新疆溫泉縣AKT1－1地?zé)峥足@探施工技術(shù)

張祖海，董海燕，丁昌盛，張賢萍，劉振新

(1．新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊830091;2．山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東煙臺(tái)264004)

0 引言

“新疆溫泉縣博爾塔拉河谷地地?zé)豳Y源預(yù)可行性勘查”是新疆維吾爾自治區(qū)國(guó)土資源廳地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目管理中心組織實(shí)施的水文及地?zé)峥辈轫?xiàng)目，該項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)2個(gè)地?zé)峥碧娇?，分別為基礎(chǔ)測(cè)試孔AKT1－1孔(設(shè)計(jì)孔深1400 m)和產(chǎn)能測(cè)試孔AKT1－2孔(設(shè)計(jì)孔深1300～1500 m)。

先期施工基礎(chǔ)測(cè)試孔AKT1－1孔，通過(guò)該孔巖心鉆探工作，驗(yàn)證前期勘察成果，提升地?zé)犴?xiàng)目鉆探工藝研究，為溫泉縣博爾塔拉河谷地后續(xù)深部地?zé)峥碧娇缀偷責(zé)豳Y源試采及進(jìn)一步勘查與開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)景規(guī)劃的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 溫泉地?zé)峥辈閰^(qū)地理情況及地質(zhì)概況

1．1 溫泉地?zé)峥辈閰^(qū)地理情況

溫泉地?zé)峥辈閰^(qū)主要位于博格達(dá)爾溫泉所在區(qū)域地?zé)崽?，勘查區(qū)北部邊界以博爾塔拉河斷裂以北低山丘陵區(qū)一帶為界，南部邊界以溫泉縣南部山前地帶為界，西部邊界以溫泉縣博爾塔拉河上游88團(tuán)8連一帶為界，東部邊界以溫泉縣博爾塔拉河下游88團(tuán)6連一帶為界，面積83 km2?？辈閰^(qū)地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，具典型的大陸性中溫帶半干旱氣候特點(diǎn)，勘查區(qū)內(nèi)發(fā)育的河流為博爾塔拉河。從各地至勘查區(qū)均有專(zhuān)用道路直達(dá)，交通十分便利，通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋該區(qū)域。

1．2 勘查區(qū)地質(zhì)概況

勘查區(qū)位于北天山西段博爾塔拉河斷裂(在區(qū)域上為博羅科努－阿其克庫(kù)都克斷裂的西延部分)以南，按大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐謱儆谝患?jí)構(gòu)造單元天山褶皺系(Ⅲ)—二級(jí)構(gòu)造單元博羅科努地槽褶皺帶(Ⅲ1)—三級(jí)構(gòu)造單元賽里木隆起(Ⅲ11)和博樂(lè)山間坳陷。

受南北向應(yīng)力作用及斷塊差異性升降運(yùn)動(dòng)的影響，區(qū)域上形成了一系列平行的褶皺和斷裂，與勘查區(qū)溫泉出露控制有關(guān)的區(qū)域構(gòu)造斷裂為博爾塔拉河斷裂。

勘查區(qū)內(nèi)的地層大致分為:0～200 m第四系，巖性主要由粘土、礫石等組成，厚度200 m左右;200～600 m為中石炭統(tǒng)東圖津河組地層，巖性以石英砂巖、長(zhǎng)石砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r為主，厚度400 m左右;600 m以深推測(cè)為中元古界晚期變質(zhì)巖地層，巖性以石英片巖為主。受斷裂構(gòu)造控制，第四系以下200～800 m推斷巖體破碎程度較高。

1．3 鉆探施工技術(shù)難點(diǎn)

(1)第四系地層由300 m左右的粘土、礫石組成，相對(duì)較厚，巖心采取困難?？辈閰^(qū)第四系地表水較為發(fā)育，易引起孔壁坍塌、縮徑等，不利于鉆孔孔壁的穩(wěn)定。

(2)第四系以下地層巖石可鉆性等級(jí)6～7級(jí)，中等—偏弱研磨性，因受地質(zhì)斷裂構(gòu)造影響，地層破碎、裂隙較為發(fā)育，地層換層較為頻繁、地層軟硬不均，容易引起鉆孔偏斜。

