摘要
为推进长江下游地区页岩油气等清洁能源调查工作,2015-2021年中国地质调查局在安徽地区部署了25口页岩气井。针对勘探区域地质构造复杂、软硬互层、断层裂隙发育以及地层破碎等地质条件引起的恶性漏失、难钻进、难取心、井壁失稳等钻井复杂情况,通过制定针对性堵漏方案,优选多种类钻头,优化钻具组合、钻井液配置和钻井工艺,初步形成了长江下游(安徽)地区页岩气钻井技术体系,包括:破碎带高效高质取心工艺、软硬互层纠斜控斜钻具组合研究、强研磨性硬地层钻头优选、恶性漏失卡钻处理方法、水平井段钻井液堵漏技术以及水敏地层井壁稳定处理等。为该区后续钻井工程设计和施工作业提供有益借鉴。
长江经济带覆盖了我国11个省市,面积约205.23万k
针对长江经济带对页岩气等清洁能源巨大而迫切的需求,中国地质调查局从2015年开始实施长江经济带页岩气调查科技攻坚战,在长江上游、中游地区陆续实现贵州省志留系,湖北省震旦系、志留系和寒武系,云南省志留系等多个地区多套层系页岩气的重大突破和发
图1 中国地质调查局长江经济带页岩气调查成果(据中国地质调查局,2020年)
Fig.1 Shale gas survey achievements in the Yangtze River Economic Belt by China Geological Survey (according to China Geological Survey, 2020)
2015-2021年,中国地质调查局在安徽地区部署了25口页岩气井工程,其中皖北地区7口,皖南地区18口,总进尺近50000 m(见
皖北地区构造复杂(见
图2 皖北地区构造
Fig.2 Tectonics in Northern Anhui
皖北地区主要目的层为石炭-二叠系上石盒子组、下石盒子组、山西组和太原组,其中取心段发育多套煤层和碳质泥岩,并伴有火成岩侵入、地层破碎且岩性复杂(见
图3 侵入的火成岩——闪长玢岩
Fig.3 Intrusive igneous rock diorite porphyrite
图4 皖亳参1井破碎岩心
Fig.4 Broken cores from Well Wanbocan-1
以皖亳参1井为例:该井在上石盒子组、下石盒子组、山西组取心230 m,堵心、卡心频发,单趟取心进尺短,平均为1.5~5.3 m;在中古生界地层共钻遇18层累计276.58 m厚闪长玢岩,其中山西组钻遇6层累计128.58 m,火成岩侵入井段取心平均钻时120 min/m,最高达318 min/m,远高于取心井段平均钻时36.1 min/m(见
图5 皖亳参1井取心井段钻时
Fig.5 Drilling time chart of the coring section of Well Wanbocan-1
采取的钻井措施:(1)采用单动双管取心工艺,取心时内筒不转动,避免了钻具振动、摆动和摩擦对岩心的破坏;(2)使用弹性较好的岩心爪,便于进心,调整岩心爪与钻头间隙到5~7 mm,降低卡心的概率;(3)针对闪长玢岩、碳质泥岩等难钻进、破碎地层,优选进口尖圆齿复合片取心钻头(见
图6 尖圆齿复合片取心钻头
Fig.6 Imported sharp round tooth PDC coring bit
皖北地区多口井钻遇了硬岩地层,地层硬度大、研磨性强,钻进困难。以皖太参1井为例:该井在二叠系钻遇了大套砂泥岩互层地层,软硬不均,其中石盒子组砂岩以石英砂岩为主(石英含量>80%,长石含量10%~20%),山西组
图7 山西组(1417m)灰白色含气中粒石英砂岩
Fig.7 Shanxi Formation(1417m)gray white gas bearing medium‑grained quartz sandstone
图8 太原组(1480m)灰白色中细石英砂岩
