)和井位論證方案執(zhí)行。采用直井多開次鉆探方法,要求井深≮1500 m,同步開展錄井、測井、固井等配套工作。
表1 皖南地1井地質(zhì)分層數(shù)據(jù)
表2 皖南地1井預(yù)計(jì)高家邊組-侖山組主要目標(biāo)層段
(1)井身質(zhì)量參照《鉆井井身質(zhì)量控制規(guī)范》(SY/T 5088-2008)標(biāo)準(zhǔn)。
(2)井口允許移動(dòng)范圍50 m。
(3)全井段井斜≯8°,全井全角變化率控制在3°/30 m。
(4)井底水平位移≯80 m。
(5)全井井徑擴(kuò)大率≯25%。
鉆探主要設(shè)備根據(jù)施工的鉆井目的、施工的環(huán)境條件、鉆探方法、鉆井深度、終孔直徑等綜合因素確定[1-2]。
鉆探主要設(shè)備配置見表3。鉆探施工現(xiàn)場如圖1所示。
表3 鉆探設(shè)備配置
圖1 皖南地1井鉆探施工現(xiàn)場
3.2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]
根據(jù)地層特點(diǎn)、鉆孔深度及終孔直徑,鉆孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如表4所示。
3.2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化
3.2.2.1 優(yōu)化依據(jù)
表4 皖南地1井鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
注:二開以?98 mm繩索取心鉆進(jìn),視工況決定是否一徑到底。如需三開,則擴(kuò)孔至?122 mm,?114 mm繩索取心鉆桿作為技術(shù)套管。
在二開鉆進(jìn)過程中,采用?98 mm繩索取心鉆進(jìn),因在井深1223.34~1226.34 m處發(fā)現(xiàn)2.8 m高的溶洞,失返,嚴(yán)重井漏,經(jīng)論證下套管封隔,因此二開鉆深1230.84 m,將二開使用的?91 mm繩索取心鉆桿作為活動(dòng)套管封隔溶洞,下深1230 m,接著用?77 mm金剛石取心鉆頭+?73 mm繩索取心鉆具總成+?73 mm繩索取心鉆桿鉆至終孔。
3.2.2.2 優(yōu)化后實(shí)際井身結(jié)構(gòu)
?165 mm鉆頭鉆至233.49 m,下?146 mm套管,水泥固井,井口安裝防噴器。為了保證級(jí)配,?131 mm鉆頭鉆至246.50 m,下?127 mm活動(dòng)套管246.50 m。?98 mm鉆頭鉆至1230.84 m,因遇到溶洞,直接將?91mm繩索取心鉆桿作為活動(dòng)套管,封隔溶洞,下至1230 m。?77 mm鉆頭鉆至終孔井深1506.91 m。實(shí)際井身結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 實(shí)際井身結(jié)構(gòu)
皖南地1井除開孔及擴(kuò)孔段外,一開、二開、三開口徑均采用繩索取心鉆進(jìn)工藝[4-5]。利用繩索打撈器撈取巖心管取心鉆進(jìn)技術(shù)具有多方面的優(yōu)點(diǎn),其中最突出的優(yōu)點(diǎn)就是工程質(zhì)量高,地質(zhì)效果好,提高鉆進(jìn)效率。
皖南地1井鉆遇地層主要巖性為灰?guī)r、泥巖、粉砂質(zhì)泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰質(zhì)粉砂巖,巖石可鉆性級(jí)別以4級(jí)為主。巖石硬度較軟,研磨性較弱,選用中等硬度細(xì)顆粒孕鑲金剛石鉆頭。繩索取心鉆頭的水口適當(dāng)加寬,方便排渣,降低泵壓,鉆頭內(nèi)徑加大金剛石濃度,防止鉆頭內(nèi)徑磨損過快。根據(jù)巖石可鉆級(jí)別,以胎體硬度HRC30~40,唇面形式為同心尖齒、同心階梯齒鉆頭為主。
