郭軍， 李巖， 王文彬， 王超技

(1.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南省地質(zhì)新能源勘探開發(fā)工程技術研究中心，湖南 長沙 410014；2.安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊，安徽 宿州 234000)

0 引言

揚子地區(qū)是我國重要的頁巖氣資源前景區(qū)之一，目前上揚子地區(qū)的四川盆地已在進行頁巖氣工業(yè)化開發(fā)[1-2]，中揚子地區(qū)的湖北宜昌取得了重大的勘探突破[3-4]，而下?lián)P子地區(qū)頁巖氣勘探的進展相對較慢。皖南地區(qū)的二疊系孤峰組、龍?zhí)督M和大隆組中發(fā)育一套富有機質(zhì)泥頁巖，這套頁巖厚度大、成熟度高，具備良好的頁巖氣成藏物質(zhì)基礎[5-6]； 鄰區(qū)的三疊系、寒武系和志留系在以往的勘探工作中均有油氣發(fā)現(xiàn)[7]，這顯示該區(qū)有著良好的油氣勘探前景。但皖南地區(qū)構造復雜，斷層發(fā)育，存在局部高壓地層，且裂縫性氣藏在橫向上變化大，勘探程度低。經(jīng)統(tǒng)計，在已鉆的13口鄰井中，8口井發(fā)生了井漏、井壁垮塌、卡鉆、掉鉆具等一種或多種井下復雜狀況，工程施工面臨著巨大挑戰(zhàn)。因此，通過總結以往的鉆探施工經(jīng)驗，探尋優(yōu)快鉆井對策，對指導該區(qū)的下一步勘探工作，實現(xiàn)勘探突破具有重要意義。

皖涇地2井是由中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所部署，湖南省煤炭地質(zhì)勘查院負責施工的大口徑油氣調(diào)查井。該井施工設計合理，工藝選擇和應對井下復雜狀況的措施得當，鉆進較為順利，采用的技術體系可為今后該區(qū)的鉆探施工提供重要的技術參考。

1 工程概況

皖涇地2井位于安徽省宣城市涇縣蔡村鎮(zhèn)，地處下?lián)P子陸塊蘇皖南坳陷南端的宣城凹陷，設計井深2 300.00 m，主要鉆探目的是調(diào)查三疊系殷坑組和二疊系生儲蓋組合及其成藏特征，建立地層層序格架和沉積特征剖面，獲得油氣發(fā)現(xiàn)，評價勘探潛力。

1.1 地層特征

根據(jù)實際鉆探情況，從地表的第四系至泥盆系觀山組，皖涇地2井鉆遇地層具體見表1。地層上部主要為灰?guī)r，泥質(zhì)膠結，構造復雜，裂縫、孔、洞等巖溶發(fā)育，破碎帶多，可鉆性4～6級； 中部主要為泥巖、頁巖，質(zhì)較硬，性脆，呈薄層狀，泥質(zhì)結構，吸水性好，局部見煤層，可鉆性4～6級； 下部主要為細砂巖，成分以石英為主，長石次之，局部為石英砂巖，致密，可鉆性7級以上。

表1 皖涇地2井地層劃分及地層特征

1.2 工程施工情況

皖涇地2井于2020年9月20日開鉆，12月4日完鉆，完鉆層位為泥盆系觀山組，鉆遇14套地層，其中含2套油氣成藏系統(tǒng)，包括三疊系殷坑組常規(guī)油和二疊系頁巖氣，合計發(fā)現(xiàn)油氣異常63.00 m，共18層，二開井身結構完井(圖1)。先期采用φ444.5 mm 全面鉆頭鉆進至井深81.00 m，下入φ339.7 mm套管固井，導管下深80.05 m，封固地表第四系和白堊系易垮井段； 一開采用φ311.2 mm的金剛石復合片(Polycrystaline Diamond Compucts,PDC)鉆頭鉆至井深1 304.00 m，下入φ244.5 mm技術套管進行石油固井，套管下深1 302.09 m，封固周沖村組、南陵湖組的灰?guī)r易漏、易掉塊地層； 二開采用φ215.9 mm的PDC鉆頭鉆至井深2 330.00 m，下入φ139.7 mm生產(chǎn)套管進行頁巖氣井專業(yè)固井，套管下深2 131.77 m，固井質(zhì)量能夠滿足大型水力壓裂要求。

