萬夫磊，劉洪彬，齊 玉

(1國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心2川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

中國“十三五”頁巖氣發(fā)展規(guī)劃產(chǎn)量將超過300×108m3，其中長寧頁巖氣區(qū)塊是發(fā)展規(guī)劃的重點區(qū)塊。但長寧頁巖氣資源多集中在中西部山區(qū)，作業(yè)區(qū)人口密集，開發(fā)環(huán)境極其敏感，地形復(fù)雜，屬于典型的喀斯特地貌，表層鉆井常遇到:井位臨近水源區(qū)、地表易漏、表層裂縫和巖溶發(fā)育、鉆遇地下暗河等問題，表層鉆井作業(yè)環(huán)保極其重要［1－3］。寧213井區(qū)附近有河流、農(nóng)戶和農(nóng)田，周邊低位存有大小漁洞、見出水口、空洞，是典型的環(huán)境敏感井區(qū)。如何構(gòu)建更加和諧的開發(fā)環(huán)境，走出一條頁巖氣綠色開發(fā)之路，形成一套長寧頁巖氣表層環(huán)保鉆井模板，確保環(huán)境不受影響和破壞，成為了長寧頁巖氣開發(fā)工作的重中之重。

一、寧213井區(qū)環(huán)境影響分析

寧213井井場位于山頂?shù)暮档貎?nèi)，經(jīng)調(diào)查，該井方圓500 m范圍內(nèi)有農(nóng)戶119人，附近有小河溝和農(nóng)田，且發(fā)育很多大小不一的落水洞，在井場北西至北東方向可見較明顯的溶蝕洼地。周邊低位存有大小漁洞、見出水口、空洞，淺表地層巖溶、地下裂縫和暗河發(fā)育，并且呈不規(guī)則分布。

由此可見，導(dǎo)眼和一開鉆井過程中鉆井液漏失有可能造成地表水資源破壞;例如寧201井在嘉四至嘉三段使用1．02 g/cm3密度的鉆井液鉆進(jìn)，發(fā)生嚴(yán)重漏失，累計漏失量高達(dá)4 748 m3，寧207井在地表發(fā)生井漏，漏失鉆井液造成附近河流渾濁，導(dǎo)致寧207井停鉆，給當(dāng)?shù)仨搸r氣開發(fā)帶來不利影響。

因此，在寧213井區(qū)表層鉆井作業(yè)中，需對地層進(jìn)行物探剖析，明確地層含水層，依據(jù)地層特性優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，并在易漏地層采用氣體鉆井的方式，避免鉆井施工對環(huán)境造成破壞，以達(dá)到長寧頁巖氣表層環(huán)保鉆井的目的。

二、表層電磁法地質(zhì)勘察研究

為明確寧213井區(qū)地質(zhì)特征，有效避免暗河、巖溶等地質(zhì)復(fù)雜，降低井漏復(fù)雜率，開展了地層電磁法勘察研究，針對性地勘察表層裂縫、暗河、巖溶發(fā)育層，并行采用瞬變電磁法和音頻大地電磁法布設(shè)勘查。

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源通以脈沖電流為場源，以激勵探測目的物感應(yīng)二次電流，在脈沖間歇測量二次場隨時間變化的響應(yīng)。當(dāng)發(fā)射回線中的電流突然斷開時，在介質(zhì)中激勵出二次渦流場，二次場從產(chǎn)生到結(jié)束的時間是短暫的，這就是“瞬變”名詞的由來。在二次渦流場的衰減過程中，早期以高頻為主，反映的是淺層信息，晚期以低頻為主，反映的是深層地下信息。研究瞬變電磁場隨時間變化規(guī)律，即可探測不同導(dǎo)電性介質(zhì)的垂向分布。

音頻大地電磁法是利用人工場源激發(fā)地下巖石，在電流流過時產(chǎn)生的電位差，接收不同供電頻率形成的一次場電位，由于不同頻率的場在地層中的傳播深度不同，所反映深度也就與頻率構(gòu)成一個數(shù)學(xué)關(guān)系，不同電導(dǎo)率的巖石在電流流過時所產(chǎn)生的電位和磁場是不同的，音頻大地電磁法方法就是利用不同巖石的電導(dǎo)率差異觀測一次場電位和磁場強度變化的一種電磁勘探方法。