XY-8型鉆機(jī)是一款成熟的立軸鉆機(jī),其轉(zhuǎn)速為Ⅰ擋:0~300 r/min,Ⅱ擋:0~1100 r/min。鉆壓略大于鉆桿二次彎曲臨界鉆壓,對防止鉆孔偏斜有利[6]。鉆進(jìn)參數(shù)見表5。
表5 鉆進(jìn)參數(shù)
3.6.1 鉆井液性能
皖南地1井鉆井液性能主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制。
(1)泥漿潤滑性能。繩索取心鉆進(jìn)工藝主要是靠高轉(zhuǎn)速研磨破碎,在鉆具高轉(zhuǎn)速下泥漿的潤滑性能對鉆具的保護(hù)尤為重要,尤其是深孔鉆進(jìn)。
(2)泥漿攜帶巖屑的能力。深孔鉆進(jìn)過程中巖粉及巖屑若不能及時(shí)排出,就會(huì)造成巖屑重復(fù)破碎,影響鉆進(jìn)效率,同時(shí)巖粉過多會(huì)造成打撈巖心時(shí)(停泵)泥漿反壓,造成內(nèi)管遇卡情況的出現(xiàn)。
(3)泥漿的護(hù)壁性能。泥頁巖及破碎地層要控制好泥漿失水量及泥餅質(zhì)量,減少泥漿中水的滲透,降低巖層吸水膨脹及垮塌的風(fēng)險(xiǎn),長井段的裸眼需要穩(wěn)定的井壁,保證取心鉆進(jìn)順利進(jìn)行。
3.6.2 鉆井液配方
3.6.2.1 一開鉆井液
要求配制快捷,凈化能力好,能支撐上部第四系粘土層及高家邊組上部較松散地層,采用不分散低固相化學(xué)鉆井液。配方:清水1 m3+4%~6%鈉土粉+0.1%~0.3%純堿+600 ppm聚丙烯酰胺+0.1%~0.2%CMC鈉羧甲基纖維素,輔之以磺化瀝青護(hù)壁劑等。性能指標(biāo):密度1.03~1.07 g/cm3、漏斗粘度22~24 s、失水量8~12 mL/30 min、pH值8~9。
3.6.2.2二開鉆井液
針對水敏性的泥頁巖、泥質(zhì)含量高的砂巖且大傾角地層,改用防塌性好,排粉能力強(qiáng),流變性好、抑制性強(qiáng)的低固相防塌聚合物鉆井液體系。配方:1 m3水+1.0~2.0 kg純堿+30~50 kg膨潤土+5~10 kg降失水劑(GPNH)+5~10 kg增粘劑(GTQ)+1~3 kg包被劑+10~20 kg隨鉆堵漏劑(GPC)+20~50 kg封堵劑+5~20 kg極壓潤滑劑(GLUB)。性能指標(biāo): 密度1.03~1.07 g/cm3、漏斗粘度20~25 s、失水量9~12 mL/30 min、pH值8~9。
3.6.2.3三開鉆井液
頂漏鉆進(jìn)灰?guī)r、白云巖地層,采用普通化學(xué)泥漿,輔以鋸末、麻繩等堵漏材料,保證潤滑降溫,且減少漏失污染。性能指標(biāo):密度1.02~1.07 g/cm3、粘度20~25 s。
皖南地1井在井深1223.34~1226.34 m處發(fā)現(xiàn)2.8 m高的溶洞,上部0.3 m直接失鉆壓,下部2.2 m有填充物,巖心缺失,自然漏失,進(jìn)行溶洞堵漏,共進(jìn)行7次。
1次堵漏:3編織袋鋸末配漿,加纖維素、聚丙烯酰胺、植物膠;鉆桿內(nèi)泵入井底,165 L/min,無效。
2次堵漏:5編織袋鋸末,經(jīng)篩選長度3~6 cm,配漿,加纖維素、聚丙烯酰胺、植物膠;鉆桿內(nèi)泵入井底,165 L/min,無效。
3次堵漏:5編織袋鋸末,且加入4~6 cm的稻草、麻繩和棉絮,配漿,加纖維素、聚丙烯酰胺、植物膠;鉆桿內(nèi)泵入井底,165 L/min,無效。
4次堵漏:海帶10 kg,黃豆25 kg、混合鋸末,拌漿;分3次堵漏,無效。