圖1 皖涇地2井井身結構示意圖

1.3 主要設備及鉆進工藝

工程根據(jù)鉆探設計要求，選用ZJ40石油鉆機、F-1300泥漿泵、YC6C1320-D31柴油機組等，使用新度系數(shù)在80%以上的鉆具，保證能夠滿足3 000.00 m之內(nèi)的鉆探施工需求。同時配置全套的泥漿固控凈化設備與安全防護設備，主要包括離心機、除氣器、環(huán)形防噴器、雙閘板防噴器、節(jié)流壓井管匯等。

鉆進工藝主要采用PDC+螺桿復合鉆進，循環(huán)介質(zhì)為水基鉆井液。松散軟弱的導管段地層采用高黏度膨潤土漿進行護壁。一開主要是巖溶發(fā)育的灰?guī)r地層，采用鉀銨聚合物防塌鉆井液體系; 二開井段泥頁巖地層發(fā)育，采用強抑制性聚合醇儲層保護鉆井液體系。

2 鉆探施工難點分析

(1)地質(zhì)條件極其復雜。工作區(qū)位于下?lián)P子陸塊蘇—皖南坳陷南部的南陵盆地與宣城盆地結合地帶，北東緣位于南陵盆地東緣，南東緣位于宣城盆地西緣。由于盆地的活動時期、活動性質(zhì)不同，加之相互疊加與相互改造，致使該區(qū)形成了復雜的構造格局[8-10]。在多期斷裂構造活動的改造下，區(qū)內(nèi)各時代的地層發(fā)育不完整，或發(fā)生強烈變形，或被錯斷、斷失，甚至出現(xiàn)重復疊置等現(xiàn)象。工作區(qū)及鄰區(qū)已查明不同級別、不同形態(tài)的褶皺20余個，斷層百余條，地質(zhì)條件極為復雜(圖2)。

(2)發(fā)生井漏、縮徑、垮塌、卡鉆等復雜情況的風險大。白堊系赤山組至三疊系殷坑組灰?guī)r發(fā)育，裂縫、溶洞、破碎帶常見，且赤山組與相鄰地層均為不整合接觸，該段漏失、井壁垮塌等風險大，各種井下復雜于鄰井均有發(fā)生。二疊系以泥頁巖為主，間夾砂巖、煤層、破碎帶，水敏性好，縮徑、垮塌嚴重，皖涇地1井、港地1井均發(fā)生了卡鉆事故(圖2)。

圖2 研究區(qū)構造綱要

(3)底部地層的不可預見性強。由于區(qū)域勘探程度較低，可用鄰井資料較少，特別是深部的鉆遇地層沒有參考資料，給施工帶來了較大的不可預見性，使得井身結構設計及事故處理都具有極大風險。

(4)固井難度大。鄰井資料顯示，該區(qū)油氣顯示較好，局部可能有高壓氣層，固井時易發(fā)生氣竄。此外二疊系大隆組—孤峰組的泥頁巖地層構造發(fā)育，局部巖石破碎嚴重，承壓能力弱，高密度水泥漿壓漏地層的風險大。

3 優(yōu)快鉆井技術對策

3.1 易漏地層的防漏堵漏

針對地表至三疊系殷坑組主要為灰?guī)r地層，裂隙、溶洞、破碎帶等造成的漏失從小漏到大漏，再到鉆井液失返性漏失均有可能發(fā)生的情況，現(xiàn)場采用隨鉆防漏堵漏為主、復合堵漏為輔的對策。

(1)隨鉆防漏堵漏。鉆井液漏失一般分為壓差性漏失和裂縫性漏失2類。工作區(qū)內(nèi)，三疊系殷坑組以上地層的漏失多為巖溶發(fā)育的裂縫性漏失，以下地層的漏失多為泥頁巖地層承壓能力低且所用鉆井液密度高所造成的壓差性漏失。針對該特點，現(xiàn)場在設計的鉀銨聚合物防塌鉆井液體系和聚合醇儲層保護鉆井液體系中均加入了地層壓力增強劑。該種材料的主要成分為纖維絲和纖維粉，其跟隨鉆井液一起進入裂隙時會不斷地減小孔隙和裂隙空間，提高地層的承壓能力。當達到飽和時，裂隙就會被完全封堵。該種材料的應用有效降低了發(fā)生井漏的概率，其對小漏或滲漏具有良好的預防作用。

