王勝建，遲煥鵬，龐 飛，王都樂(lè)，周 志，李 龍，姜鹍鵬

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局非常規(guī)油氣工程技術(shù)中心，北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037；4.貴州頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，貴州遵義 563499)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)南方地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷投入以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，四川盆地內(nèi)頁(yè)巖氣產(chǎn)能逐年提高。截至2020年底，中石化和中石油在四川盆地累計(jì)生產(chǎn)頁(yè)巖氣總量超過(guò)700億方(Zhen et al.,2020；Yang et al.,2021；鄒才能等，2021；戴金星等，2021)，展示良好的勘探開(kāi)發(fā)前景。而在四川盆地外圍的貴州、湖北等復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)也相繼獲得了高產(chǎn)頁(yè)巖氣流(李博等，2016；翟剛毅等，2016；陳孝紅等，2018；王朋飛等，2018；張君峰等，2019；王勝建等，2020)，為我國(guó)南方頁(yè)巖氣增儲(chǔ)上產(chǎn)開(kāi)辟了新地區(qū)和新層系，有力推進(jìn)了地方頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。其中，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在貴州正安地區(qū)通過(guò)安頁(yè)1井的部署實(shí)施，獲得了多套地層的油氣、頁(yè)巖氣的發(fā)現(xiàn)，石牛欄組通過(guò)壓裂試氣取得了10.22×104m3/d的高產(chǎn)天然氣測(cè)試產(chǎn)量(翟剛毅等，2016，2017)，五峰組-龍馬溪組現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量為1.00～2.36 m3/t，測(cè)錄井綜合解釋I類頁(yè)巖氣厚度達(dá)18 m(葛明娜等，2019)。2017年，正安頁(yè)巖氣勘查區(qū)塊探礦權(quán)由貴州產(chǎn)業(yè)投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司競(jìng)得，對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)調(diào)整、服務(wù)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本次研究根據(jù)貴州正安地區(qū)的地質(zhì)和構(gòu)造條件，結(jié)合安頁(yè)1井鉆探過(guò)程中遇到的復(fù)雜問(wèn)題，分析該地區(qū)鉆井過(guò)程中遇到的主要難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，并研究提出解決措施和對(duì)策，以期提高該地區(qū)的鉆井效率，加快該地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)和資源利用的步伐。

1 地質(zhì)背景

貴州正安地區(qū)位于貴州省北部，緊鄰涪陵、南川、武隆、彭水、綦江等重要的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)地區(qū)。該地區(qū)構(gòu)造上位于武陵褶皺帶南部的安場(chǎng)向斜，北鄰道真向斜。安場(chǎng)向斜由奧陶系封閉，總體由北東緊閉向南西撒開(kāi)(雷子慧等，2016；賀永忠等，2020)。軸向北北東20°～30°，延伸長(zhǎng)度約30 km，核部出露侏羅系-三疊系地層，翼部為志留系-奧陶系地層。地層自核部向兩端均有揚(yáng)起趨勢(shì)，東翼巖層傾角相對(duì)較陡，傾角一般在50°左右；北西翼接近核部附近地層傾角一般在25°～35°，巖層傾角由核部向翼部由緩變陡；向斜南部寬緩、地層傾角為10°～25°；北部略收斂、緊閉，地層傾角為30°～60°。地區(qū)主要發(fā)育二疊系和志留系，如圖1所示。

圖1 安場(chǎng)向斜區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of the Anchang syncline1-中下侏羅統(tǒng)；2-上三疊統(tǒng)；3-中下三疊統(tǒng)；4-下三疊統(tǒng)；5-二疊系-三疊系；6-二疊系陽(yáng)新統(tǒng)-樂(lè)平統(tǒng)；7-二疊系船山統(tǒng)-陽(yáng)新統(tǒng)；8-石炭系-二疊系；9-奧陶系-志留系文洛克統(tǒng)；10-寒武系；11-斷層；12-井位1-Middle-Lower Jurassic;2-Upper Triassic;3-Middle-Lower Triassic;4-Lower Triassic;5-Triassic-Permian;6-Permian Yangxin-Leping Series;7-Permian Chuanshan-Yangxin Series;8-Carboniferous-Permian;9-Ordovician-Silurian Wenlockian Series;10-Cambrian;11-fault;12-well location