為了獲得精確的勘查數(shù)據(jù)，在勘查之前進(jìn)行了一致性試驗、極距試驗、測量時間試驗研究。其中，一致性試驗是通過儀器測量結(jié)果標(biāo)定，利用儀器在自身發(fā)送額定信號時，所采集得到的曲線均為振幅為1，相位為0的光滑曲線，滿足《大地電磁測深法技術(shù)規(guī)程》規(guī)范要求，儀器正常后，即可開展勘查施工;極距試驗是選取合適的極距長度，以有利于勘查效率，試驗發(fā)現(xiàn)，10 m極距不能滿足數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，而20 m、40 m極距均能采集到可靠的數(shù)據(jù)，兼顧施工進(jìn)度和效率，最終選擇極距長度為20 m。

圖1寧213井電磁法地層勘查視電阻率圖

通常，采用電阻率異常的方式來進(jìn)行異常地層劃分。對于地表含水、巖溶特征的地層，比對勘查工作成果及反演剖面電性特征，含水巖溶電性屬于0.5～25Ω·m范圍，為低阻視電阻率，也是地表勘查重點研究的異常。以寧213井電磁法勘查結(jié)果為例，如圖1顯示，根據(jù)視電阻率反演剖面的電性特征，結(jié)合地表地質(zhì)調(diào)查及收集資料將物探反演剖面中地層進(jìn)行了大致劃分。根據(jù)視電阻率反演剖面的電性特征，井場區(qū)域巖溶較發(fā)育，根據(jù)異常劃定標(biāo)準(zhǔn)，圈定出了7個低阻異常區(qū)，主要發(fā)育于嘉陵江組及長興組地層，其中發(fā)育在井口下方標(biāo)高1 000 m及500 m附近的異常，在鉆井作業(yè)時應(yīng)特別注意防范。

三、環(huán)保鉆井措施研究

1．井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

最初，寧213井井身結(jié)構(gòu)采用四開井身結(jié)構(gòu)，一開采用 ?660．4 mm鉆頭鉆至井深30～50 m，下?508 mm套管封隔地表疏松及易漏易垮層;二開采用?406．4 mm鉆頭鉆至嘉二1～嘉一段垂厚10～15 m左右，下?339．7 mm套管封隔上部易垮塌層、易漏層;三開采用?311．2 mm鉆頭鉆進(jìn)至韓家店組頂部20 m，下?244．5 mm技術(shù)套管;四開采用?215．9 mm鉆頭鉆至完鉆井深，下?139．7 mm套管后期完成。各開次水泥漿均返至地面。

引入電磁法地質(zhì)勘查后，對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新優(yōu)化，改用五開井身結(jié)構(gòu)，增下一層?720 mm導(dǎo)管，具體如下:一開為保障鉆機底座安全，用?762 mm鉆頭鉆進(jìn)硬地層2 m，下?720 mm導(dǎo)管，導(dǎo)管固井盡量少留口袋;二開采用?660．4 mm鉆頭鉆至井深200 m左右，下?508 mm套管封隔地表疏松及易漏易產(chǎn)水層，現(xiàn)場根據(jù)實際鉆進(jìn)情況確定下入深度;三開采用?406．4 mm鉆頭鉆入飛仙關(guān)組頂部50～55 m，下?339．7 mm套管封隔嘉陵江水層和漏層，防鉆井過程中對當(dāng)?shù)厮吹挠绊?四開采用?311．2 mm鉆頭鉆進(jìn)至韓家店組頂部20 m，下?244．5 mm技術(shù)套管;五開采用?215．9 mm鉆頭鉆至完鉆井深，下?139．7 mm套管后期完成。各開次水泥漿均返至地面。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖2所示。

2．氣體鉆井技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用

二開?660．4 mm井段和三開?406．4 mm井段采用空氣鉆井，若出水則根據(jù)實際情況轉(zhuǎn)為霧化鉆井。若無法實施空氣/霧化鉆井，制訂清水鉆井措施后采用清水鉆進(jìn)。

圖2寧213井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

前期已經(jīng)初步開展了長寧頁巖氣區(qū)塊表層氣體鉆井防漏提速技術(shù)應(yīng)用，并取得了較好的效果。例如在長寧H6平臺、H11平臺、H12平臺、H13平臺，先采用空氣鉆井，出水后轉(zhuǎn)霧化鉆井的治漏模式，共表層治漏50余井次，避免了因井漏影響地下水的情況，減少了清水強鉆因缺水或堵漏造成的等停［1］。