(2)復合堵漏。復合堵漏是依照需要混合多種堵漏材料，利用多種堵漏方式進行堵漏，主要分為2步： 第一步，利用高黏堵漏材料和惰性堵漏材料組成復合堵漏塞，送入漏失層，形成有效駐留； 第二步，送入高膨脹性活性材料至漏失層，在井底溫度和固化劑的作用下快速固化，形成高強度封堵層，從而實現(xiàn)對漏失層的封堵[11-12]。這種堵漏方式主要針對地層發(fā)生惡性漏失或一般性漏失，也可只采用第一步的方法進行堵漏。針對該區(qū)上部灰?guī)r地層易發(fā)生惡性漏失的現(xiàn)象，現(xiàn)場采用高黏堵漏劑、鋸末、棉籽殼、地層壓力增強劑等，按照1∶3∶3∶2的體積比干拌混合配制了復合堵漏劑。

3.2 致密難鉆地層的鉆頭優(yōu)選

二疊系孤峰組下部至泥盆系觀山組的地層時代相對古老，巖性變化和交互頻繁，研磨性強，可鉆性差，鉆頭選型難度大。其中，中砂巖、硅質(zhì)頁巖、石英砂巖(圖3)等地層巖石堅硬，可鉆性極差，常規(guī)牙輪鉆頭或復合片鉆頭的磨損極快(圖4)。針對該種情況，現(xiàn)場改用同時包含牙輪和刀翼的混合鉆頭。鉆進時，先由牙輪切削齒對巖石產(chǎn)生預破碎，形成不連續(xù)的齒坑，再由PDC的切削齒進行切削，將齒坑連通，從而形成完整的破碎環(huán)帶，在硬塑地層中具有較高的機械鉆速[13]?；旌香@頭同時具有PDC鉆頭的攻擊性和牙輪鉆頭的低扭矩特性。當鉆遇軟硬交互、研磨性強的地層時，混合鉆頭的牙輪切削齒對巖石的預破碎有效降低了PDC鉆頭切削齒的切削載荷，同時牙輪切削齒的存在也限制了PDC切削齒的吃入深度。因此，與PDC鉆頭相比，混合鉆頭崩齒的概率大大降低，使用壽命更長[14-15]。

圖3 石英砂巖巖屑照片

圖4 磨損的普通復合片鉆頭

3.3 強抑制性鉆井液體系

根據(jù)鄰井井下復雜資料統(tǒng)計(表2)，港地1井、皖涇地1井和皖宣頁1井等3口井均在二疊系的泥頁巖地層中發(fā)生了井壁垮塌、卡鉆等井下復雜。針對該區(qū)泥頁巖地層水敏性好、承壓能力弱，極易發(fā)生縮徑、掉塊、井壁垮塌而造成卡鉆、壓差井漏等情況，該井二開井段優(yōu)選了具有強抑制性的聚合醇儲層保護鉆井液體系，配方為： (3.0%～5.0%)土漿+(0.3%～0.5%)KPAM/HV-CMC+(0.2%～0.3%)LV-CMC+(2.0%～3.0%)廣譜護壁劑+(0.1%～0.15%)NaOH+(1.0%～2.0%)磺化瀝青+1.0%磺化褐煤+(1.0%～1.5%)聚合醇+(1.0%～2.0%)地層壓力增強劑。各項性能控制范圍見表3。

表2 皖涇地2井鄰井井下復雜資料統(tǒng)計

表3 聚合醇儲層保護鉆井液體系各項性能控制范圍統(tǒng)計

該鉆井液體系中，羧甲基纖維素鈉鹽長分子鏈能與多個黏土顆粒吸附，增大泥餅膠結性，抑制頁巖水化膨脹[16]?；腔癁r青含有磺酸基，水化作用強，當吸附在頁巖表面時能夠阻止頁巖顆粒水化分散，不溶于水的部分可以充填孔喉和裂縫，起到封堵作用。同時，磺化瀝青還具有降摩阻和降濾失的作用?；腔置涸阢@井液中具有明顯的降濾失和抑制降黏作用[17]。聚合醇可防止水鎖損害儲層，地層壓力增強劑可有效控制井漏并提高地層承壓能力。