安頁(yè)1井實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)及巖性柱狀圖如圖2所示，該地區(qū)五峰組-龍馬溪組為頁(yè)巖氣目的層，該組地層斷層總體不發(fā)育，通過(guò)安頁(yè)1井實(shí)鉆資料，目的層上部地層由老至新依次發(fā)育下志留統(tǒng)新灘組、石牛欄組、韓家店組，二疊系梁山組、棲霞組、茅口組、合山組，三疊系夜郎組和嘉陵江組。

圖2 安頁(yè)1井實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)及地層巖性柱狀圖Fig.2 Actual drilling program and stratigraphic column of the well Anye-11-灰?guī)r；2-泥質(zhì)灰?guī)r；3-灰質(zhì)云巖；4-泥質(zhì)粉砂巖；5-泥巖；6-頁(yè)巖1-limestone;2-argillaceous limestone;3-limy dolomite;4-pelitic siltstone;5-mudstone;6-shale

2 主要鉆井工程難點(diǎn)

2.1 井場(chǎng)選擇受限

研究區(qū)位于貴州省正安縣，地處云貴高原向湖南丘陵和四川盆地過(guò)渡的斜坡地帶，屬于典型的喀斯特地貌。從正安縣地形地貌來(lái)看，安場(chǎng)向斜整體地形具有起伏大、高差大的特點(diǎn)，向斜東翼靠近端部地勢(shì)陡峭，而核部地形則以低山、丘陵、盆壩為主，向斜西翼地形相對(duì)平坦開(kāi)闊，總體為山地-河谷地形(韓強(qiáng)，2019)，相對(duì)平坦地帶主要位于安場(chǎng)鎮(zhèn)群眾居住區(qū)，可供選擇的井場(chǎng)主要位于農(nóng)田、山坡處，因此井位選擇受限、修建井場(chǎng)工作量大、成本較高。

2.2 井漏風(fēng)險(xiǎn)高

根據(jù)安場(chǎng)向斜安頁(yè)1井的地質(zhì)成果，表層地層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組，巖性以灰?guī)r為主，成分以方解石為主，泥質(zhì)含量約占10%，易發(fā)生裂縫性漏失，甚至溶洞、暗河性漏失。安頁(yè)1井在表層鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆進(jìn)至21 m時(shí)，鉆遇溶洞，鉆井液失返，給鉆井施工帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。

根據(jù)安頁(yè)1井在石牛欄組和寶塔組所獲取的巖心來(lái)看(圖3)，兩組地層均有一定程度的裂縫和方解石充填裂縫發(fā)育情況，且在三開(kāi)井段石牛欄組、新灘組及四開(kāi)井段寶塔組都有不同程度井漏，地層巖性主要為灰?guī)r，其中井漏發(fā)生時(shí)所用的鉆井液密度分別為2.15、2.27、1.89 g/cm3，累計(jì)漏失量124.53 m3鉆井液。因此，石牛欄組、新灘組和寶塔組這三組地層在高鉆井液密度下有發(fā)生裂縫性井漏的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 巖心裂縫發(fā)育情況(左圖為石牛欄組巖心，右圖為寶塔組巖心)Fig.3 Fractures in cores(the left is from Shiniulan Formation,and the right is from Baota Formation)

