頁巖氣調查泉參1井大口徑同徑取心鉆進工藝

熊虎林， 張 飛， 甘輝敏， 徐龍生

(1.新疆地質礦產勘查開發局第九地質大隊，新疆 烏魯木齊 830009； 2.核工業二三〇研究所，湖南 長沙 410007)

1 工程概況

頁巖氣屬于非常規天然氣，它賦存于富含有機質的頁巖層段中。儲層具有連續分布、低孔、低滲、脆性較高等特性，儲層的有機地化特征是控制頁巖氣成藏的關鍵內在因素之一，是決定頁巖氣開發方案的重要因素。為落實勘查區塊，進一步查明吉木薩爾地區頁巖地層層序、含氣頁巖厚度和結構、有機地化特征，評價含氣頁巖的儲集性能、巖石力學參數和含氣性等。新疆國土資源廳下達了《新疆吉木薩爾縣泉子街區塊頁巖氣戰略選區調查》任務書，由新疆地礦局第九地質大隊具體實施。項目設計頁巖氣參數井1口，位于吉木薩爾縣新地鄉，設計井深2100.00 m，完鉆口徑215.9 mm。在參數井鉆進過程中，需對目的層段進行不連續取心，現場采集力學樣及解析樣，并進行有機質類型、有機碳含量、成熟度、干酪根元素分析、X-衍射粘土礦物分析、孔隙度及分布等常規測試[1-2]。

2 主要地質技術要求

2.1 取心技術要求

蘆草溝組(P2l)中-下部目的層段不連續取心，取心進尺≯250 m，巖心直徑≮100 mm。平均采取率>90%，單回次采取率>80%，破碎層段巖心采取率≥70%。目的層段取心要求如表1所示。

2.2 井身質量要求

全井井斜≯6°，井底水平位移≯80 m，井徑擴大率<25%。正常鉆進中采用單點測斜儀進行井身質量監控，要求每鉆進100～150 m測一次；每開次完鉆進行測井，每30 m記錄一個點，測量全井段井斜情況。若出現井斜情況超標趨勢，立即停止施工作業，進行井身糾斜工作。

表1 目的層段取心要求Table 1 The coring requirements of the target formation

3 取心技術難點

(1)目的層巖性以泥頁巖、粉砂巖為主，部分層段裂隙發育、地層原生裂縫多，增大了樹心難度，且易出現堵心現象。

(2)井壁不穩定，在取心提鉆過程中，易出現卡鉆事故。

(3)巖心出筒過程中，因退心工具使用不當等原因，造成巖心人為損傷且增加了巖心暴露時間，一定程度影響現場解析效果。

(4)為保護儲層，要求鉆井液液柱壓力小于地層孔隙壓力，需要適當降低鉆井液密度，這對鉆井液性能提出了更高的要求。

(5)紅雁池組及蘆草溝組上段地層致密、硅質含量高，可鉆性差，取心機械鉆速低。

4 鉆探設備及取心工具

ZJ30/1700J型石油鉆機，配套JJ180/38型井架，使用?127 mm鉆桿施工；配2臺泥漿泵(SL3NB1300型)，泥漿凈化使用四級固控系統(振動篩-除砂器-除泥器-離心機)(見表2)。當前常用取心工具有四川川慶石油鉆采科技有限公司川7-4型、8-3型、8-4型，中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院Y-8100/Yb8100型以及中國地質調查局勘探技術研究所KT-194型，均可實現大口徑同徑取心。本井配備常規川8-4型取心鉆具。

表2 鉆機型號及主要附屬設備Table 2 Drilling rig model and main auxiliary equipment

5 鉆井工藝

5.1 井身結構

本井采用三開井身結構，取心層段位于蘆草溝組中下段(1827.00～2388.00 m)，依據鉆井工作區的地質構造特征及已完工的鄰近鉆井施工情況，本井采用了三開井身結構。入井三級套管，套管鞋均坐在泥巖層段底部(圖1)。水泥封固裸眼井段后完井。

圖1 井身結構及套管程序Fig.1 Well strcucture and casing program

5.2 鉆具組合及取心技術措施

5.2.1 取心工具組合

鉆具組合為：?215.9 mm取心鉆頭+川8-4型/KT-194型取心筒+?178.8 mm鉆鋌+?158.8 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+133 mm方鉆桿。