5次堵漏:篩選大顆粒鉆渣50 L配漿堵漏,無效;混合70 L鉆渣堵漏,無效;靜置一段時(shí)間后,發(fā)現(xiàn)返漿,沖掃孔至井底井漏。
6次堵漏:一次加入12編織袋鋸末,堵漏無效。
7次堵漏:堵漏網(wǎng),500 kg堵漏王,主要為玻璃纖維絲、膨脹劑、堵漏劑等成分,無效。
鑒于堵漏一直無效,經(jīng)過專家論證,用?98 mm的鉆頭鉆至溶洞下面取出完整巖心,用現(xiàn)有?91 mm的鉆桿做套管下放到溶洞下面完整巖石的位置,?91 mm的鉆桿接頭避開溶洞的位置,下入孔內(nèi)的套管全部抹上鈉質(zhì)黃油,S73 mm的繩索取心鉆具鉆進(jìn)鉆至1500 m終孔。做好后期再遇溶洞的預(yù)案:如果在1223.54 m孔深下面還鉆遇溶洞,取出孔內(nèi)?89 mm的套管再用S89 mm的繩索鉆桿鉆至完整巖石再下?89 mm的套管,還是用S73的繩索鉆具鉆至1500 m。
孔斜預(yù)防和控制是影響鉆井質(zhì)量和鉆探效率的主要工藝技術(shù)因素之一[9-12]。本井采用SDYQ-48型無線隨鉆測斜儀,鉆進(jìn)過程中為減少提鉆時(shí)間,在鉆桿內(nèi)測斜,主要記錄頂角、方位角。在330~360和620~640 m由于地層傾角較大,通過扶正器及降低鉆壓在8~12 kN,保證了鉆孔的孔斜度。全孔最大孔斜度6.17°,符合設(shè)計(jì)要求。
2017年9月30日開鉆,2018年1月31日完鉆,共計(jì)124 d,且在施工中實(shí)際鉆進(jìn)遇見2.8 m溶洞,處理時(shí)間24 d。
皖南地1井鉆井工期為124 d,平均機(jī)械鉆速2.26 m/h,臺(tái)月效率364.57 m,平均鉆時(shí)26.60 min/m,不計(jì)溶洞處理24 d,鉆機(jī)臺(tái)月效率452.07 m。詳見表6。
表6 鉆進(jìn)效率統(tǒng)計(jì)
全井生產(chǎn)時(shí)間占87.88%,其中純鉆進(jìn)時(shí)間22.36%,全井非生產(chǎn)時(shí)間12.12%。與同口徑、深度的地質(zhì)孔相比,皖南地1井施工周期略長。主要原因是在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)溶洞,護(hù)壁堵漏及堵漏無效后變更設(shè)計(jì)等待鉆桿鉆具時(shí)間較長,延誤了一部分工期。同時(shí)鉆機(jī)的維修時(shí)間略長,占據(jù)11.23%。
皖南地1井于2017年9月29日通過開鉆驗(yàn)收,采用繩索取心工藝鉆進(jìn),同步開展錄井,2018年1月31日23:53順利完鉆,完鉆深度1506.91 m,完鉆層位奧陶系紅花園組。該工程實(shí)現(xiàn)了鉆探的目的,梳理了安徽皖南地區(qū)地層層序,特別摸清了五峰-高家邊組發(fā)育情況;在高家邊組發(fā)現(xiàn)2層氣測異常井段:886.60~900.00 m井段和965.40~971.00 m井段。項(xiàng)目的順利實(shí)施為頁巖氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的理論推測提供了有力的實(shí)物數(shù)據(jù)支撐和驗(yàn)證。同時(shí)今后項(xiàng)目施工中應(yīng)在不超鉆機(jī)額定最高轉(zhuǎn)速的情況下,提高轉(zhuǎn)速,發(fā)揮繩索取心工藝孕鑲金剛石鉆頭高轉(zhuǎn)速碎巖的特點(diǎn),鉆效會(huì)進(jìn)一步得到提高。針對性的技術(shù)措施須與嚴(yán)格的組織管理措施結(jié)合,方能更好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效。