摘要
为评价雪峰古陆周缘页岩含气性,2019年在沅麻盆地施工了页岩气地质调查井湘桃地1井,完钻井深1850.88 m,全井取心,平均岩心采取率97.24%。施工中应用XY-8型钻机,采用三开井身结构,配合录井及测井技术,并优选钻具组合、钻头、钻进参数、钻井液性能。因牛蹄塘组碳质泥岩失稳掉块及钻探工艺调整不及时发生了卡钻、埋钻、钻具折断等井下复杂,采取螺杆马达侧钻绕障予以解决,侧钻后同径继续钻进806.87 m至完钻。该井的顺利完钻和井下复杂处理方法为同类地区地质调查井施工提供了可借鉴的经验。
页岩气作为一种非常规清洁能源,近年来受到国内外学者的广泛关注。围绕雪峰古隆起边缘的页岩气勘探和研究从未停歇,许多学者对该区的页岩气前景充满了期
本文针对沅麻盆地湘桃地1井钻探工作中所采用的施工工艺及井下复杂的处理技术进行分析与总结,重点总结了小口径地质钻探采用螺杆马达定向实现绕障,侧钻后同径继续钻进到实现地质目标的经验,为今后该类钻探工作提供技术参考。
湘桃地1井为页岩气地质调查井,井型为直井,设计井深1600 m。采用超前裸眼钻进技术优化设计井身结构,即在钻进中尽可能完成甚至超过本开次的设计井深任务,一旦钻遇复杂情况再下入套管,这样可为下部井段提供安全储备口径,减轻深部复杂地层钻进的安全风险,确保满足完井深度及口径要
钻探设备选择的依据是最大钻具质量和遇卡允许上提载荷。综合考虑湘桃地1井设计井深1600 m,完钻井径≮Ø96 mm,以及井身结构、钻井工程质量等要求,选择XY-8型钻机,主要使用Ø89 mm×5 mm钻杆。其他钻具配套机具为:SG24型钻塔;3NBB-390/15型泥浆泵;2SFZ18-35型双闸板防喷器;SJ-3000型绳索取心绞车;4134AD型柴油发电机;KXP-2DS型数字罗盘测斜仪;SK-2N01G、ANY-1型泥浆性能测试仪
根据实钻情况,本井钻遇地层自上而下依次为东井组、比条组、车夫组、花桥组、敖溪组、清虚洞组、杷榔组、牛蹄塘组、灯影组(未穿),见
根据实际钻遇地层及钻井施工情况,本井采用三开钻进。
一开:0~47.28 m。采用Ø152 mm普通金刚石取心钻进至47.28 m,进入较完整基岩,下Ø146 mm套管至井深47.28 m,水泥固井,水泥浆返至地面。根据中国地质调查局《陆域油气地质调查井井控技术要求(试行)》的规定,表层套管下深需满足井控安全,封固浅水层、疏松地层和松散砾石层的要求。
二开:47.28~241.50 m。采用Ø124 mm金刚石钻头绳索取心钻进至井深241.50 m,下Ø114.3 mm技术套管至井深241.50 m。
三开:241.50~1850.88 m。采用Ø98 mm金刚石钻头绳索取心钻进至井深1697.38 m,由于发生卡钻事故,在处理事故过程中,钻杆折断于井内,采用多种常规方法处理不成功,综合考虑工期及经济效益等因素后,采用螺杆马达钻具进行侧钻绕障施工,侧钻出新井S1。三开S1井段:1044.01~1850.88 m,采用Ø96 mm金刚石钻头绳索取心钻进至完钻井深1850.88 m。这2种规格的钻头均属于S96系列绳索取心钻头。
湘桃地1井实际井身结构如