全面鉆進井段采用牙輪/PDC鉆頭；目的層段全面鉆進時，由于PDC鉆頭巖屑細小、砂泥巖地層鉆時差別不大，造成現場巖性識別困難，錄井劃分儲集層難度增加；砂巖巖屑顆粒與鉆井液充分接觸，巖屑清洗時油氣逸失嚴重，降低普通地質錄井油氣發現率。故目的層段全面鉆進時不允許使用PDC鉆頭。施工中配備川8-4型取心鉆具2套；蘆草溝組取心層段，巖石硬度大，可鉆性差，調用KT-194型薄壁取心鉆具1套[3-5]。

5.2.2 取心技術措施

5.2.2.1 取心鉆具準備與檢查

內外巖心筒無變形、裂紋和傷痕，懸掛軸承要手轉靈活，單動系統正常工作，卡箍座下端面距鉆頭臺肩面的間隙應大于5 mm。

5.2.2.2 下鉆操作

下鉆操作要平穩，不得猛放、猛剎，防止井壁探頭石碰傷鉆頭。

取心下鉆中途可根據具體情況分段循環鉆井液，或下至距井底10 m左右使用小排量循環，正常后緩慢下放鉆具至距井底1～2 m處，沖洗井底，上下活動及慢轉正常后，方可開始取心鉆進。

5.2.2.3 取心鉆進及割心

下鉆完開始取心時要輕壓啟動，鉆頭工作平穩正常后方可逐漸增至設計鉆壓鉆進。

取心鉆進時，注意觀察機械鉆速、泵壓的變化，發現異常，果斷處理。嚴防卡心、堵心、磨心。

確定割心時剎住剎把，原轉速旋轉10～20 min，停轉盤上提即可拔斷巖心，割心后，嚴禁下放鉆具探心。

5.2.2.4 提鉆及出心

提鉆前，須循環觀察有無氣侵現象，并停泵觀察有無溢流，確認井下無溢流方可提鉆。

提鉆操作平穩，并及時回灌鉆井液。出巖心時要保護巖心的完整性和順序及巖心筒，不得猛蹾，亂甩。

每次取心后及時總結，以利提高巖心采取率和實現安全鉆進。取心質量達不到規定要求，應分析原因、制定相應措施后才能繼續下鉆取心。

5.3 取心鉆進

施工中，川8-4型鉆具配套使用了復合片鉆頭3只、表孕鑲金剛石鉆頭2只及孕鑲金剛石鉆頭2只(圖2)。KT-194型鉆具配套使用了孕鑲金剛石鉆頭1只。鉆進時嚴格遵循了鉆頭廠家推薦的規程參數。但因取心地層硬度大，復合片鉆頭存在切削片小面積崩脫現象，這與切削片鑲焊角度、大小及厚度有關。

泉參1井實際施工工期118 d，完鉆井深2389.80 m。全井取心25回次(目的層前測試取心2回次，目的層取心23回次)，取心總進尺170.54 m，平均巖心采取率93.1%。詳見取心及鉆時統計表(表3)。

圖2 取心鉆頭Fig.2 Core bits

實際取心過程中使用川8-4型鉆具取心22回次，進尺150.40 m；其中單筒取心17回次，取心進尺100.12m，平均巖心采取率95.5%；雙筒取心5回次，平均巖心采取率88.9%。使用KT-194型鉆具取心3回次，進尺20.19 m，平均巖心采取率91.2%。

6 取心技術措施及其應用效果

6.1 優化鉆進參數

在巖石破碎過程中，轉速影響最為顯著，其次為鉆壓，最后為泵量。就胎體磨損而言，泵量影響最大，鉆壓最小。在金剛石顆粒磨損過程中，轉速和泵量影響較大，鉆壓影響最小[3-5]。據此，針對泉參1井設備、取心工具和地層等具體情況，對鉆進技術參數進行了優化。

表3 取心及鉆時統計Table 3 Summary of core recovery and drilling time

6.1.1 轉速

取心用鉆頭為金剛石或PDC，均對鉆頭轉速有一定要求。通常以圓周線速度來規定鉆頭的轉速。孕鑲金剛石鉆頭的周速應達到1.5～3 m/s[1]。表鑲鉆頭所用的金剛石粒度較大，在鉆進中允許有較大的切入量，故要求的轉速可比孕鑲鉆頭稍低，由于出刃量大，在回轉中容易折斷或損傷，不宜高轉速，線速度一般為1～2 m/s。

