承德閆營子地?zé)峥碧骄@井技術(shù)分析

景 龍，王彥靜，李 偉，廉 欣，劉 超

(河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北滄州061000)

承德閆營子地?zé)峥辈榉謪^(qū)是承德市重點(diǎn)地?zé)峥辈閰^(qū)之一，位于承德市郊。在勘查區(qū)內(nèi)經(jīng)多方論證，確定了地?zé)峥碧骄?ZK04井)，施工任務(wù)由我隊(duì)完成。施工設(shè)備選用RT30型鉆機(jī)、3NB－1300型泥漿泵，最終成井井深3005 m。該井地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，通過多種鉆進(jìn)措施，順利終孔。本文就該井鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行分析。

1 鉆井施工難題

(1)地層堅(jiān)硬。本井勘探深度內(nèi)鉆遇巖性主要為白云巖、砂巖、凝灰質(zhì)砂礫巖、流紋巖、安山巖及花崗巖，屬中硬—硬巖，可鉆性級別高，地層具較強(qiáng)的研磨性。鉆進(jìn)中，提高機(jī)械鉆速而實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)絕非易事。施工過程中極難發(fā)揮大功率鉆機(jī)優(yōu)勢，必須從鉆頭、鉆進(jìn)方法入手提高鉆效。

(2)地層造斜。根據(jù)出露地層分析，工區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，縱橫交錯，切割深度差異大，層內(nèi)多期火成巖侵入，各組地層厚度分布不均、產(chǎn)狀不一，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。其中地層造斜是一個十分突出的問題。正常鉆壓鉆進(jìn)偏斜，降低鉆壓鉆速下降，必須采取有效措施克服這種矛盾。

(3)沖孔護(hù)壁難。開孔的砂卵礫石層、中部的涌漏水層、下部的坍塌破碎層鉆進(jìn)，必須重視沖洗液技術(shù)，充分發(fā)揮沖洗液排除巖粉、穩(wěn)定井壁的功能，否則極易出現(xiàn)卡埋鉆事故。

2 鉆井結(jié)構(gòu)

針對地質(zhì)條件，參考廣東東莞基巖地?zé)峋?、武漢－1井地?zé)峋?jīng)驗(yàn)［1－2］，完成井結(jié)構(gòu)設(shè)計。實(shí)際成井結(jié)構(gòu):一開井徑444.5 mm，下入339.7 mm表層套管，水泥全段封固;二開井徑311.2 mm，下入244.5 mm泵室管，水泥“穿鞋戴帽”封固;三開井徑215.9 mm，裸眼終孔。成井結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

3 鉆井技術(shù)分析

3．1 螺桿鉆具的應(yīng)用

圖1 成井結(jié)構(gòu)示意

螺桿鉆具是以沖洗液為動力的一種井下動力鉆具，泥漿泵泵出的沖洗液流經(jīng)旁通閥進(jìn)入馬達(dá)，在馬達(dá)進(jìn)出口處形成一定壓差推動馬達(dá)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并將扭矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭［3］，只要達(dá)到排量、壓降的要求，即可成功使用。螺桿鉆具再配合定向接頭、無磁鉆鋌、隨鉆測斜儀器等可以實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)，目前很多鉆井施工中成功利用了螺桿技術(shù)［4－10］。在本工程中，我們利用螺桿鉆具及時完成了事故處理、鉆進(jìn)糾斜、復(fù)合鉆進(jìn)3項(xiàng)工作。

3．1．1 事故處理

首先采用水泥將“落魚”上部井段封固至450 m，完成井眼準(zhǔn)備，后采用螺桿側(cè)鉆。

表1 側(cè)鉆基本數(shù)據(jù)

3．1．2 鉆進(jìn)糾斜

施工區(qū)地層傾角較大，具有明顯的造斜特性。據(jù)統(tǒng)計，地層造斜情況在500～1850 m段最為嚴(yán)重。在正常鉆壓條件下，頂角偏斜持續(xù)增加，給深部鉆進(jìn)帶來巨大風(fēng)險。為此，進(jìn)行井斜監(jiān)測的同時，及時采用螺桿定向技術(shù)進(jìn)行糾斜處理。強(qiáng)造斜段中累計糾斜9次，各段效果見表2，數(shù)據(jù)說明，造斜層內(nèi)糾斜效果是良好的。由于上部井斜及時有效地控制，為深部安全鉆進(jìn)創(chuàng)造了條件。

表2 定向糾斜效果統(tǒng)計

3．1．3 復(fù)合鉆進(jìn)

