皖南地2井钻井液工艺技术_孙辉正.pdf

第 32 卷第 4 期2022 年 12 月安徽地质Geology of AnhuiDec.2022Vol.32 No.4文章编号：1005-6157（2022）04-0引言皖南地2井全称为“安徽南陵地区二叠系页岩气地质调查井皖南地2井钻测录工程”，是中国地质调查局南京地质调查中心在南陵凹陷部署的第一口二叠系页岩气地质调查井，由安徽省煤田地质局第二勘探队承担钻探任务。该井从埋深适合的南陵凹陷后缘入手，全井使用绳索系列S95钻具和绳索取心技术进行取心，设计井眼尺寸为98 mm，井深为1 900 m，井型为直井。计划通过该井获取南陵凹陷二叠系页岩气地质条件参数，钻取设计深度岩心，实施页岩气测录和地质编录工作，开展沉积环境、层序和页岩气综合评价研究。皖南地2井可参考的地质资料十分有限，实际钻遇地层十分复杂且岩性等变化快，通过不断改进钻井液技术措施解决了表层造浆、巨厚砾石层护壁困难发生坍塌、灰岩漏失、钻井液变质快等一系列难题，实际完钻井深为2 011.52 m，完钻地层为二叠系南陵湖组。1工程概况1.1 工区地质概况皖南地 2井位于皖南山区与沿江平原的过渡地带，地跨扬子准地台及华南褶皱系两大构造单元，北部属扬子准地台，南部属华南褶皱系。自上而下钻遇2 个时代（新生代、中生代），3 个层系（第四系、白垩系、三叠系）1，17种岩性（砂质黏土、泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、含砾粉砂岩、含砾细砂岩、砂砾岩、砾岩、灰岩、条带状灰岩、瘤状灰岩、蠕虫状灰岩、岩屑灰岩）。地层划分自上而下依次为第四系（Q），白垩系赤山组（K2c）和浦口组（K1p），三叠系南陵湖组（T1n）（未穿）。1.2 井身结构该井设计为三开井，井身结构见表1。表1井身结构表Table 1.Well structure序号一开二开三开井身尺寸/mm19415298井段/m0210.20210.20706.02706.022011.52套管尺寸/mm168.3127.0套管下深/m210.20706.02水泥返深/m地面地面1.3 主要机具及设施全孔使用S89 mm绳索取心钻杆，选择XY8立轴式钻机，配备有水刹车和拧管机。钻井液泵为 NBB390/15 型，最大工作流量为 390 L/min，额定压力为11 MPa；钻塔为API 4F 100T，塔高为27 m，承载力为100 t；动力来源为380V高压电。现场钻井液槽长度为25 m，截面规格为400 mm500 mm，中间分布2个容积为1.5 m3沉淀坑，钻井液池的有效容积为12.5m3，废浆池容积约为50 m3。同时，配置了振动筛、旋流除砂器和除泥器等固控设备。保证所有的循环钻井液均流经振动筛，所用筛网目数为100目2。其他辅助设备配置要求按标准配备。收稿日期：2022-1-7作者简介：孙辉正（1993），男，安徽阜阳人，工程师，主要从事钻井液处理剂、钻井事故处理等研究工作。E-mail：摘要：皖南地2井是安徽省煤田地质局第二勘探队承担的安徽南陵地区第一口页岩气地质调查井。工区位于南陵凹陷内，设计为小口径全井取心直井钻孔。采用双聚钻井液体系钻进，通过不断改进钻井液工艺技术，项目顺利完成，设计井深1 900 m，终孔井深达2 011.52 m，钻孔完成质量极高，创造了安徽省98 mm口径绳索取心新纪录。本文从解决的钻井难题出发，总结了现场钻井液维护、管理与调整工艺技术，为该区域及类似区域油气资源地质调查钻井施工提供了参考。关键词：双聚钻井液；绳索取心；皖南地2井；页岩气中图分类号：P634文献标志码：B皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地皖南地 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术井钻井液工艺技术孙辉正，张强（安徽省煤田地质局第二勘探队，安徽芜湖241006）334-4第32卷第4期2钻井液由于绳索取心工艺钻井时环空间隙很小、钻井液返速快、钻具回转转速高，钻井液需保持低的固相含量和良好的流变性。因此，选择不分散低固相聚合物钻井液体系（简称双聚钻井液）作为皖南地2井全井段钻井液，发挥其固相含量低、密度小、流变性良好、泥饼质量高、对岩心及目的层的损害小等优点35，以高黏、中切、低密度、压稳不漏、稳定钻进为原则。开钻时采用清水钻进，2d后替换为双聚钻井液钻进，基础配方为：清水0.5%3%膨润土0.1%0.2%纯碱0.1%0.3%聚丙烯酰胺（PHP）0.5%1.0%聚丙烯腈钠盐（Na-HPAN）1%2%防塌防卡剂1%2%高黏防塌剂1%5%复合型广谱护壁剂（GSP）0.3%0.5%低黏纤维素（CMC-LV）+高效润滑剂。