以?215.9 mm金剛石取心鉆頭為例，取心直徑105 mm。鉆頭唇面中心線速度>1.55 m/s時，金剛石鉆頭效能可以正常發揮，即要求鉆頭轉速>180 r/min[6-7]。

轉盤高速驅動會導致鉆具失穩，破壞裸眼段井壁，嚴重時會出現套管事故。采用轉盤+井底高速螺桿鉆具組合解決了單轉盤驅動轉速問題。螺桿馬達的輸出扭矩與鉆井液壓降成正比，輸出轉速與輸入鉆井液量成正比；負載增加時，鉆具轉速降低?？刂颇酀{泵壓力和泵量即可調整井下鉆具的扭矩和轉速。

復合鉆進時，嚴格控制轉盤轉速，若轉速過快，會使螺桿馬達和傳動軸機構的離心力增大，縮短使用壽命；螺桿外殼體的高速轉動還容易造成殼體斷裂[9-11]。螺桿性能見表4。

表4 高速螺桿性能參數Table 4 Performance parameters of high-speed PDM

控制轉盤轉速50 r/min，泵排量1080 L/min，螺桿轉速170 r/min，鉆頭轉速220 r/min。

6.1.2 鉆壓

表鑲金剛石鉆頭，金剛石粒度為粗粒，單位金剛石上允許鉆壓20～25 N/粒，底唇面排列金剛石顆粒2000±100粒。粗略計算鉆頭正常工作鉆壓范圍為40～50 kN。實際施工過程中，充分考慮螺桿鉆具承壓能力，控制鉆壓在30～50 kN。

6.1.3 泵量

排量在保證螺桿鉆具正常工作前提下，滿足攜帶巖屑要求即可。實際施工中，鉆井液性能完全滿足懸浮攜帶巖屑需要，故僅需考慮螺桿鉆具最小排量要求。

泵量按下式計算：

Q=6sv

式中：v——液流上返速度，不小于0.5 m/s；s——鉆孔的環空面積，cm2；6——由單位換算所產生的系數。

?127 mm鉆桿，215.9 mm口徑，環空面積為239.6 cm2；計算泵量Q=718 L/min。

考慮螺桿鉆具正常工作的流量要求，泵排量為1080 L/min。

6.2 KT-194型薄壁取心鉆具試用

KT型鉆具經過大陸科鉆及其他鉆探工程推廣應用，已實現標準化、系列化，可實現大口徑同徑取心，相較傳統石油取心鉆具優勢明顯[12-13]。同徑取心條件下，KT-194型鉆具切削面積比為64.7%，川8-4型鉆具切削面積比為76.2%；前者切削面積比為后者的84.9%。表5為KT-194型與川8-4型鉆具同徑取心技術參數對比。

表5 取心鉆具技術參數Table 5 Technical parameters of coring tool

使用KT-194型鉆具取心3回次，進尺20.19 m，平均巖心采取率91.2%。第三回次取心時，地層原生裂隙發育，巖心在筒內受到二次破壞，采取率僅為79.32%。其余兩回次平均采取率為97.14%，高于川8-4型鉆具單筒取心平均采取率(95.5%)。

KT-194型鉆具取心平均機械鉆速0.96 m/h，川8-4型鉆具單筒取心機械鉆速0.74 m/h。2種取心工具在蘆草溝目的層位取心鉆進時均未出現堵心現象。

6.3 長筒取心嘗試

在較完整層段嘗試進行雙筒取心，以期提高施工效率，減少提下鉆輔助時間。累計進行了6次雙筒取心作業，取心總進尺50.23 m，巖心總長44.68 m，筒次平均進尺10.05 m，平均巖心采取率88.9%。單筒次最大進尺16.81 m，采取率99.64%；最小進尺3.00 m，采取率70.00%。雙筒取心第三回次出現堵心現象，為地層破碎所致，筒次進尺10.94 m。