Fig.8 Taiyuan Formation(1480m)gray white medium to fine quartz sandstone
图9 皖太参1井孔隙度分布
Fig.9 Porosity distribution at Well Wantaican-1
图10 皖太参1井渗透率分布
Fig.10 Permeability distribution at Well Wantaican-1
采取的钻井措施:(1)通过实钻地层特点和地层可钻性分析进行钻头优选,采用5刀翼复合片三角聚晶混镶齿PDC钻头,取得较好的效果,同比钻时减少,达到提速增效的作用。(2)采用井底动力钻进技术,配合PDC钻头和等壁厚螺杆马达,螺杆马达直接带动连接在其传动轴上的钻头回转,避免了通过钻杆传递动能的沿程损失。而且等壁厚螺杆马达强度高,使用时间长,提高了钻井时效。
通过采取以上2项措施,机械钻速提高了2.74倍。
皖北地区风化壳广泛发育,风化壳顶部的淋滤溶蚀作用,形成了次生淋滤溶蚀孔隙和溶蚀孔洞,极易发生恶性漏失(见
(a) 邻井古城1井钻遇奥陶系灰岩风化壳,孔洞发育
(b) 皖太参1井1739.12 m,灰色灰岩,见方解石晶体,裂隙方解石填充,见溶洞
(c) 皖太参1井1756.9 m,灰白色白云岩,见方解石晶体,裂隙方解石填充
(d) 皖太参1井1666.85 m,灰白色灰岩,裂隙方解石填充,见溶洞
图11 皖北地区钻遇的孔隙和孔洞发育地层
Fig.11 Pore developed strata in Northern Anhui
采取的钻井措施:(1)采用地面震击器进行震击 400余次无效,并连续向井眼和环空注入堵漏浆。(2)电测法提拉钻具测卡点后爆炸松扣,注入堵漏浆。(3)套铣倒扣,处理爆炸松扣产生的井底落鱼。下套铣钻具组合,多次套铣、倒扣,减少了落鱼的长度,接超级震击器震击28次解卡,起出落鱼。(4)强钻打穿漏层后再堵漏,先泵入堵漏浆15 m³,再泵入水泥浆10 m³堵漏,堵漏成功。
皖凤地1井是部署在淮南市凤台县的1口大口径地质调查井,构造位置位于皖北长山隆起阜凤逆冲推覆构造带,该井在一开井段钻遇了寒武系-二叠系推覆体。由于逆冲推覆构造作用,地层顺着逆冲推覆体方向发生变型,导致地层倾角变大(见
图12 逆冲推覆体井段岩心
Fig.12 Cores from the well section in the thrust nappe
采取的钻井措施:采用硬岩强造斜地层随钻纠斜技术,一开井段采用Ø311 mm PDC钻头+Ø197 mm单弯螺杆(1°)+MWD预弯曲防斜打直钻具组合防斜钻进,同时加密测斜35次,一旦发现井斜超标,更换1.25°螺杆定向随钻纠斜。最终控制到最大井斜为3.85°,满足设计要求。
皖南地区属于下扬子板块。区内构造活动标志以断裂构造活动为主,断裂构造活动十分强烈,区内有1级断裂2条,二级断裂3条,三级断裂6条,这些断裂将研究区划分成井格形状,构造单元面积小且个数多,构造较为复杂(见
图13 长江下游地区区域构造格架
Fig.13 Regional tectonic framework in the lower reach of the Yangtze River
图14 皖页1HF井井身结构
Fig.14 Wellbore structure of Well Wanye-1HF
皖页1HF井造斜井段为大隆组和龙潭组,大隆组、龙潭组均属水敏地层,坍塌掉块严重。根据导眼井皖油地1井岩心实验分析,大隆组岩心粘土矿物含量为43%~52%,以强水敏矿物伊蒙混层为主(见
图15 皖油地1井大隆组岩心电镜扫描图
Fig.15 Scanning electron microscope of Dalong
Formation cores from Well Wanyoudi-1
在钻进过程中,造斜段1380~1520 m多次出现复杂,钻井液返出大量掉块,最大尺寸达到17 cm(见
图16 皖页1HF井17 cm掉块
