河北省御道口油頁巖礦區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

于志堅(jiān)，耿 印，于保國，布 凡，丁國東，劉 存，王 越

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德067000）

河北省御道口油頁巖礦區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

于志堅(jiān)*，耿 印，于保國，布 凡，丁國東，劉 存，王 越

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德067000）

油頁巖地層復(fù)雜，地質(zhì)鉆探施工難度較大，孔壁不穩(wěn)定，坍塌、縮徑、漏失、掉塊事故時(shí)有發(fā)生。根據(jù)油頁巖多年施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)油頁巖地層鉆井液的配制、使用及漏失防治進(jìn)行總結(jié)，以供大家參考。

油頁巖地層；復(fù)雜地層；坍塌；縮徑；漏失防治；鉆井液配制使用

1 概述

油頁巖又稱“油母頁巖”，屬非常規(guī)油氣資源，以資源豐富和開發(fā)利用的可行性而被列為21世紀(jì)非常重要的接替能源。

世界上油頁巖資源較多，但探明的不多，主要分布在美國、加拿大、俄羅斯和中國。我國查明的油頁巖資源儲(chǔ)量311.7×108t（地質(zhì)部1980年發(fā)布表內(nèi)儲(chǔ)量），河北省查明油頁巖資源儲(chǔ)量1.14×108t，占全國第10位，產(chǎn)地6處，其中承德市5處，查明油頁巖資源儲(chǔ)量1.08×108t，可見承德油頁巖資源量位于河北省內(nèi)第一。

2 地質(zhì)四隊(duì)對(duì)油頁巖的勘查概況

我單位地處承德市，對(duì)油頁巖的勘查占有得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢。單位1958年成立，針對(duì)油頁巖這一新能源礦種從未停止過勘查腳步，僅油頁巖鉆探施工工作量達(dá)到近2×104m。特別是自2006年國務(wù)院下達(dá)《關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)工作的決定》以來，國家加大了地質(zhì)投入，作為新能源的油頁巖勘查引起了國家重視。2012年承德圍場御道口油頁巖施工8個(gè)鉆孔總工作量7584.72m最深油頁巖鉆孔施工孔深1578.10m。

在油頁巖地層中多年的鉆探施工中，我單位積累豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，尤其是油頁巖深孔小口徑巖芯鉆探的施工。下面以御道口礦區(qū)情況實(shí)例總結(jié)如下，以供大家借鑒。

3 御道口油頁巖地層

御道口礦區(qū)位于華北地臺(tái)北緣與內(nèi)蒙大興安嶺褶皺系銜接部位的褶皺系單元中，屬多倫復(fù)背斜(Ⅲ)的棋盤山中凹陷(Ⅳ)構(gòu)造單元中。區(qū)域上出露的地層主要有少量的二疊系、廣泛發(fā)育的侏羅系、白堊系和第三系玄武巖及第四系覆蓋層。

二疊系地層主要為二疊系下統(tǒng)，巖性為灰綠、灰白色砂巖、紫紅色砂礫巖、灰紫色粉砂質(zhì)泥巖和黑色頁巖，厚度300m左右。

侏羅系以晚期張家口組地層為主。地層以中酸性火山巖和火山碎屑巖為主，還有少量沉積的砂巖、粉砂巖、礫巖等，產(chǎn)有珍珠巖礦和沸石礦。厚度200～600m。

白堊系大北溝組,由褐紅色安山巖和火山碎屑巖組成。厚度260～800m。

第三系地層為漢諾壩組玄武巖，共五期噴發(fā)，近水平產(chǎn)出，覆蓋于白堊系和侏羅系地層之上。一般厚度50～700m。

第四系近代堆積多沿溝谷及山地緩坡發(fā)育，該區(qū)域風(fēng)成含砂黃土層發(fā)育，沿河谷局部有風(fēng)成砂。

在侏羅紀(jì)末白堊紀(jì)初，受燕山運(yùn)動(dòng)影響，侏羅紀(jì)部分盆地升起消失，部分繼承性發(fā)展成為白堊紀(jì)盆地。在白堊紀(jì)末期地殼升起，盆地抬升，在盆地邊緣生成北東向和北西向的斷裂。

4 礦區(qū)鉆探施工難點(diǎn)

御道口油頁巖礦區(qū)頁巖盆地為斷陷盆地，主要巖石包括油頁巖、安山巖、玄武巖、礫巖、含礫砂巖、粉砂巖和粘土巖等。本礦區(qū)易漏地層主要是由于玄武巖和安山巖內(nèi)部有杏仁狀氣孔結(jié)構(gòu)，而且在巖層交界處有不同程度的裂隙和碎裂，導(dǎo)致御道口礦區(qū)鉆孔普遍存在漏水情況。在玄武巖下部有一個(gè)古風(fēng)化帶容易漏失。油頁巖夾雜頁巖、粘土巖的地層都相對(duì)穩(wěn)定。本礦區(qū)的沉積巖地層不漏水，但是在沉積地層中容易出現(xiàn)坍塌掉塊，需要做好鉆井液護(hù)壁工作。