此配方聚丙烯酰胺（PHP）加量较大，着重体现聚丙烯酰胺（PHP）颗粒浸泡搅拌后水解伸展开的聚丙烯酰胺分子的絮凝作用和部分未水解分子的黏连作用，钻进时不断清理出泥浆槽中絮状岩屑沉积，保持泥浆清洁的同时在井下能形成薄而韧的泥皮，绳索钻进使用效果良好，未出现钻杆内壁结泥皮和泥包钻头等情况。2.1 主要处理剂以部分水解聚丙烯酰胺（PHP）和部分水解水解聚丙稀腈钠盐（Na-HPAN）为主要处理剂，它们可选择性絮凝除掉劣质土和岩屑，而对优质造浆黏土作用较弱5。搭配复合型广谱护壁剂（GSP）、防塌防卡剂、高黏防塌剂，辅以低黏纤维素（CMC-LV）和高效润滑剂。配置的钻井液比重合适，黏度切力高，失水量小，pH低，总体上稳定易维护、对地层影响小、高效钻进无事故。2.2 性能指标该井使用的双聚钻井液主要性能指标见表2。表2双聚钻井液主要性能指标Table 2.Main performance indexes of non-dispersed lowsolid polymer drilling fluid井段/m06060150015002011钻井液性能密度为1.021.04 g/cm3，漏斗黏度为2124 s，API 失水量10 mL/30 min，泥饼0.5 mm，pH 89，含砂量3%密度为 1.031.05 g/cm3，漏斗黏度为 2326 s，API失水7mL/30 min，泥饼0.5mm，pH89，含砂0.5%密度为1.031.08 g/cm3，漏斗黏度为2230 s，API失水量7mL/30 min，泥饼0.5 mm，pH 910，含砂量0.5%，润滑系数为0.10.153施工难点及钻井液对策皖南地2井钻遇地层极其复杂，主要表现为强造浆、掉块坍塌、强破碎有漏失，绳索取心钻探施工难度极大。3.1 表层造浆严重井段为0702.04 m，除开钻前2 d清水钻进新地层外，开孔钻井液性能维持为设计值下限。后续发现因进尺较快、地层胶结强度低，需不断补充降滤失剂进行护壁，防止掉块形成井眼大肚子，以保证下部井眼垂直度。本段上部为新地层，下部为泥质粉（细）砂岩，泥质含量很高，劣质固相大量进入钻井液中，8 h内钻井液黏度和切力值即可翻倍，钻井液整体已呈暗红色，造成顶端第一至第五根钻杆内壁结厚泥皮3次，无法完成取心操作，严重影响了正常钻进。采取措施主要有：降低膨润土和护壁剂加量，增加聚丙烯酰胺（PHP）加量控制分散，配方为：清水 1%膨 润 土 0.1%纯 碱 0.3%聚 丙 烯 酰 胺（PHP）0.7%水解聚丙稀腈钠盐（Na-HPAN）1%防塌防卡剂1%高黏防塌剂3%复合型广谱护壁剂（GSP）0.3%低黏纤维素（CMC-LV）；日常维护时确保密度不超过 1.04 g/cm3，固相含量低于 2%，含砂量低于2%；50%除泥器使用和每2 h清理钻井液槽沉砂1次。配合降低钻机转速，投内筒前用大泵量冲洗10min等工艺，有效控制了地层造浆和结泥皮问题。3.2 巨厚砾石层坍塌井深为 706.021 545.22 m，本井段很长且全为 98 mm裸眼。钻遇砾石层厚度超过800 m，砾石磨圆好，砾石间泥质胶结强度弱，且夹有0.32 m的砂岩夹层，如图1所示，岩心地面放置1 d后即膨胀散开，判断地层极易出现掉块、垮塌。实际钻进中2次出现井口返出岩屑猛然增多、各种岩性岩屑混杂、钻井液图1已膨胀散开的岩心Figure 1.The expanded and loosened core孙辉正，等：皖南地2井钻井液工艺技术335安徽地质2022年返速下降现象，电测发现在 870 m 处出现钻井大肚子，高度约为 4.7 m，体积约为 2.1 m3，井径扩大率最大为1 157%，本段下部也常见掉块引起的起钻遇卡、下钻不到底现象。本段对钻井液性能调整幅度较大，增加膨润土加量，以提高钻井液比重，增强对地层的支撑作用，加强对胶结处泥质成分的抑制和提高钻井液的造壁护壁能力。配方为：清水3%膨润土0.2%纯碱0.3%聚丙烯酰胺（PHP）0.5%水解聚丙稀腈钠盐（Na-HPAN）1%防塌防卡剂2%高黏防塌剂3%复合型广谱护壁剂（GSP）0.5%低黏纤维素（CMC-LV）。日常维护使用较多的聚丙烯酰胺（PHP）和高黏防塌剂，控制密度为1.051.06 g/cm3，漏斗黏度为 2528 s，美国石油协会标准 API 不超过 5 mL/30 min。监控井口出砂情况和钻井液池液面高度。结合降低钻具上提速度、降低钻机转速、稠浆灌孔、勤划眼修整井壁等工艺措施，有效解决了此段巨厚砾石层掉块、垮塌问题。3.3 强破碎灰岩漏失继续钻进倾角为40的灰岩，存在较多的揉皱、瘤状构造，可见厘米级孔洞，地层破碎严重，如图 2 所示。1 6801 765 m井段出现钻井液漏失现象，最大漏失速度约为2.3m3/h，总漏失量约为22.5m3，判断为轻微漏失，但漏失总量已超过可循环钻井液体积，且即将达到设计完井深度，机具负荷大，对钻井液的要求更高。