大口徑繩索取心鉆進技術(shù)在天然氣水合物勘探中的應(yīng)用

贠建林

(甘肅煤田地質(zhì)局一四五隊，甘肅 張掖734000)

0 引言

2012年，我隊承擔(dān)了青海煤炭地質(zhì)勘查院烏麗地區(qū)天然氣水合物鉆探施工項目。根據(jù)設(shè)計要求，鉆進過程中要做到少鉆、勤提、快取、速冷保存、巖心直徑≮85 mm。我隊曾于2008年在該地區(qū)使用98 mm鉆頭泥漿護壁施工過4個鉆孔，對地層的特性有一定的了解，對高海拔地區(qū)人員的適應(yīng)性及應(yīng)急救援也有了一定的經(jīng)驗，因此根據(jù)甲方的要求，決定選用127 mm繩索取心鉆進技術(shù)(這個口徑的繩索取心在地質(zhì)鉆探中全國還很少應(yīng)用)。

1 勘探區(qū)概況

勘探區(qū)屬于青海省玉樹藏族自治州治多縣管轄，109國道及青藏鐵路從勘探區(qū)西邊通過，北距格爾木市350 km，東距西寧市1120 km，南距西藏拉薩市1130 km，區(qū)內(nèi)海拔4800 m左右，區(qū)內(nèi)地層主要為第四系及二疊系烏麗群那益雄組含煤細砂巖、粉砂巖、泥巖。

2 鉆孔設(shè)計及技術(shù)要求

該區(qū)域地層破碎，傾角較大，易掉塊、漏失泥漿，鉆具順層易出現(xiàn)孔斜。設(shè)計鉆孔深1000 m，400 m以淺巖心直徑≮85 mm，巖心采取率≮85%，天然氣水合物層段巖心采取率≮90%，孔斜度≯2°/100 m。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

圖2 套管結(jié)構(gòu)圖

4 設(shè)備選型

4.1 鉆機

選用機械傳動大通徑(通徑118 mm)、大扭矩XY－8型深孔巖心鉆機，鉆進能力1000～3000 m，此型鉆機設(shè)計功率大(130 kW)，立軸低速扭矩9247 N·m，雙油缸給進，長給進行程(1000 mm)，液壓卡盤夾持力大，能滿足多種大口徑巖心鉆進工藝，有利于提高鉆效。

4.2 泥漿泵

選用3NBB－390－52－11－8－55型泥漿泵，變量及額定壓力調(diào)節(jié)范圍寬，能滿足各種鉆進泥漿流壓參數(shù)的需要。泥漿泵選配4135(64.7 kW)柴油機作為動力。

4.3 鉆塔

選用起降安全系數(shù)較高的液壓Ay－24－80型鉆塔。塔高24 m，銷裝式整體底盤更具安全性和穩(wěn)定性。天車有效額定負荷800 kN。

4.4 鉆具

5 鉆探工藝及參數(shù)的選擇

5.1 鉆探工藝

鉆探過程采用繩索打撈不提鉆工藝方法，先提鉆，然后快速取出巖心，置于液態(tài)氮中。同時采用少鉆、勤提、快提的方法。同時考慮上一級鉆桿、鉆具外管在不提出的前提下作為下一級鉆具的施工套管的方法。采用這種施工過程對于復(fù)雜地層鉆進具有減少孔內(nèi)坍塌和巖心堵塞機率，特別是孔底的高壓氣體對采用六方主動鉆桿加接鉆桿的沖擊、提高施工效率和鉆頭壽命等方面具有明顯的優(yōu)點。

5.2 參數(shù)選擇

5.2.1 回轉(zhuǎn)速度

根據(jù)所選用的PDC鉆頭的直徑以及鉆頭的切削特性，PDC鉆頭鉆進時回轉(zhuǎn)速度要比金剛石鉆頭低一些。根據(jù)PDC取心鉆頭鉆進的轉(zhuǎn)速，采用鉆頭的規(guī)格及轉(zhuǎn)速范圍如表1所示。