為了進(jìn)一步提高表層環(huán)保鉆井效率，開展了氣體鉆井表層批量化鉆井方案研究，形成了表層批量化氣體鉆井方案，包括設(shè)備配套、設(shè)備布局、作業(yè)程序優(yōu)化、管線快速安裝及人員優(yōu)化配置等，考慮最大限度的降低安裝時間，保持所有設(shè)備固定不動，供氣管線固定不動，在兩臺鉆機間使用供氣管并聯(lián)，利用控制閥快速切換，井口的5 m排砂管線設(shè)計為可快速移動的方式，其余管線保持固定，大大降低了非作業(yè)時間，批量化氣體鉆井作業(yè)效率得到保障，同時減少了人員的配置，節(jié)約了成本，氣體鉆井設(shè)備單井安裝時間降為4．1 h，平均耗用周期僅2．75 d，設(shè)備利用率提高28%，減少設(shè)備安裝時間70%，作業(yè)效率大幅提高。

3．表層鉆井液體系優(yōu)化

表層使用鉆井液發(fā)生井漏是導(dǎo)致環(huán)境破壞的最大危險因素，前期，鄰井區(qū)在表層多使用聚合物體系鉆井液，所含的化學(xué)物質(zhì)較多，一旦發(fā)生井漏，漏串至地表水處，必將影響地下水，因此，需對寧213井表層鉆井所用的鉆井液體系進(jìn)行優(yōu)化選型，使用清水鉆進(jìn)，無法保障攜巖的可使用膨潤土鉆井液，發(fā)生井漏時選用物理堵漏方式，所用的堵漏材料和堵漏劑均需無毒無害，滿足環(huán)保的要求。同時，開鉆前配制預(yù)水化膨潤土漿120 m3。

4．噪音防治措施

石油鉆井施工現(xiàn)場的噪聲主要來自鉆機動力機組及其配套設(shè)備運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械噪聲，高強度噪聲對井場周邊居住民和場內(nèi)作業(yè)人員均可能造成傷害和干擾。經(jīng)現(xiàn)場實測，井場區(qū)域內(nèi)平均噪音為85 dB(A)左右，而800 kW柴油發(fā)電機組的冷卻風(fēng)扇處噪聲為112 dB(A)，排氣管噪聲為120 dB(A)，機房平均噪聲為103 dB(A)，鉆臺崗位平均噪聲為90 dB(A)以上，均超過國家《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》及《工業(yè)企業(yè)職工聽力保護規(guī)范》中低于85 dB(A)的標(biāo)準(zhǔn)要求。鉆井工人每班連續(xù)工作時間為12 h，值班住井人員工作往往超過12 h，長期工作在強噪聲環(huán)境下，身體受到的傷害更大［4－8］。

為降低施工現(xiàn)場噪音，大力推廣網(wǎng)電應(yīng)用，對機械鉆井升級改造，采用外電做為主動力，現(xiàn)場柴油機僅做為備用，減少了主要噪聲源，效果良好。從根源上避免了強噪源。此外，對柴油機房進(jìn)行改造，采用了整體隔音棚、降噪發(fā)電房等，有效隔絕柴油機等高噪音源，降噪效果良好。

5．其他環(huán)保措施

頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)過不斷探索、總結(jié)，已初步形成以鉆井現(xiàn)場清污分流、鉆井液不落地、水基鉆井液廢液、巖屑無害化處理、回收利用等系列清潔化鉆井技術(shù)配合應(yīng)用，在本井區(qū)表層鉆井中，對環(huán)保的重視程度越來越大，滿足了環(huán)保要求。

四、結(jié)論與建議

(1)利用地層電磁法勘察，明確了寧213井區(qū)表層地質(zhì)特征，可針對性的避免暗河、巖溶等地質(zhì)復(fù)雜，降低井漏復(fù)雜率，為開展表層環(huán)保鉆井技術(shù)提供理論支撐。

(2)根據(jù)寧213井區(qū)特有的表層地質(zhì)特征，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，有效封隔暗河、巖溶等地層，是實現(xiàn)表層環(huán)保鉆井的基礎(chǔ)。

(3)采用氣體鉆井技術(shù)，優(yōu)化表層鉆井液體系，并配套其他環(huán)保措施，可有效保障表層鉆井環(huán)保，形成了適用于寧213井區(qū)表層環(huán)保鉆井的技術(shù)措施，對長寧頁巖氣環(huán)保鉆井提供了指導(dǎo)。

(4)長寧頁巖氣環(huán)保鉆井是場持久戰(zhàn)，而且是不能失敗的持久戰(zhàn)，應(yīng)繼續(xù)開展地層特征勘查與解釋、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、氣體鉆井有效攜巖、噪音防治、鉆井液體系優(yōu)化和其他配套的環(huán)保技術(shù)和措施研究，持續(xù)推進(jìn)頁巖氣勘探開發(fā)的同時，有效的保護當(dāng)?shù)丨h(huán)境不受破壞。