本段处理措施为每次停机打捞内管前泵入约0.5m3添加5%膨润土和5%护壁剂的稠浆至井底，开泵时先小排量循环至稠浆出井再钻进，直至确定地层不再漏失。现场还预备了2 t堵漏锯末、2 t膨润土和1 t水泥干粉，并联系了附近堵漏材料厂家，做好出现大漏失预防措施。继续钻进至2011.52m完钻未再出现漏失。3.4 钻井液变质快皖南地2井钻遇地层变化快，对钻井液性能要求高，钻井液调整频繁，钻井液变质快。本着绿色环保、节约高效、多次少量的原则，当钻井液性能变化大、维护困难时先抽取2个沉淀池约2.5 m3至废浆池，抽取废浆池上层清液配置新浆加入；起钻前抽取废浆池中部钻井液加少量处理剂作灌孔浆使用；下部固相含量严重超标无法利用的废浆交由专业公司转移作无害化处理，大幅度减少了全部更换新浆次数，缩短了辅助时间。变质泥浆的调整遵循“逐步到位、先降黏后增黏、充分混合”的原则6，最大限度发挥处理剂性能从而延长钻井液寿命，有效解决了钻井液变质快的难题。4结语皖南地2井使用钻井液以双聚钻井液为基础，充分发挥聚丙烯酰胺（PHP）等处理剂的特点，根据地层性质不断进行调整，采取了一系列工艺技术措施，有效解决了造浆、坍塌、漏失等难题，保证了顺利完井。最终，全井岩心采取率为99.03%，采取质量均达到优质，终孔顶角为2.33，纯钻进时间率达到45.1%。该孔的成功经验正在其他钻孔推广使用，在今后勘探施工中也会继续总结经验，引进先进的钻井液技术，更好更快地提高钻进效率，为同类项目钻探施工中钻井液的使用提供参考和借鉴。参考文献:1陈建平.合肥盆地中新生代构造演化与油气地质特征D.广州：中国科学院研究生院（广州地球化学研究所），2004.2柳硕林，张秋冬，严珊珊.改造轻2000钻机施工某水平定向连通井的实践J.地质装备，2016，17(5):16-17.3姜文，张勇，谢永斌，等.氯化钾钻井液体系在元坝气田陆相井段的应用J.西部探矿工程,2014，26(5):57-59.4刘文武，欧阳志勇，赵志涛，等.青海柴达木盆地冷湖地区砂岩型铀矿钻探施工技术J.西部探矿工程,2019，31(1):（下转第346页）（a）大倾角、破碎灰岩(a)Steeply dipping broken limestone core（b）带两个孔洞灰岩(b)Limestone core with two holes图2强破碎的灰岩Figure 2.Strongly broken limestone core336安徽地质2022年参考文献：1王兴泰.工程与环境物探新方法新技术M.北京：地质出版社,1996.2朱亚军，王艳新.高密度电法和瞬变电磁法在地下岩溶探测中的综合应用J.工程地球物理学报，2012，9(6)：738-742.3蒋富鹏，肖宏跃，刘垒，等.高密度电法在工程岩溶勘探中的应用J.工程地球物理学报，2013，10(3)：389-393.4王建军，强建科，李成香，等.高密度电法在地面塌陷勘察中的应用J.工程地球物理学报，2005，2(3)：232-234.5杨镜明.高密度电阻率法煤田采空区勘察效果J.物探与化探，2012，36(S1)：12-15.6闫述，石显新，陈明生.瞬变电磁法的探测深度问题J.地球物理学报，2009，52(6)：1583-1591.7薛国强，李貅，底青云.瞬变电磁法理论与应用研究进展J.地球物理学进展，2007，22(4)：1195-1200.8浦长龙，郭磊，詹涛.地质雷达在镜泊湖世界地质公园熔岩隧道调查中的应用J.工程地球物理学报，2015，12(1)：117-121.9杨天春，肖巧玲.多层层状介质的瑞利面波频散特性J.物探与化探，2009，33(3)：299-303.10 曹乐辉，左国青，陈程，等.瞬态面波勘探在建筑地基勘察中的应用J.工程地球物理学报，2012，9(2)：184-188.11 刘艳秋，徐洪苗，等.面波勘探在工程勘察中的应用J.安徽地质，2019，29(1)：40-44.Application of multiple geophysical exploration methodsin geological hazard assessmentPENG Qingyang,XU Hongmiao,HU Junjie and DUAN Chunlong(No.327 Unit,Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province,Hefei,Anhui 230011,China)Abstract:Unfavorable geological body is a typical geological hazard frequently encountered in engineering construction.Itputs a project