表1 不同規(guī)格鉆頭的轉(zhuǎn)速范圍

5.2.2 鉆壓

由于所鉆地層主要是煤系地層，根據(jù)地層特點，將以PDC鉆頭為主，按照PDC鉆頭及復(fù)合片的直徑、與巖層接觸的有效面積、巖石的軸向抗壓強度等，根據(jù)有關(guān)PDC鉆頭鉆壓計算的經(jīng)驗公式，按照灰?guī)r和閃長巖的抗壓強度(33～40 MPa)，采用16 mm×12 mm的金剛石復(fù)合片，2種不同規(guī)格PDC鉆頭鉆進中推薦壓力如表2所示。

6.2.3 三疊系、二疊系

表2 不同規(guī)格鉆頭的鉆壓范圍

5.2.3 沖洗液量

根據(jù)表鑲金剛石鉆進環(huán)狀間隙沖洗液上返流速的要求，由于PDC鉆頭破碎的巖屑比表鑲金剛石鉆頭大，為了保證巖屑有效攜帶上返，上返速度提高35%，即上返流速按1.3～1.95 m/s計算。不同規(guī)格鉆頭的沖洗液量如表3所示。

表3 不同規(guī)格鉆頭在鉆進過程中的沖洗液量

6 沖洗液技術(shù)

6.1 沖洗液選型

根據(jù)本勘探區(qū)地層情況，施工中上部主要采用不分散低固相泥漿做為鉆孔沖洗液，該泥漿的特點是:密度低、切力小、粘度低、失水量低、泥皮薄而韌。有一定的防塌性能，并對水敏型地層有一定抑制作用，且易調(diào)制和維護。下部主要采用無固相泥漿，該泥漿的特點是密度低、粘度小，相對失水量低、排鹽粉能力強等。

6.2 不同巖層沖洗液的性能

6.2.1 第四系及第三系

該地層主要為洪沖積礫石、砂土且松散，平均厚度19 m，采用300目優(yōu)質(zhì)粘土(加純堿水化，水化時間大于24 h)，火堿，Na－CMC，加清水攪拌成原漿。泥漿性能為:密度1.10～1.15 g/cm3，粘度30～35 s，失水量12～18 mL/30 min，泥皮厚度1～2 mm，pH值8～9。

6.2.2 白堊系

該地層巖性主要是粉砂巖和泥巖，采用聚丙烯酸鉀鹽，廣譜護壁劑，純堿，Na－CMC，KHM加清水攪拌成原漿。泥漿性能為:密度1.03～1.05 g/cm3，粘度18～20 s，失水量8～12 mL/30 min，泥皮厚度0.5 mm左右，pH值8～9。

該地層主要以粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤為主，采用聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鉀、廣譜護壁劑Ⅲ型、純堿、火堿，加清水攪拌，其泥漿性能為:密度1.03～1.05 g/cm3，粘度18 ～20 s，失水量 8 ～10 mL/30 min，泥皮厚度0.5 mm，pH值8～9。

6.3 主要處理劑的性能

Na－CMC:降低泥漿失水量，增大泥皮的膠結(jié)性，一般在泥漿中加量2～3 kg/m3。

聚丙烯酸鉀:可防止泥巖、頁巖的水化膨脹，防止孔壁坍塌，另外具有絮凝作用，攜砂能力強，一般加量為400～700 ppm。

腐植酸鉀:降低泥漿失水量，并有稀釋泥漿作用，抑制頁巖水化膨脹，一般在泥漿中加量0.5～1.2 kg/m3。

碳酸鈉:使粘土改性，提高造漿率，可調(diào)節(jié)pH值，在泥漿中加量3～5 kg/m3。

6.4 沖洗液維護管理

(1)施工現(xiàn)場配備泥漿測試儀一臺，每班要測一次泥漿性能，調(diào)整好的泥漿不得隨便加入清水或處理劑;泥漿除泥器一臺，根據(jù)進尺和巖層，及時用除泥器清除泥漿中的固相含量。