图1 湘桃地1井实际井身结构
Fig.1 Actual wellbore structure of Well Xiangtaodi-1
在近年来我国地质找矿深孔、特深孔钻进中,绳索取心仍然是最有效的钻进方法,也是首选的工艺方
为防止井斜,特别是开孔井斜,采用粗径钻具、扩孔器等防斜钻具组合,做到“以满保直、以刚保直”,满足钻井设计要求,达到地质研究目的。钻杆与井壁间的环状间隙过大容易引起井斜和断钻杆,过小则泵压很高,泥浆泵易出故障,且流速太高,对井壁稳定不利,金刚石绳索取心钻进环状间隙以2~4 mm为宜。该井取心钻具组合如
钻进参数选择的原
钻井施工井下复杂的处理,是保障钻井工作顺利完成的重要环节。在湘桃地1井钻井施工过程中,出现了卡钻、钻杆折断等井下复杂,最终这些井下复杂均得到了妥善的处理,确保了钻井工程的顺利完成。
湘桃地1井在钻进至1697.38 m时,发现不进尺,返浆量减少,此时泥浆密度为1.03~1.04 g/c
根据揭露地层分析,牛蹄塘组碳质泥岩岩性易碎且较软,吸水后容易泡发,岩石呈层状或片状,倾斜的地层在重力作用下失稳掉块是本次复杂发生 的主要原因。钻探施工过程中井深1345 m处发现有漏失点,提钻后有涌水提示该处存在空洞隐患,未及时有效处置造成提下钻产生抽吸和压力激动加剧地层失稳是次要原因。钻进至牛蹄塘组地层时明显进尺加快,在1654~1697 m钻时均在30 min/m以下,发生卡钻当天钻进1691~1697 m时钻时14~20 min/m,井底清洁不及时和设备未有效支持也是本次卡钻的重要原因。
复杂处理应遵循“科学诊断、安全快捷及经济”的基本原则。“科学诊断”是关键,井下复杂发生后,认真研究发生情况、性质、原因,同时查清复杂部位以及井内情况等,慎重制定井下复杂处理方
用传统的方式对井内“落鱼”进行磨、

图2 平底磨鞋及取心钻头
Fig.2 Flat milling shoes and coring bits
首先采用全面平底磨鞋对井内“落鱼”进行磨铣,准确计量钻具长度下钻碰“落鱼”,“鱼头”处1689.80 m,经过4 d使用4个全面平底磨鞋,在井内磨铣时间共计79.5 h,磨铣进尺3.00 m至井深1692.80 m后再不进尺,提钻检查发现第四个磨鞋与变丝接头连接处丝扣断裂掉在井底,发生二次复杂。
二次复杂发生后全面平底磨鞋磨铣无效,下取心钻头进行套
经过7 d的磨铣和套铣,井内铁屑较多,下入强磁打捞器打捞,打捞出部分小碎铁块及铁屑,见

图3 强磁打捞器捞起的部分铁块及铁屑
Fig.3 Some iron blocks and iron filings picked up by strong magnetic fishing tool
采用磨铣、套铣、打捞的方法处理井内“落鱼”均未成功后,确定采用侧钻方法绕障施
三次复杂发生后,综合工期、经济成本和事故处理的风险考虑,决定将1104.30 m以下复杂井段用水泥封隔,然后采用螺杆马达侧钻绕障,侧钻成功后,再采用同径钻具继续钻进。
从经济、技术实现角度,侧钻点的选择距“鱼头”越近越经济,地层越软越易于造斜。查已钻获岩心,1030~1104 m段为敖溪组灰黑色页岩,夹薄层灰岩或白云岩。岩石硬度低易于造斜成功,选取侧钻位置1030~1104 m。统计了该段井斜及方位变化,井斜角3.0°~5.2°,方位角基本一致,原井的井斜主要受到地层的影响,无一致性增加或减少斜率现象,有利于造斜成功。该井段井壁完整,井径98~100 mm。
侧钻前,为保证造斜钻具着力,需要在造斜段构建人工井
螺杆钻具选用5LZ73×7.0×1.5°弯螺杆,该型螺杆适用井眼直径89~114 mm,造斜钻头采用平底全面钻头,见