復(fù)合鉆進(jìn)主要用于造斜層段和強(qiáng)研磨性層段的施工中。在造斜層段內(nèi)采用常規(guī)鉆壓頂角偏斜持續(xù)增大，降低鉆壓控斜，鉆進(jìn)效率卻急劇下降。為此采用螺桿復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，以低鉆壓、高轉(zhuǎn)數(shù)的方法提速。通過490～1005 m段強(qiáng)造斜地層2次不同鉆進(jìn)方法鉆速對比可見，采用復(fù)合鉆進(jìn)，單只鉆頭最高鉆速3.97 m/h，平均3.03 m/h，普通鉆進(jìn)單只鉆頭最高鉆速2.81 m/h，平均2.49 m/h，相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。該段內(nèi)復(fù)合鉆進(jìn)鉆速有了明顯提高，同時通過適時定向，鉆井垂直度也可以保證。

表3 復(fù)合鉆進(jìn)與常規(guī)鉆進(jìn)鉆進(jìn)效果對比

在1340～1520 m段鉆遇以石英砂巖為主的堅(jiān)硬層，機(jī)械鉆速極低，鉆頭磨損嚴(yán)重。在進(jìn)行鉆頭選型的同時也試驗(yàn)性地采用了復(fù)合鉆進(jìn)方法，使用效果見表4。通過對比發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)合鉆進(jìn)效果不佳，這與一些鉆井工程的應(yīng)用結(jié)論相仿［1，9］，加之配套螺桿的耗費(fèi)，復(fù)合鉆進(jìn)綜合效益低。因此在1864 m以深鉆進(jìn)時，地層不再造斜，只采用了普通轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝。

表4 硬巖段鉆進(jìn)效率對比

在不同巖層內(nèi)，復(fù)合鉆進(jìn)效果各異。一般認(rèn)為:軟—中硬地層中，牙輪鉆頭碎巖是沖擊、壓碎、剪切作用的綜合結(jié)果，轉(zhuǎn)數(shù)增加，3種作用的頻次增加，碎巖效率自然會提高，表現(xiàn)為鉆速增快。強(qiáng)研磨的硬地層中，剪切作用效果很弱，以沖擊、壓碎作用碎巖為主，在螺桿200～300 r/min的高速旋轉(zhuǎn)下，不但減弱了沖擊、壓碎作用，同時使鉆頭磨損加劇，致使機(jī)械鉆速提升不明顯，有時綜合鉆效反而降低。因此，采用牙輪鉆頭在硬巖內(nèi)鉆進(jìn)，以增加轉(zhuǎn)速來提高鉆速是不可取的。

3．2 MD鉆頭的應(yīng)用

本井鉆進(jìn)中，地層極強(qiáng)的研磨性使得鉆頭頻頻損壞，局部井段內(nèi)采用的常規(guī)HTJ537、HTJ637鉆頭純鉆20～30 h時即面目全非，牙齒幾乎全部掉落、磨平，甚至有掉輪危險，見圖2，同時還存在“井瘦”問題。繼續(xù)鉆進(jìn)，不但提高了風(fēng)險，且起下鉆輔助時間增加。為此，借鑒松南鉆井技術(shù)［9］，在1485 m以深使用了MD牙輪鉆頭。

MD型鉆頭是為井下動力鉆具開發(fā)的高速鉆頭系列，適應(yīng)高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，具有保徑能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、壽命長等特點(diǎn)。較HJT系列鉆頭更換了新型軸承密封結(jié)構(gòu);采用了螺旋式或傾斜式牙掌體，有效減少鉆頭在井底的震動;在保徑上采用了全掌背布齒結(jié)構(gòu)，有效增強(qiáng)鉆頭抗縮徑能力。實(shí)際在普通的低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)中，該類鉆頭也具有好的抗磨優(yōu)越性。

圖2 HJT537GH牙輪鉆頭使用前后對比

在鉆進(jìn)條件相同的情況下，對比1485 m上下各4個回次單只鉆頭純鉆時間，具體數(shù)據(jù)見表5。通過MD鉆頭的使用，純鉆時間明顯增加，進(jìn)尺也明顯增長，且磨損程度也大為改觀，亦未出現(xiàn)“井瘦”問題。由于MD鉆頭的抗磨優(yōu)勢，在深部地層一直堅(jiān)持使用。后期改用轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)方法鉆進(jìn)安山巖、花崗巖層，在統(tǒng)計2593～3005 m段的8只鉆頭中，單只鉆頭純鉆時間均可達(dá)到60 h以上，且機(jī)械鉆速也比較穩(wěn)定，見圖3。由此可見，硬巖地層采用MD型鉆頭是可行的，抗磨性能是良好的。

表5 MD鉆頭應(yīng)用效果對比

3．3 沖洗液技術(shù)

圖3 2593～3005 m段鉆進(jìn)情況

針對地層情況，本井在各開施工段采用了不同的沖洗液技術(shù)，各開施工泥漿參數(shù)見表6。

表6 泥漿性能參數(shù)統(tǒng)計

一開地層為山前砂卵石為主的松散層，鉆進(jìn)至8 m左右孔壁坍塌嚴(yán)重，同時伴有憋跳車現(xiàn)象，現(xiàn)場以控制泥漿性能為突破口，改用細(xì)分散高粘度沖洗液，通過提高粘度防止砂卵石坍塌，使用發(fā)現(xiàn)，粘度由35 s提高至45 s(馬氏漏斗)以上時，再無出現(xiàn)卵石坍塌問題，確保了一開表層套管的順利下入。