3.4 破碎地層取心對策

設計取心進尺50.00 m，取心層位為殷坑組至孤峰組，對應巖性主要為灰?guī)r和頁巖，間夾砂巖和煤層。其中，頁巖主要為碳質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖，巖石硬、脆、破碎并伴有方解石脈、黃鐵礦等(圖5)，機械鉆速低，鉆頭磨損快(圖6)，卡心、堵心概率大，采取率沒有保證。針對該情況，現(xiàn)場采取了以下措施以提高取心收獲率。

圖5 孤峰組硅質(zhì)頁巖巖心照片

圖6 頁巖專用取心鉆頭

(1)優(yōu)選取心鉆頭。鉆至頁巖取心層位，由普通取心鉆頭更換為頁巖專用取心鉆頭。與常規(guī)取心鉆頭相比，該類鉆頭的齒徑更小，刀翼增至8個，布齒密度增大，使得鉆頭的攻擊性更強，穩(wěn)定性更好，而巖心受鉆頭影響的破碎程度更小，針對中硬地層和研磨性夾層具有更高的機械鉆速。

(2)優(yōu)選鉆進參數(shù)。以往取心實鉆情況證明頁巖取心鉆進中采取大鉆壓、高轉速，不僅無法有效提高機械鉆速，反而會導致取心鉆頭磨損嚴重而提前終止取心作業(yè)，影響作業(yè)時效。較大的地層應力也會導致巖心更易破碎，進一步導致卡心、堵心的情況出現(xiàn)。小鉆壓、低轉速鉆進能夠獲得較好的機械鉆速和取心收獲率[18]?，F(xiàn)場采用川7-4取心筒和金剛石取心鉆頭，鉆壓控制在50 kN之內(nèi)，轉速30～60 r/min，排量20～25 L/s。

(3)采用“少打多提”工藝措施。由于該區(qū)頁巖地層的可鉆性、成心性均較差，現(xiàn)場堅持“少打多提”原則，鉆進中出現(xiàn)堵心、卡心及磨心等異常情況時立即起鉆，以保證取心收獲率，提高作業(yè)效率。

3.5 彈韌性雙凝雙密度固井技術

針對井下油氣顯示較好但地層承壓能力較弱的特點，為了滿足后期壓裂作業(yè)的需要，現(xiàn)場采用彈韌性雙凝雙密度固井技術。彈韌性材料能夠降低水泥石彈性模量，有利于保持水泥環(huán)的密封完整性。雙凝雙密度固井能夠保證較小的水泥漿液柱壓力，降低固井過程中水泥漿漏失的可能性，同時解決因水泥漿體積收縮和脫水失重造成的流體串流和微間隙膠結不好的問題，展現(xiàn)出了良好的膠結能力和防氣竄能力[19]。

領漿采用彈韌性低密度水泥漿，尾漿采用彈韌性防氣竄常規(guī)密度水泥漿，雙凝分界點位于1 000.00 m左右。領漿配方為： G級油井水泥+0.6%分散劑+2.8%降失水劑+1.2%緩凝劑+0.5%消泡劑+8.0%穩(wěn)定劑+20.0%漂珠+5.0%彈性劑+水。領漿密度為1.55 g/cm3，API濾失量為45.0 mL，稠化時間為228.0 min，24.0 h頂部抗壓強度9.3 MPa。尾漿配方為： G級油井水泥+0.6%分散劑+2.0%降失水劑+0.4%緩凝劑+0.5%消泡劑+2.0%穩(wěn)定劑+2.5%彈性劑+水。尾漿密度1.87 g/cm3，API濾失量為35.0 mL，稠化時間120.0 min，24.0 h頂部抗壓強度為15.6 MPa。