图4 平底全面金刚石钻头及螺杆马达
Fig.4 Flat bottom full diamond bit and screw motor
开始造斜段钻进时采用小转速、小泵量,造斜时,尽量控制钻进速度。根据螺杆马达和钻头的斜率,计算好造斜段长度。从井深1044.01 m处开始造斜,采用清水钻进,泵量控制在120~230 L/min,压降控制在2.4 MPa,泵压控制在3.5~4 MPa。施工过程中泵压比较稳定,进尺均匀,随着偏斜进尺增加,泥浆槽内的岩屑增多,从岩屑判断新井基本形成,历时30 h造斜进尺3.80 m,井深为1047.81 m。
初步判断已侧钻成功后,下S96绳索取心钻具进行取心验证,第一回次取心0.6 m,其中水泥心约占2/5,见

图5 侧钻后第一次取心
Fig.5 First coring after sidetracking

图6 水泥心逐渐减少
Fig.6 Gradual decrease of cement core
钻进至1078 m时,用测斜仪测井斜,顶角为3.34°,符合设计要求的全角变化率每100 m顶角偏斜≯2°,为侧钻后成功钻探到1850.88 m最终完成地质目的打下了坚实基础。
钻探工程达到地质设计要求,其中三开侧钻S1段(1044.01~1850.88 m)完钻口径Ø96 mm,事故处理后一径到底,采用同井径(H系列)金刚石钻头绳索取心钻进达806.87 m。全井平均岩心采取率97.24%,取全取准了岩心资料。
井眼轨迹情况,通过侧钻绕开了事故障碍,也改变了该井从0~1100 m的逐渐增斜的趋势,从3.47°/1040 m逐渐减小到0.2°/1700 m,完钻时反弹到1.85°/1850 m,方位角基本在300°~100°波动(第四象限到第一象限)。该井在877.90 m(垂深877.25 m)井斜角最大,为4.998°,方位为114.92°。水平位移在1574.9 处最大达到55.18 m,完钻水平位移为49.74 m。东西位移最大为E48.17 m/H1578.10 m,井底位移为E44.47 m/H1850 m;南北位移量最大为S27.48 m/H1675.90 m,井底位移为S22.293 m/H1850 m。

图7 湘桃地1井井身轨迹平面投影
Fig.7 Plane projection of well trajectory of Well Xiangtaodi-1
台月效率466.63 m,平均机械钻速2.31 m/h,纯钻进时间利用率28.33%。
湘桃地1井在进入寒武系中下部地层后有较明显的扩径现象,扩径率4%~12%,这与寒武系中下部地层泥页岩与灰岩软硬互层相关联。全井井温随井深正常递增2.18 ℃/100 m。湘桃地1井井斜角、方位角、井温、井径结果见

图8 湘桃地1井井斜角、方位角、井温、井径(据完钻测井)
Fig.8 Deviation angle, azimuth angle, well temperature and well diameter of Well Xiangtaodi-1 (according to completion logging)
通过岩心编录,湘桃地1井牛蹄塘组页岩矿物组分复杂,具有石英、粘土矿物和碳酸盐矿物质量组合的特点,岩心普遍含有方解石、斜长石、白云石、黄铁矿及钾长石等矿物。页岩脆性矿物种类丰富、质量分数高、脆性指数大,有利于储层的压裂改造;粘土矿物的组合有利于页岩中有机质的富集和保
湘桃地1井完钻井深1850.88 m,钻穿目的层寒武系牛蹄塘组。在牛蹄塘组见气显,录井显示全烃从0.10%逐步上升至0.75%,有3段气显异常系数达到4以上。在牛蹄塘组中下段1690 m以深,钻时记录从上部的25~40 min/m显著下降到16~30 min/m,证明该段地层松软进尺快。湘桃地1井牛蹄塘组气测录井和钻时井深关系曲线见