二開鉆進(jìn)地層穩(wěn)定，但出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，沖洗液體系不能穩(wěn)定，通過試用清水鉆進(jìn)，換用大缸套提高泵量以實(shí)現(xiàn)排屑。最終考慮地層涌水對泵量的貢獻(xiàn)，核算沖洗液環(huán)空流速可達(dá)到0.74～0.96 m/s，可以有效懸浮巖屑［11］。施工中二開一直堅(jiān)持低固相清水鉆進(jìn)，在起下鉆過程中檢驗(yàn)，井內(nèi)沉淀少，巖屑可及時排除。

三開鉆進(jìn)中，局部地層有破碎掉塊現(xiàn)象，考慮泥漿泵能力，換用小排量鉆進(jìn)，現(xiàn)場采用了細(xì)分散低粘度沖洗液體系。該類沖洗液增加了懸浮能力，降低了循環(huán)流阻，同時可有效穩(wěn)定井壁。施工期間采用了震動、旋流二級固控除砂，高效排除巖屑，確保了循環(huán)沖洗液的清潔。在鉆鋌脫落打撈過程中檢驗(yàn)，泥漿性能良好，無巖屑埋卡及掉塊卡阻問題。

綜上，各段采用的泥漿體系符合地質(zhì)條件，確保了安全鉆進(jìn)。

4 主要問題分析及建議

4．1 鉆進(jìn)效率低

本井鉆遇硅質(zhì)白云巖、砂巖、安山巖、花崗巖等硬巖層段較多，多數(shù)層段具有極強(qiáng)的研磨性，致使鉆頭耗費(fèi)較大。二開累計使用311.2 mm鉆頭15只，三開使用215.9 mm鉆頭43只。通過鉆頭進(jìn)尺情況統(tǒng)計，全井段內(nèi)各次鉆頭平均鉆速為0.18～3.97 m/h，全井平均0.90 m/h，總體分析全井的機(jī)械鉆速不高，且向深部有逐步下降之勢，見圖4。鉆進(jìn)中雖然應(yīng)用了螺桿復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)、MD耐磨型鉆頭，但鉆速仍未大幅提升。氣動潛孔錘、液動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在硬巖中可取得良好效果［10，12－15］，今后我們應(yīng)學(xué)習(xí)并應(yīng)用先進(jìn)的鉆進(jìn)技術(shù)，同時宜大力推廣多工藝組合鉆進(jìn)技術(shù)［16－17］，以大幅提高深部硬巖鉆進(jìn)效率。

4．2 鉆具斷裂

施工至2200 m以深段，連續(xù)出現(xiàn)了3次鉆鋌斷裂事故，同時出現(xiàn)粘損扣現(xiàn)象。三開鉆進(jìn)累計使用165 mm鉆鋌18根，斷裂3次，粘損扣5根次，見圖5。經(jīng)分析，3次斷裂位置相近，均為鉆具組合的中和點(diǎn)附近?；仡櫼酝こ桃渤霈F(xiàn)類似事故［10，18－19］，硬巖層內(nèi)鉆進(jìn)，頻繁震動、憋車現(xiàn)象，使鉆具受力不均，疲勞破壞加劇，以致斷裂。鑒于上述現(xiàn)象，在硬巖鉆進(jìn)中宜優(yōu)化鉆具組合，采取必要減震措施［19－20］，加強(qiáng)鉆具管理［21］，以預(yù)防類似事故。

5 結(jié)語

通過承德閆營子地?zé)峋氖┕ぃ玫饺缦聠⑹尽?/p>

圖4 全井段機(jī)械鉆速趨勢

圖5 鉆鋌斷裂及粘扣情況

(1)通過螺桿在側(cè)鉆繞障、鉆進(jìn)糾斜中的應(yīng)用，使處理鉆井事故的途徑增多，處理過程簡化;采用螺桿復(fù)合鉆進(jìn)工藝，在弱研磨性地層中，對提高鉆速具有明顯效果，值得推廣，對強(qiáng)研磨地層效果不佳。

(2)采用MD系列抗磨性鉆頭，對提高硬巖鉆進(jìn)效率效果顯著，特別是在花崗巖、安山巖內(nèi)鉆進(jìn)，效率穩(wěn)定，壽命長，使用更安全。

(3)全井段鉆進(jìn)采用了不同的沖洗液技術(shù)，沖洗液性能與泵量的合理匹配，滿足3000 m鉆進(jìn)排除巖屑的要求。

(4)按照目前的技術(shù)裝備，硬巖層中鉆進(jìn)效率低、鉆具斷裂問題突出，配套技術(shù)仍需進(jìn)一步提高，需要借鑒石油鉆井的先進(jìn)工藝。

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