at great risk and seriously threatens the safety of life and property.In this study on an abandoned mine pit inJiangsu Province,high-density electrical method,artificial source transient surface wave,and ground penetrating radar wereemployed to detect the rock stability around the mining pit and near the pit wall.This paper briefly introduces the workingprinciples,characteristics,data acquisition,data processing and data interpretation of the methods.Through mutual verificationand complementarity of the above three methods,the geological structure,lithologic change and rock stability around themining pit and near the pit wall are found out,which provides scientific basis for the later geological hazard control.Keywords:geological hazard;unfavorable geological body;high-density electrical method;artificial source transient surfacewave;ground penetrating radar（上接第336页）Drilling fluid technique for the Wannan Di-2 wellSUN Huizheng and ZHANG Qiang(No.2 Exploration Unit,Bureau of Coal Geology of Anhui Province,Wuhu,Anhui,241006,China)Abstract:Well Wannan Di-2 is the first geological survey well for shale gas in the Nanling area of Anhui Province.Locatedin the Nanling sag,it is designed as a small-diameter well for full-length coring and vertical drilling using non-dispersed lowsolid polymer as drilling fluid.Through continuous improvement of drilling fluid technique,the project was successfullycompleted,with the final well depth being 2011.52 m,more than the designed 1900 m.The completed well quality wasextremely high,and a new record of 98 mm-diameter wireline coring has been made in Anhui Province.Starting from theproblems solved,this paper summarizes the on-site drilling fluid maintenance,management and adjustment technique,andprovides a reference for oil and gas survey drilling in the future.Keywords:non-dispersed low solid polymer drilling fluid;wire line coring;well Wannan Di-2;shale gas34-36,40.5朱恒银，王强，杨凯华.深部岩心钻探技术与管理M.北京:地质出版社，2014.6郭宏伟，关阔，高兴文，等.黑山煤田绳索取心钻进用泥浆的配制与维护管理J.吉林地质，2019，38(3):99-100，113.346