图9 湘桃地1井牛蹄塘组气测录井和钻时井深关系曲线
Fig.9 Relation curve of gas logging, drilling time and well depth Niutitang Formation of Well Xiangtaodi-1
根据测井曲线响应特征和数据处理结果,结合岩性录井和气测录井资料,对储层进行综合评价,解释储层24层99.5 m,有三类泥页岩2层14.5 m。湘桃地1井测井解释结果如
湘桃地1井顺利完钻,取得的工程成果以及经验、认识如下:
(1)使用螺杆马达钻具侧钻绕障施工,在没有井下定向仪器设备的情况下,通过地面一定的操作手段,避免出现“顺斜”情况发生,螺杆马达钻具在小口径地质调查井事故处理中的使用较少,本井的应用,为小口径页岩调查井施工提供了参考经验。
(2)采用超前裸眼钻进技术设计的井身结构,为下部井段提供了安全储备口径,为侧钻后同径继续钻进806.87 m至完钻提供了保障。
(3)雪峰古陆西北缘沅麻盆地页岩气调查有一定基础,但工作程度仍然相对较低,调查井少,缺乏邻井资料,给钻井设计带来较大的不确定性,也给钻探施工增加了难度。地质和钻探手段有效配合是实现地质目标的保证。
(4)在井下复杂情况发生后,综合考虑时间和经济成本,当处理方案效果不明显时,应及时调整方案,所需的设备及材料提前作好准备,减少等待时间,提高事故处理效率。
参考文献(References)
范小林.雪峰山系—沅麻盆地地质结构及找油意义[J].石油实验地质,1996,18(1):64-70. [百度学术]
FAN Xiaolin. The geological structure of the Xiefeng Mountains-Yuanma Basin and its significance to oil exploration[J]. Experimental Petroleum Geology, 1996,18(1):64-70. [百度学术]
张大伟.全国页岩气资源潜力调查评价[M].北京:地质出版社,2012. [百度学术]
ZHANG Dawei. National Shale Gas Resource Potential Investigation and Evaluation[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2012. [百度学术]
杨长清.黔中隆起及周缘下寒武统牛蹄塘组页岩气勘探前景[J].矿产与地质,2016,30(4):640-645. [百度学术]
YANG Changqing. Shale gas exploration potential of the Lower Cambrian Niutitang Formation in Qianzhong Uplift and its periphery[J]. Mineral Resources and Geology, 2016,30(4):640-645. [百度学术]
彭中勤,田巍,苗凤彬,等.雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏地质特征及有利区预测[J].地球科学,2019,44(10):3512-3528. [百度学术]
PENG Zhongqin, TIAN Wei, MIAO Fengbin, et al. Geological features and favorable area prediction of shale gas in Lower Cambrian Niutitang Formation of Xuefeng Ancient Uplift and Its periphery[J]. Earth Science, 2019,44(10):3512-3528. [百度学术]
张统得,李正前,蒋炳,等.塔里木盆地油气地质调查新乌地1井钻探工艺技术[J].中国地质调查,2019,6(4):59-62. [百度学术]
ZHANG Tongde, LI Zhengqian, JIANG Bing,et al. Drilling technology of Well Xinwudi 1 in oil and gas geological survey of Tarim Basin[J]. Geological Survey of China, 2019,6(4):59-62. [百度学术]
薛倩冰,梁楠,韩丽丽,等.大陆科学钻探工程技术发展动态及趋势分析[J].钻探工程,2021,48(12):1-6. [百度学术]
XUE Qianbing, LIANG Nan, HAN Lili, et al. Development trend of continental scientific drilling technology[J]. Drilling Engineering, 2021,48(12):1-6. [百度学术]
王达,张伟.“科钻一井”钻探施工技术概览[J].中国地质,2005,32(2):184-194. [百度学术]
WANG Da, ZHANG Wei. General introduction on drilling techniques used in China’s First Deep Scientific Drilling Well CCSD-1[J]. Geology in China, 2005,32(2):184-194. [百度学术]
李正前,罗宏保,薛骁彤.油气基础地质调查井新柯地1井工程设计[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2018,45(8):39-43. [百度学术]
LI Zhengqian, LUO Hongbao, XUE Xiaotong. Engineering design of Xinkedi Well-1 for oil and gas basic geological survey[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2018,45(8):39-43. [百度学术]
奎中,黄晟辉.湘永地1井钻探施工技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2018,45(8):28-33. [百度学术]