注入水泥漿之前，通過下入剛性和彈性扶正器保證套管居中度大于70%。同時，采用清洗液充分清洗界面以提高界面的水泥膠結程度。采用足量隔離液提高對泥漿的驅替效率。注入水泥漿時，采用紊流、塞流替漿技術，在降低環(huán)空流體阻力、防止井漏的同時提高頂替效率和固井質(zhì)量。

4 應用效果

4.1 井漏復雜情況處理

施工期間，鉆至井深57.00～58.85 m時，井下發(fā)生鉆井液失返性漏失?，F(xiàn)場利用復合堵漏劑泵至漏失井段，并間歇性憋壓將其擠入地層，后又注入密度1.80 g/cm3的水泥漿進行固化，一次性堵漏成功?，F(xiàn)場分析該段地層為赤山組至周沖村組過渡地帶的灰?guī)r地層，由于巖石破碎、裂縫發(fā)育致使井漏。其余鉆進期間未發(fā)生漏失或井下事故，施工順利。

4.2 鉆井時效分析

設計鉆井周期為100 d，實際鉆井周期為76 d，總進尺2 330.00 m，取心進尺50.22 m，巖心長47.16 m，平均收獲率93.91%。其中，導管純鉆進時間10.13 h，進尺81.00 m，平均機械鉆速8.00 m/h； 一開純鉆進時間250.92 h，進尺1 223.00 m，平均機械鉆速4.87 m/h； 二開純鉆進時間322.17 h，進尺1 026.00 m，平均機械鉆速3.18 m/h。全井純鉆進共用時583.22 h，占完井周期的25.58%，總進尺2 330.00 m，平均機械鉆速4.00 m/h。

在致密難鉆地層井段，從二疊系棲霞組至泥盆系觀音山組共使用1只混合鉆頭，鉆進井段2 099.93～2 330.00 m，進尺230.07 m，平均機械鉆速1.35 m/h，其機械鉆速和使用壽命均好于同地層使用的牙輪鉆頭和PDC鉆頭。

4.3 井眼質(zhì)量評價

地球物理測井結果顯示: 0～1 000.00 m，全井最大井斜角為1.25°； 0～2 500.00 m，全井最大井斜角為3.18°。全井最大全角變化率為1.96°/30 m，井底水平位移為18.91 m，最大井徑擴大率為10.20%。固井質(zhì)量測井解釋結果表明生產(chǎn)套管固井一界面以膠結良好為主，二界面以膠結中等為主。因此，可以認為該井完井井眼質(zhì)量較好，能夠滿足工程、地質(zhì)的質(zhì)量要求，為下一步壓裂試氣做好了準備。

5 結論

(1)皖涇地2井工作區(qū)構造發(fā)育，地層多變。上部地層裂縫、溶洞、破碎帶等巖溶發(fā)育，下部泥頁巖水敏性好、承壓能力弱，局部存在高壓氣層，發(fā)生井漏、縮徑、垮塌、卡鉆等復雜情況的風險極大，鉆探施工面臨巨大挑戰(zhàn)。

(2)針對鉆遇地層易發(fā)生漏失的情況，添加地層壓力增強劑的隨鉆堵漏技術有效降低了漏失發(fā)生的概率。復合堵漏技術實現(xiàn)了對所發(fā)生的惡性漏失的一次性成功封堵，縮短了鉆井周期。

(3)二疊系大隆組—孤峰組主要巖性為碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖，質(zhì)硬、性脆、破碎嚴重，可鉆性差、研磨性強，適宜選用頁巖取心專用鉆頭，利用“少打勤提”措施進行取心，以保證取心收獲率； 棲霞組至泥盆系觀山組的地層中，砂巖、泥巖(頁巖)呈不等厚互層，間夾灰?guī)r、硅質(zhì)頁巖，中下部發(fā)育2套石英砂巖，軟硬交錯，變換頻繁，適宜采用混合鉆頭鉆進。

(4)針對二疊系泥頁巖地層水敏性好、承壓能力弱，易發(fā)生縮徑、井壁垮塌、壓差井漏等復雜情況，強抑制性的鉆井液體系是實現(xiàn)該套地層優(yōu)快鉆進的保障措施，彈韌性雙凝雙密度固井技術能夠滿足壓裂試氣施工所需的固井質(zhì)量。