(3)勘查區(qū)鉆探施工對(duì)沖洗液要求較嚴(yán)，既要最大限度的攜帶孔內(nèi)巖粉，又不能堵塞裂隙，孔內(nèi)涌水較大，不利于坍塌破碎地層的孔壁維護(hù)，施工難度較高。

2 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具級(jí)配選型

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)，為確保鉆孔的順利完成，設(shè)計(jì)采用多級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，其目的是利用大徑控斜和套管護(hù)孔(見(jiàn)圖1)。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)

3 鉆探設(shè)備和機(jī)具

在溫泉地?zé)峥辈閰^(qū)進(jìn)行鉆探施工，考慮到鉆孔設(shè)計(jì)要求的特殊性，開(kāi)孔口徑較大;以及維護(hù)破碎地層孔壁的需要，需采用較大口徑金剛石繩索取心鉆進(jìn)，每一級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)均應(yīng)施工至最大孔深。因此在選擇鉆機(jī)時(shí)，要綜合考慮設(shè)計(jì)孔深、開(kāi)孔和終孔口徑等各種因素。表1為本孔施工采用的鉆探設(shè)備和機(jī)具。

表1 主要鉆探設(shè)備和機(jī)具配置

4 鉆進(jìn)工藝

4．1 鉆進(jìn)方法

先期基礎(chǔ)測(cè)試孔AKT1－1孔鉆探施工，主要采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)或是繩索取心液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法施工，根據(jù)溫泉地?zé)峥辈閰^(qū)巖石物理特性和可鉆性及鉆孔結(jié)構(gòu)等，主要規(guī)格型號(hào)為S122、S95和S75。采用上述鉆進(jìn)方法具有巖心采取率高、鉆速快、防斜、勞動(dòng)強(qiáng)度較低和鉆孔質(zhì)量較高等優(yōu)點(diǎn)。

4．2 鉆頭、擴(kuò)孔器類(lèi)型的選擇

根據(jù)地層巖石可鉆性、研磨性和破碎程度，主要選擇孕鑲金剛石鉆頭，其主要技術(shù)參數(shù)為:鉆頭類(lèi)型為人造熱壓孕鑲;金剛石粒度為60～80目;鉆頭胎體硬度為HRC22～39;鉆頭底唇面選用圓弧和階梯形狀。鉆進(jìn)特別破碎、巖心采取率較低地層考慮采用金剛石復(fù)合片繩索取心鉆頭，以增加巖心采取率。擴(kuò)孔使用三牙輪鉆頭或大口徑硬質(zhì)合金鉆頭。

4．3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)(見(jiàn)表2)

表2 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

主要考慮到設(shè)備及機(jī)具能力，以及口徑、鉆頭、鉆進(jìn)方法不同，合理選擇鉆進(jìn)參數(shù)。鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)巖石特性，對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行有機(jī)配合，及時(shí)調(diào)整。

4．4 沖洗液

(1)第四系覆蓋層鉆進(jìn)及擴(kuò)孔鉆進(jìn)主要采用低固相泥漿，在使用過(guò)程中具有良好的攜粉和護(hù)壁性能。具體配方及性能參數(shù)如下。

配方:1 m3水+0.1%NaOH+2%～3%鈉土+2%LBM。

性能參數(shù):粘度30～35 s，密度1.04～1.08 g/cm3，動(dòng)切力4～7 Pa，API失水量8～11 mL/30min，pH值為9～11，泥皮厚度0.3～0.5 mm，含砂量≤0.5%。

(2)下部地層(含熱儲(chǔ)層)采用沖洗液體系配方及性能參數(shù)如下。

配方:①1m3水 +0.2%Na2CO3+0.3%KHm+0.1%PAC141(干粉)+0.3%植物膠;②1 m3水+0.2%Na2CO3+0.3%植物膠+2%～3%LBM+0.2%GLUB。

性能參數(shù):粘度23～26 s，密度1.01～1.03 g/cm3，動(dòng)切力 3～5 Pa，API失水量 11～14 mL/30 min，pH值為9～11，泥皮厚度0.1～0.2 mm，含砂量≤0.2%。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，該型泥漿配方能夠滿(mǎn)足鉆進(jìn)攜巖需要，每鉆進(jìn)100～150 m徹底更換全部沖洗液，清理施工現(xiàn)場(chǎng)泥漿坑，重新配置沖洗液，保證沖洗液性能優(yōu)良、穩(wěn)定。