Fig.16 17cm falling stone in Well Wanye-1HF
采取的钻井措施:解决地质条件引起的井壁稳定性问题,首要也是最重要的解决方案就是针对地层特性和工程特点,采用合适的钻井液体
(a) 浸泡前
(b) 浸泡后
图17 皖油地1井大隆组岩心油基泥浆浸泡96 h试验
Fig.17 96h immersion test of core oil‑based mud
in Dalong formation of Well Wanyoudi-1
通过采用强封堵油基防塌钻井液体系并及时调整钻井液参数,较顺利地穿越皖页1HF井造斜段易坍塌掉块地层和水平段多套断层及破碎带地层。在发生失返性漏失,钻井液当量密度下降到0.5 g/c
皖页1HF井钻进到1908 m后多次钻遇裂缝性漏失,漏速2~4.5 m³/h,堵漏作业成功后钻进至2004 m沟通了栖霞组灰岩溶洞,发生失返性漏失,液面随之下降到井口下800 m,漏失当量密度0.5 g/c
采取的钻井措施:现场针对不同漏失类型及漏速,采取一漏一策,累计堵漏12次,在最后一次失返性漏失堵漏过程中采用了水平井分层堵漏技术。由于本井水平段井身轨迹上翘,所以在重力作用下固化材料无法以段塞形式在水平段滞留固化,前期采用了多次高浓度大颗粒的桥塞堵漏方案和水泥堵漏方案堵漏均未成功。分析堵漏失败原因后,现场创新采取了分层堵漏法进行堵漏,首先使用高密度水泥固化封堵水平段下井壁部分,使用低密度(1.17 g/ c
图18 水平井分层堵漏示意
Fig.18 Layered plugging of horizontal wells
皖页1HF井所在区域页岩气勘探程度低,仅有二维地震资料,且地震测线未经过井位,只能将井轨迹投影在地震剖面上;区域内小断层发
采取的钻井措施:(1)建立储层模型。将孤峰组优质页岩段分为8个小层,根据皖油地1井的储层特征分析,结合地震反射剖面投影深度形成储层模型,结合皖油地1井测井资料和区域地质资料从而得到钻前地质导向模型图。(2)采用旋转导向技术。采用贝克休斯AutoTrak Curve旋转导向工具,建立复杂断块旋转导向井眼轨迹控制技术,动态监测井眼轨迹,并据情况快速调整。
近年来,中国地质调查局在安徽地区部署的25口页岩气钻井工程实施过程中,强化地质与工程一体化技术攻关,地质调查人员、工程技术人员紧密结合,建立“地质调查指导技术攻关,技术攻关支撑地质调查”工作思路,组建“地质、测录井、钻井”联合协同工作小组,克服施工难点顺利完成钻探工作量,为长江下游地区页岩气勘探和区域钻井技术提供了宝贵的技术资料。通过对25口钻井工程技术总结,取得的主要成果及建议如下:
(1)通过钻井工程部署、技术攻关与现场试验,针对地质构造复杂、软硬互层、断层裂隙发育以及地层破碎等地质条件引起的恶性漏失、难取心、难钻进、井壁失稳等钻井复杂情况,初步形成了长江下游(安徽)地区页岩气钻井技术体系,包括:破碎带高效高质取心工艺、软硬互层纠斜控斜钻具组合研究、强研磨性硬地层钻头优选、恶性漏失卡钻处理方法、水平井段钻井液堵漏技术以及水敏地层井壁稳定处理等。
(2)下一步针对长江下游(安徽)地区页岩气钻井工程难点,强化地质-物探-工程一体化,多学科联合攻关,打破专业孤岛效应,保障部署科学性。在钻探工程部署前,提前开展解决方案设计,加强钻井过程控制,坚持预防为主的施工原则。在钻探工程实施中,以预防井漏为主,针对二叠系泥页岩地层水敏性强、承压能力弱,选用具有更强抑制性、防塌性能好的钻井液体系;根据地层情况优选钻头,针对硬地层,建议采取冲击钻进工艺;针对连续取心井段长,在含煤、碳质泥岩等难取心地层,建议采用“少打多提”工艺。从技术攻关角度出发,加强随钻防漏堵漏研究,加强井下提速技术、高效碎岩技术,钻井自动化技术和钻完井液环保处理技术研发。
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