KUI Zhong, HUANG Shenghui. Drilling construction technology for the Xiangyongdi 1 well[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2018,45(8):28-33. [百度学术]
杨芳,陈师逊.深部地质钻探钻孔结构设计与施工分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2019,46(11):21-26. [百度学术]
YANG Fang, CHEN Shixun. Analysis of design and construction of deep geo‑drilling boreholes[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2019,46(11):21-26. [百度学术]
冉恒谦,张金昌,谢文卫,等.地质钻探技术与应用研究[J].地质学报,2011,85(11):1806-1822. [百度学术]
RAN Henqian, ZHANG Jinchang, XIE Wenwei, et al. Applications study of geo‑drilling technology[J]. Acta Geologica Sinica, 2011,85(11):1806-1822. [百度学术]
GB/T 16951—997,金刚石绳索取心钻探钻具设备[S]. [百度学术]
GB/T 16951—997, Diamond core drilling equipment wire line system[S]. [百度学术]
DZ/T 0227—2010,地质岩心钻探规程[S]. [百度学术]
DZ/T 0227—2010, Geological core drilling regulations[S]. [百度学术]
吴金生,贾军,段玉刚,等.汶川地震断裂带科学钻探项目钻探事故预防与处理技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2012,39(9):49-52,65. [百度学术]
WU Jinsheng, JIA Jun, DUAN Yugang, et al. Drilling accident prevention in Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project and the treatment technology[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2012,39(9):49-52,65. [百度学术]
张文生,张正.汶川地震断裂带科学钻探三号孔(WFSD-3)事故处理与认识[J].安徽地质,2016,26(1):40-43. [百度学术]
ZHANG Wensheng, ZHANG Zheng. Treatment of the accident with scientific drilling hole WFSD-3 in the Wenchuan Seismic Fault zone and the understandings[J]. Geology of Anhui, 2016,26(1):40-43. [百度学术]
杨轶,王建强,洪建俊.煤矿井下套铣打捞技术研究与应用[J].钻探工程,2021,48(2):64-69. [百度学术]
YANG Yi, WANG Jianqiang, HONG Jianjun. Application of washover fishing technology in underground holes in coal mines[J]. Drilling Engineering, 2021,48(2):64-69. [百度学术]
裴森龙,李博,侯朝勇,等.西南天山复杂地层绳索取心钻探跑钻事故处理方法[J].钻探工程,2021,48(8):53-58. [百度学术]
PEI Senlong, LI Bo, HOU Chaoyong, et al. Treatment of drilling string falling‑off in wire‑line core drilling in complex strata of Southwest Tianshan Mountains[J]. Drilling Engineering, 2021,48(8):53-58. [百度学术]
黄晟辉,奎中,吴金生,等.湘永地1井钻进施工及事故处理技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2019,46(2):23-29. [百度学术]
HUANG Shenghui, KUI Zhong, WU Jingsheng, et al. Drilling and incident treatment for Well Xiangyongdi 1[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2019,46(2):23-29. [百度学术]
邹道全.受控定向钻进技术在福建马坑矿区的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2016,43(1):70-74,80. [百度学术]
ZOU Daoquan. Application of controlled directional drilling technology in makeng mining area[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2016,43(1):70-74,80. [百度学术]
焦鹏,郭建华,王玺凯,等.湘西北牛蹄塘组页岩气储层岩矿特征及意义[J].中南大学学报(自然科学版),2018,49(6):1447-1458. [百度学术]
JIAO Peng, GUO Jianhua, WANG Xikai, et al. Characteristics and significance of petrological‑mineralogical of lower Cambrian Niutitang formation shale gas reservoir in northwest Hunan[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2018,49(6):1447-1458. [百度学术]