長筒取心作業時，取心外筒連接處加裝扶正器，保證取心工具的穩定性；取心內筒連接處也應增加扶正器，以保證內筒剛度。

長筒取心適于中硬-硬地層，要求地層相對均質、膠結良好，如地層原生裂隙發育，取心鉆進時，巖心在上部巖心重力作用下，更容易受到破壞而出現堵心現象。

蘆草溝組頁巖氣目的層屬中硬-硬地層，但天然裂縫發育，不建議使用長筒取心作業方式。

6.4 根據地層巖性定做取心鉆頭

前期使用復合片鉆頭，孕鑲金剛石鉆頭，取心鉆時偏高；取典型巖樣送樣檢測后，由北京探礦工程研究所根據地層巖性定做了表孕鑲金剛石鉆頭，該鉆頭采用天然金剛石+孕鑲金剛石為切削單元，圓柱形聚晶內外保徑，圓弧形底唇面。鉆頭外徑215.8 mm，內徑105 mm。適合完整硬質泥巖地層；地層破碎會導致鉆具失穩，從而致使鉆頭底唇面表鑲金剛石顆粒不正常脫落，影響碎巖效果及鉆頭壽命。該鉆頭適用于長筒取心。

該鉆頭平均機械鉆速0.96 m/h，高于全井取心平均機械鉆速(0.80 m/h)；表鑲金剛石粒度偏大，使用2回次后，約20%金剛石顆粒脫落或破碎。

6.5 鉆井液性能優化

取心過程中，鉆井液性能以有利于發現目的層，確保工程安全為最佳，優化鉆井液體系，保證地質錄井、測井、中途測試等施工作業順利進行[14]。根據臨井同層位地層破裂壓力結合鉆井時效，綜合確定鉆井液最佳密度，力求實現近平衡鉆進。

進入目的層前控制鉆井完井液API濾失量<5 mL，以改善泥餅質量，增強泥餅防透性，形成致密高強度的“屏蔽環”，防止鉆井液對目的層造成嚴重傷害。以MAN104(FA367、PMHA-2)和KCl加強包被，抑制泥巖水化膨脹，以MAN101(JT888、SP-8)、NPAN、SPNH降低濾失量，以SMP-1、無熒光陽離子乳化瀝青(磺化瀝青)、低熒光潤滑劑改善泥餅質量，增加鉆井液的潤滑性[15]。日常維護以MAN101、MAN104、XY-27、JT-888、FA-367、CMC-HV、NPAN配置成膠液，以細水長流的方式維護鉆井液性能，不可直接加入，避免性能波動過大。

鉆井液配方為：4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.5%KOH+0.6%～0.8%MAN101(JT888、SP-8)+8%～10%KPAM+0.6%～0.8%MAN104(FA367、PMHA-2)+2%～3%SMP-1+0.5%～0.7%NPAN+2%～3%SPNH+5%無熒光陽離子乳化瀝青(磺化瀝青)+2%QCX-1+0.2%～0.5% CaO+1%～2%低熒光潤滑劑+重晶石。該鉆井液配方密度控制在1.30～1.35 g/cm3，API失水量≤4 mL，泥餅厚≤0.5 mm。有效抑制了頁巖水化膨脹，目的層段在鉆井過程中未發生縮徑及掉塊卡鉆現象。

7 結論

(1)高速螺桿鉆具的使用，滿足了金剛石取心鉆頭對轉速的要求，提高了取心效率；同時，轉盤+螺桿復合鉆進方式，對裸眼段井壁破壞小，一定程度保證了取心鉆進安全。

(2)取心鉆進時，泵排量約為全面鉆進時的60%，應提高鉆井液懸浮鉆渣能力，及時將小掉塊及巖屑排出；鉆具段外環空間隙小，應嚴格控制鉆井液濾失量，在井壁形成薄而韌泥皮，防止出現掉塊卡鉆事故。

(3)長筒取心工藝不適用于頁巖氣目的層取心。一是地層裂隙稍有發育，易造成取心筒內巖心自磨損耗，降低回次巖心采取率；二是目的層可鉆性級值高，機械鉆速低，現場需要采樣解析，巖心井內滯留時間過長，影響頁巖氣損失氣量估算，造成現場解析結果失真。

(4)根據鉆遇地層實際情況，因‘地’制宜，定做取心鉆頭，調整鉆井液配方，嘗試不同鉆具組合，鉆進效率明顯提升。