2.3 地層傾角較大

根據(jù)安場(chǎng)向斜構(gòu)造情況，向斜核部相對(duì)兩翼較緩，向斜呈東南翼陡西北翼緩，向斜西北翼傾角在24°左右，東南翼在30°左右；且根據(jù)安頁(yè)1井電阻率成像測(cè)井資料解釋，石牛欄組至寶塔組的地層傾角在15°～30°之間，平均為20°左右。因此，根據(jù)上述構(gòu)造分析和實(shí)鉆資料解釋，研究區(qū)地層傾角較大，地層的造斜能力強(qiáng)。如圖4所示，安頁(yè)1井在鉆井過(guò)程中，從二開(kāi)起，井身質(zhì)量開(kāi)始超標(biāo)，鉆至1100 m后，井斜和井底水平位移逐漸嚴(yán)重超標(biāo)至難以控制。

圖4 安頁(yè)1井井身質(zhì)量曲線Fig.4 Well quality of the well Anye-1

2.4 多套壓力地層共存，存在井控風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)安場(chǎng)向斜安頁(yè)1井鉆探結(jié)果(地層壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示)，研究區(qū)所鉆遇的地層存在多套壓力系統(tǒng)。其中，在石牛欄組鉆遇異常高壓氣層，為了壓井，鉆井液密度從1.20 g/cm3提高至2.00 g/cm3以上(如圖5所示)，且壓井過(guò)程中又發(fā)生井漏，上部的灰?guī)r地層有發(fā)生漏失的風(fēng)險(xiǎn)，所以該研究區(qū)容易出現(xiàn)同裸眼井段多復(fù)雜情況并存、鉆井液安全密度窗口窄的難題，易形成“既溢又漏”的復(fù)雜情況，井控風(fēng)險(xiǎn)較大。

表1 安頁(yè)1井地層壓力監(jiān)測(cè)和實(shí)鉆鉆井液密度Table 1 Formation pressure coefficient and actual drilling fluid density of well Anye-1

圖5 安頁(yè)1井實(shí)鉆和設(shè)計(jì)鉆井液密度對(duì)比Fig.5 Comparison of designed and actual drilling fluid density for well Anye-1

3 技術(shù)對(duì)策及建議

3.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于安頁(yè)1井在志留系石牛欄組鉆遇高壓含氣層，發(fā)生溢流，鉆井液密度提至1.96 g/cm3后溢流才得以壓穩(wěn)，而在石牛欄組在采用2.15 g/cm3密度的鉆井液壓井時(shí)發(fā)生了滲漏。因此，為了井控安全，安頁(yè)1井在鉆穿石牛欄組進(jìn)入新灘組后采取了下套管中完作業(yè)。

為應(yīng)對(duì)石牛欄組中下部可能鉆遇高壓含氣層的風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中所部署的導(dǎo)眼井、水平井的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，在保證井控安全的前提下實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。根據(jù)所揭示的地層情況及安頁(yè)1井的實(shí)鉆情況，對(duì)導(dǎo)眼井及水平井井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖6和表2所示。三開(kāi)若鉆導(dǎo)眼井，則鉆完導(dǎo)眼井后裸眼打水泥塞，根據(jù)導(dǎo)眼井所鉆地層情況優(yōu)化設(shè)計(jì)側(cè)鉆水平井井眼軌跡；三開(kāi)若直接鉆水平井，則可從韓家店組下部或石牛欄組上部地層造斜鉆進(jìn)。

圖6 設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the well design

表2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Table 2 Well program design

3.2 清水鉆井技術(shù)

清水鉆井技術(shù)具有成本低、鉆速快的優(yōu)點(diǎn)，在水源充足的情況下可以有效應(yīng)對(duì)地表溶洞、暗河、大裂縫地層發(fā)生的井漏，而且不存在環(huán)境污染(周賢海，2013；劉少胡等2016；潘軍等，2018)。安場(chǎng)向斜表層鉆遇地層穩(wěn)定性較好，不易垮塌，且地層壓力較清楚，因此，采用清水鉆井既能克服可能出現(xiàn)的失返性漏失難題，又可以獲得較高的鉆井速度，降低鉆井成本，經(jīng)濟(jì)性與安全環(huán)保性可靠。