該孔在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，在多個(gè)層段發(fā)生不同嚴(yán)重程度的漏水、涌水情況，機(jī)臺(tái)均沒(méi)有采取堵漏措施，其原因是地質(zhì)人員要求沖洗液中不能加入任何堵漏材料，以防污染熱儲(chǔ)層，影響熱儲(chǔ)層的出水量及溫度。在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，均采用頂漏或頂涌的方式鉆進(jìn)。

(3)破碎地層LBM泥漿的使用。

鉆進(jìn)至521.0 m時(shí)，孔內(nèi)出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，該段為斷層泥，斷層角礫，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。取出的巖心為粉末狀(見(jiàn)圖2)。出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象后，請(qǐng)示地質(zhì)人員，換用4%LBM高效增粘粉泥漿護(hù)孔鉆進(jìn)，并加入防塌堵漏劑，配合SYZX122繩索取心液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取心，巖心采取率達(dá)到93%，取得了較為明顯的效果。

圖2 斷層泥取心照片

4%LBM沖洗液配方:4%LBM泥漿+3%～5%鈉土粉+植物膠(增粘)/腐殖酸鉀(稀釋)+防塌堵漏劑+0.1%乳化瀝青+GLUB(無(wú)熒光潤(rùn)滑劑)。

4%LBM沖洗液性能參數(shù):粘度25～32 s，密度1.02～1.04 g/cm3，動(dòng)切力 4～6 Pa，動(dòng)塑比 YP/PV為0.15～0.25，API失水量8.0 mL/30 min，pH 值為9～11，泥皮厚度0.1～0.3 mm，含砂量≤0.5%。

實(shí)際應(yīng)用證明，LBM泥漿在溫泉地區(qū)破碎、漏失等不穩(wěn)定復(fù)雜地層中使用，尤其在SYZX系列繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)中使用，對(duì)于穩(wěn)定孔壁、防止坍塌、防止繩索取心鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢等具有明顯效果。

5 采用的關(guān)鍵技術(shù)

5．1 套管封孔止水技術(shù)

5．2 特殊鉆具級(jí)配施工大口徑鉆孔

5．3 SYZX繩索取心液動(dòng)錘的應(yīng)用

為克服硬脆碎地層巖心堵塞問(wèn)題，同時(shí)有效提高鉆進(jìn)效率，在該孔試驗(yàn)應(yīng)用了 SYZX122與SYZX95繩索取心液動(dòng)錘，在純鉆時(shí)間利用率、提高鉆頭壽命、增加回次進(jìn)尺、提高巖心采取率及防治鉆孔彎曲等多個(gè)方面均取得了較為明顯的成效(見(jiàn)表3所示)。

表3 常規(guī)繩索取心鉆進(jìn)與液動(dòng)錘繩索取心鉆進(jìn)效率指標(biāo)比較

5．4 施工中遇到的問(wèn)題及處理措施

5．4．1 施工中遇到的問(wèn)題

(1)AKT1－1孔施工過(guò)程中，多個(gè)層段發(fā)生不同嚴(yán)重程度的漏水、涌水情況。

(3)該孔地層巖性多為凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰?guī)r、霏細(xì)斑巖，在鉆進(jìn)過(guò)程中多次出現(xiàn)鉆頭打滑現(xiàn)象。

(4)套管與孔壁環(huán)狀間隙過(guò)小，在固井時(shí)發(fā)生泵壓過(guò)高現(xiàn)象。

(5)構(gòu)造破碎帶中，膠結(jié)結(jié)構(gòu)多為高嶺石、綠泥石，坍塌破碎嚴(yán)重，巖心采取率不足。

5．4．2 處理措施

(1)針對(duì)AKT1－1孔多個(gè)層段出現(xiàn)的漏水、涌水現(xiàn)象，由于地質(zhì)方面要求在熱水儲(chǔ)層使用無(wú)固相沖洗液，基本以頂漏、頂涌鉆進(jìn)為主。遇到長(zhǎng)孔段漏水層時(shí)，在沖洗液中加入鈉土和隨鉆堵漏劑，提高粘度，堵漏效果較為顯著。