(2)泥漿循環(huán)系統(tǒng)必須及時清理，撈砂，水源池內(nèi)保持無雜物，沉淀池內(nèi)沉淀物不得超過容積的1/5。

(3)沖洗液在使用中，不但粘度逐漸增高，而且含砂量也會不斷增加，在進行化學(xué)處理的同時，及時清除泥漿中的砂礫，保持泥漿性能穩(wěn)定。

7 預(yù)防鉆孔滲漏的主要措施

漏孔是繩索取心鉆進最大的障礙，更是大口徑繩索取心鉆進要杜絕的，因此預(yù)防好鉆孔滲漏對本次鉆探工作非常重要。造成鉆孔漏失的原因主要有2個:一是與地層構(gòu)造密切相關(guān)，如膠結(jié)不好的礫巖層、孔隙較大的粗砂巖及構(gòu)造裂隙等易于發(fā)生漏失;二是在鉆進過程中地層系統(tǒng)壓力平衡狀態(tài)被破壞，從而造成漏失。

7.1 輕微漏失

可通過調(diào)節(jié)泥漿性能來解決。即適當提高泥漿粘度(30 s以上)，在原有泥漿中加大PAM量，同時將pH值提高到10左右，這樣可使PAM高分子得到充分伸展，吸附大量的粘土和巖屑微粒，可堵住地層的輕微漏失。

7.2 中等程度的漏失

盡可能不要在泥漿中加入惰性材料，以防取心內(nèi)管卡死在鉆桿中間。盡可能用專用的高分子堵漏劑進行處理，一般情況下可堵住漏失。

7.3 嚴重漏失

必須停止鉆進，進行專門的堵漏。最直接有效的辦法是采用粘土泥球投入到孔內(nèi)進行堵漏，其方法是:將半干性泥球投入到孔內(nèi)時，要連續(xù)不斷投入，投完后需下入鉆具搗擠3～4 h后開始掃孔。而對于漏失發(fā)生在200 m以淺巖層的鉆孔，可采用下套管堵漏。如果發(fā)生在較深孔段，用高分子材料堵漏無效的情況下，采用水泥、氯化鉀、三乙醇胺進行封閉漏失層，間隔48 h后重新劃眼開孔鉆進。

8 體會及效果

(1)大口徑繩索取心鉆進一定要根據(jù)地層及地質(zhì)要求設(shè)計好鉆孔結(jié)構(gòu)和套管結(jié)構(gòu)。

(2)開孔孔徑在地質(zhì)要求的基礎(chǔ)上寧大勿小，要預(yù)留多下一次套管的空間，以防出現(xiàn)孔內(nèi)事故后無法處理。

(3)套管和泥漿是大口徑繩索取心鉆進中2個最關(guān)鍵的因素，缺一不可。套管的質(zhì)量、層數(shù)、固井情況要做到可靠;不同地層要對應(yīng)不同性能參數(shù)的泥漿，要堅持每班測試，勤調(diào)配。

(4)施工前不僅要有方案，更重要的要有預(yù)案，遇到異常情況時不要蠻干，要按照預(yù)案有條不紊地進行。

(5)我隊接到該鉆孔的施工任務(wù)后，從6月20日出發(fā)，6月23日到達工地，由于該地區(qū)屬高海拔(4700 m)，適應(yīng)10天后，7月3日開鉆，10月15日終孔測井，終孔深度907 m，巖心采取率95%以上，孔斜度為5°。圓滿地完成了任務(wù)，開創(chuàng)了大口徑繩索取心鉆進的先河。本孔的經(jīng)驗對于類似條件下工程具有很好的借鑒意義。

［1］青海省治多縣烏麗地區(qū)天然氣水合物調(diào)查設(shè)計［Z］.青海煤炭地質(zhì)勘查院，2012.

［2］MT/T 1076－2008，煤炭地質(zhì)鉆探規(guī)程［S］.

［3］王扶志，張志強，宋小軍.地質(zhì)工程鉆探工藝與技術(shù)［M］.湖南長沙:中南大學(xué)出版社，2008.

［4］鄢泰寧，等.巖土鉆掘工程學(xué)［M］.湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2004.

［5］GB/T 16591－1997，金剛石繩索取芯鉆探鉆具設(shè)備［S］.

［6］滿國祥，楊宏偉.國產(chǎn)繩索取心鉆桿設(shè)計與制造技術(shù)分的析［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(2):49－52.