清水鉆井的主要技術(shù)要求：(1)排量選擇上限值以提高攜巖能力；(2)加強(qiáng)固控設(shè)備使用，控制鉆井液密度不超過(guò)1.05 g/cm3，防止形成“大肚子”井眼、沉砂卡鉆等問(wèn)題；(3)儲(chǔ)備一定量的稠漿或常規(guī)鉆井液以應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的井下復(fù)雜情況；(4)注意觀察分析巖屑粒度和返量，判斷井壁穩(wěn)定性；(5)鉆完進(jìn)尺后要大排量循環(huán)，無(wú)沉砂方可起鉆下套管。

3.3 氣體鉆井技術(shù)

安場(chǎng)向斜所在的貴州正安地區(qū)地表以喀斯特地貌為主，在表層鉆井過(guò)程中容易鉆到溶洞暗河和大型裂縫，造成惡性漏失的復(fù)雜情況。如果鉆井水源補(bǔ)給不足，無(wú)法實(shí)施清水強(qiáng)鉆的情況下，可以采用空氣鉆井來(lái)克服常規(guī)鉆井液鉆井面對(duì)的不利因素，實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井，且有利于保證井身質(zhì)量?？諝庾鳛檠h(huán)介質(zhì)，具有取之不盡的特點(diǎn)，可以較容易地穿過(guò)惡性漏失的地層，而且對(duì)地表地層無(wú)污染，尤其適合在缺水干旱地區(qū)使用，以消除鉆井水源的制約(Wu et al.,2020；遲煥鵬等，2021)。

安頁(yè)1井在表層應(yīng)用空氣鉆井成功應(yīng)對(duì)表層鉆遇的大型溶洞，隨后地層出水后改用霧化空氣鉆井，總共完成表層1100 m進(jìn)尺的鉆井，機(jī)械鉆速6.6 m/h，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期鉆井效果。因此，在水源不足的情況下，在安場(chǎng)向斜可以利用空氣鉆井、霧化空氣鉆井或空氣泡沫鉆井等氣體鉆井技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)惡性漏失地層和提高機(jī)械鉆速。

3.4 上部地層防斜打直對(duì)策

(1)PDC+螺桿鐘擺鉆具

采用鐘擺鉆具組合可以起到較好的防斜、糾斜效果。為了減小無(wú)法充分釋放鉆壓帶來(lái)的鉆速影響，可以采用PDC+螺桿鉆井方式來(lái)彌補(bǔ)鐘擺鉆具所犧牲的鉆速。

(2)空氣錘鉆井技術(shù)

空氣錘鉆井由于鉆壓較小，可以有效降低井斜。而且，采用空氣錘鉆井技術(shù)(Luo et al.,2016)，在有利于防斜的同時(shí)，由于空氣錘對(duì)井底地層的高頻沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。

3.5 防漏堵漏技術(shù)措施

針對(duì)井漏要堅(jiān)持預(yù)防為主、防堵結(jié)合的原則，盡量避免鉆井主觀因素導(dǎo)致的井漏。在鉆井過(guò)程中發(fā)生漏失后，除了可以采取清水鉆進(jìn)、氣體鉆井外，還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和地層漏失情況，采取堵漏漿堵漏、注水泥塞堵漏、隨鉆堵漏等方法。

3.5.1 井漏預(yù)防技術(shù)

(1)地面溶洞探測(cè)技術(shù)

為預(yù)防表層出現(xiàn)由于大的裂縫、溶洞造成的惡性漏失，通過(guò)在設(shè)計(jì)井位所在區(qū)域開(kāi)展物探工作，對(duì)1000 m以淺的主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和巖溶地質(zhì)特征進(jìn)行探測(cè)(Saddek et al.,2019)，識(shí)別可能存在的構(gòu)造異常和溶洞，降低惡性漏失風(fēng)險(xiǎn)。