(3)針對(duì)凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、霏細(xì)斑巖地層中的鉆頭打滑現(xiàn)象，采用SYZX系列繩索取心液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝和技術(shù)，采取了降低轉(zhuǎn)速、提高鉆壓、更換為高壽命軟胎體鉆頭，平均純鉆時(shí)效由常規(guī)的0.46 m/h提高到1.49 m/h，回次進(jìn)尺由不足0.5 m提高到1.7 m。

(5)在施工構(gòu)造破碎帶時(shí)，由于該孔段坍塌破碎嚴(yán)重，在征得地質(zhì)方面同意后換用4%LBM低粘增效粉沖洗液，配合SYZX95繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)，有效提高了鉆速，增加了回次進(jìn)尺長(zhǎng)度，采取率由之前的57%提高至91%，得到了業(yè)主的一致認(rèn)可。

6 結(jié)語(yǔ)

AKT1－1孔自2014年6月6日開(kāi)孔，11月10日鉆進(jìn)至1407.28 m終孔，歷時(shí)5個(gè)月，臺(tái)月效率281.46 m，綜合鉆速 1.79 m/h，巖心采取率為97.8%。AKT1－1孔的施工，建立了一套適合溫泉地區(qū)破碎坍塌地層施工的沖洗液技術(shù)體系;同時(shí)試驗(yàn)應(yīng)用了SYZX系列繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)，并取得了較為明顯的成效;在鉆探施工組織設(shè)計(jì)及鉆孔結(jié)構(gòu)布置上積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，尤其是小口徑鉆桿配合大口徑鉆鋌與大口徑鉆頭施工的鉆具級(jí)配，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)和輔以高效沖洗液，在實(shí)際施工中取得了較好的效果。

通過(guò)AKT1－1孔的施工，為后續(xù)施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn):在地層穩(wěn)定的情況下，鉆進(jìn)大口徑鉆孔，盡量使用大排量鉆進(jìn)，避免巖粉重復(fù)破碎，實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn);合理設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)和鉆具級(jí)配，對(duì)異常破碎地層，采用多徑鉆孔結(jié)構(gòu)和最優(yōu)沖洗液;孔內(nèi)事故是影響鉆進(jìn)效率的直接因素，施工中要充分考慮各種因素，制定詳細(xì)且具有可操作性的施工技術(shù)方案、盡量避免孔內(nèi)事故的發(fā)生;采用管外灌注水泥止水時(shí)，盡量增大管外環(huán)狀間隙，起到保證止水效果的同時(shí)，可以避免灌注水泥時(shí)發(fā)生憋壓憋泵現(xiàn)象。

［1］ 李之軍，陳禮儀，賈軍，等．汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號(hào)孔(WFSD－1)斷層泥孔段泥漿體系的研究與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(12):13－15，19．

［2］ 董海燕．繩索取心液動(dòng)錘在中國(guó)巖金勘查第一深鉆的應(yīng)用和最新進(jìn)展［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(10):9－12．

［3］ 賈軍，李旭東，樊臘生，段曉青，等．汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目WFSD－2孔鉆探施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(9):6－11．

［4］ 胡郁樂(lè)，楊濤，董海燕．金川科學(xué)深鉆預(yù)導(dǎo)孔鉆井液技術(shù)研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(S1):13－15．

［5］ 董海燕，王魯朝，楊芳，等．國(guó)產(chǎn)CNH(T)繩索取心鉆桿在中國(guó)巖金勘查第一深鉆工程中的應(yīng)用分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(1):49－53．

［6］ 陳師遜，張英傳，翟玉峰．山東萊州三山島金礦區(qū)ZK112－1鉆孔施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(S2):217－220．

［7］ 王達(dá)，張偉．“科鉆一井”鉆探施工技術(shù)概覽［J］．中國(guó)地質(zhì)，2005，32(2):184－194．

［8］ 孫丙倫，陳師遜，陶士先．復(fù)雜地層深孔鉆探泥漿護(hù)壁技術(shù)探討與實(shí)踐［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(5):13－16．

［9］ 丁 同領(lǐng)，高鄖．武漢－1超深地?zé)峋@井成井工藝［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(8):23－25．