(2)井漏預(yù)防技術(shù)措施

在保證井壁穩(wěn)定的前提下，一方面應(yīng)盡量選用低密度、低濾失、強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵性能的鉆井液體系，優(yōu)化流變性能，降低循環(huán)壓耗，減小井底壓差；另一方面優(yōu)化鉆井參數(shù)，精細(xì)化鉆井操作，盡量減小抽吸和激動(dòng)壓力。

打完導(dǎo)眼建立井口后，在五峰組-龍馬溪組以上各地層鉆進(jìn)時(shí)，儲(chǔ)備好清水和堵漏材料，鉆至發(fā)生漏失地層前進(jìn)行防漏預(yù)處理，加入隨鉆堵漏劑進(jìn)行防漏，尤其是微裂縫較發(fā)育的地層。

3.5.2 復(fù)合堵漏技術(shù)

根據(jù)安頁(yè)1井的堵漏施工經(jīng)驗(yàn)，在該地區(qū)鉆井發(fā)生井漏采取堵漏漿堵漏即可取得良好效果。

如果漏速較小(<10 m3/h)，則可加入較低濃度(10%以內(nèi))的隨鉆堵漏劑或單向壓力封閉劑，實(shí)施隨鉆堵漏。如果漏速在10 m3/h以上，則根據(jù)漏失量使用粗中細(xì)三種顆粒的復(fù)合堵漏劑和核桃殼、云母片、纖維、隨鉆堵漏劑等確定復(fù)合堵漏漿配方，堵漏漿濃度一般在15%～40%，還可以采取注入快干水泥的辦法進(jìn)行堵漏。漏速在50 m3/h以內(nèi)采用原鉆具堵漏，如果漏速大于50 m3/h，需要起鉆換光鉆桿鉆具組合堵漏。

3.6 “井工廠”鉆井技術(shù)

針對(duì)該地區(qū)井位選擇受限、修建井場(chǎng)工作量大的問(wèn)題，可以借鑒山地“井工廠”鉆井工程技術(shù)和作業(yè)模式(Brian and Shapour,2013；張金成等，2016)，如圖7所示，因地制宜，進(jìn)行井場(chǎng)布局及地面設(shè)備設(shè)施優(yōu)化，根據(jù)地表地下地質(zhì)情況，探索井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而減小占地面積，降低鉆前施工工作量，最大程度地開(kāi)發(fā)動(dòng)用頁(yè)巖氣資源，實(shí)現(xiàn)降本增效的目的。

圖7 “井工廠”鉆井技術(shù)軌道設(shè)計(jì)和布井方案示意圖(張金成等，2016)Fig.7 Schematic diagram of well trajectory and well program in multi-well pad drilling technology(after Zhang et al.,2016)

4 結(jié)論

(1)井場(chǎng)選擇受限、上部地層井漏風(fēng)險(xiǎn)高、直井段防斜打直制約機(jī)械鉆速、多套壓力系統(tǒng)共存導(dǎo)致井控安全壓力大等是黔北安場(chǎng)向斜地區(qū)頁(yè)巖氣勘探面臨的主要鉆井工程難點(diǎn)。

(2)表層碳酸鹽巖地層易發(fā)生裂縫性漏失，甚至溶洞性漏失，可以通過(guò)地面溶洞探測(cè)技術(shù)加以預(yù)防，利用氣體鉆井技術(shù)或清水強(qiáng)鉆可以應(yīng)對(duì)上部惡性漏失；下部地層發(fā)生漏失可以采用復(fù)合堵漏的方法加以應(yīng)對(duì)。

(3)通過(guò)對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可以盡可能防止同一開(kāi)次中溢漏同層，降低井控風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，減少了大尺寸井眼的鉆進(jìn)進(jìn)尺，有利于提高鉆井速度。

(4)借鑒四川盆地頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的“井工廠”鉆井技術(shù)和模式，下一步需要根據(jù)正安地區(qū)地表地下地質(zhì)情況，探索與之相適應(yīng)的井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低鉆前施工成本，提高開(kāi)發(fā)效率。