所以在油頁巖地區(qū)鉆探施工地層屬于復(fù)雜地層，最大的難題是：（1）孔內(nèi)孔壁失穩(wěn)，坍塌、掉塊、縮徑等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；（2）孔內(nèi)漏失水嚴(yán)重，頂漏鉆進(jìn)事故風(fēng)險(xiǎn)增大。這就需要正確合理選擇使用泥漿，豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，確保鉆探滿足地質(zhì)施工目的。

5 主要解決方案

5.1 通過御道口礦區(qū)頁巖地層漏失及孔壁失穩(wěn)機(jī)理研究，確定主要解決方案為配制使用抑制性泥漿

油頁巖地層鉆井液配制抑制性泥漿的機(jī)理：

（1）選優(yōu)質(zhì)土。由于水化效果好，粘土顆粒吸附了較厚的水化膜，泥漿體系中的自由水量大大減少，所以優(yōu)質(zhì)土泥漿的失水量遠(yuǎn)低于劣質(zhì)土的。

（2）采取“粗分散”方法。使粘土顆粒適度絮凝，而非高度分散，從而使井壁巖土的分散性減弱，保持一定的穩(wěn)定性。

（3）添加降失水劑。通過增加水化膜厚度，增大滲透阻力、孔壁網(wǎng)架隔膜作用，可使失水量明顯減少。

（4）提高基液粘度。泥漿中的“自由水”實(shí)際上是濾向地層的基液，其粘度愈高，向地層中滲濾的速率就愈低。

（5）調(diào)整泥漿比重。平衡地層壓力孔內(nèi)液體壓力與地層中流體的壓力差是泥漿失水的動(dòng)力，盡可能減少壓力差，維持平衡鉆進(jìn)是減少鉆井液漏失的有效措施。

（6）利用特殊離子對(duì)地層的“鈍化”作用。一些特殊離子的嵌合作用可以加強(qiáng)粘土顆粒之間的結(jié)合力，從而使孔壁穩(wěn)定性提高。

（7）利用大分子鏈網(wǎng)在孔壁上的隔膜作用。泥漿中的大分子物質(zhì)相互橋接，濾余后附著在孔壁上形成阻礙自由水繼續(xù)向地層滲漏的隔膜。

（8）利用微顆粒的堵塞作用。在泥漿中添加與地層空隙尺寸相配伍的微小顆粒，堵塞滲漏通道，降低漏失量。

（9）活度平衡。使鉆井液化學(xué)性質(zhì)與地層化學(xué)性質(zhì)相近，減少相互之間的物質(zhì)擴(kuò)散交換程度。

通過實(shí)驗(yàn)室研究、礦區(qū)實(shí)踐驗(yàn)證最終我們確定了選擇13403號(hào)進(jìn)行野外鉆探施工。實(shí)驗(yàn)室13403號(hào)的配方如下：加土量4%，加堿6%（粘土加量）處理后，加入CMC 0.1%、PHP0.15%、KHA4.0%，現(xiàn)場鉆井液的主要性能：漏斗粘度19～21，比重1.02～1.04，失水量7～9mL/30min。施工中鉆遇的破碎帶、坍塌、掉塊、遇水膨脹，剝落巖層10余層都起到了很好的抑制作用，取得較好的施工效果。

實(shí)踐證明該鉆井液適合于御道口油頁巖地層的鉆探施工。

5.2 加強(qiáng)鉆井液的現(xiàn)場使用方法管理

每個(gè)回次必須專人負(fù)責(zé)鉆井液的清理工作，用鐵鍬和笊籬撈取沉淀槽、沉淀坑及沉淀池中的泥沙。嚴(yán)格控制漿液中的有害固相，正常鉆進(jìn)時(shí)一班清理巖粉2次，定期換漿。保障鉆井液的沉淀效果。

鉆井液粘度高時(shí)，不能直接加清水稀釋，應(yīng)加入低粘度漿液或稀釋劑進(jìn)行稀釋降粘。夏季做好漿液的防雨工作，嚴(yán)禁雨水流入泥漿中，稀釋鉆井液，改變鉆井液的性能。

按照已定的鉆井液類型配置泥漿，堅(jiān)持每班檢測孔內(nèi)循環(huán)的漿液粘度、比重、失水量、泥皮厚度及質(zhì)量、pH值，及時(shí)了解漿液變化情況，并記錄于現(xiàn)場漿液記錄表中。發(fā)現(xiàn)漿液性能參數(shù)明顯超出或低于設(shè)計(jì)要求，應(yīng)及時(shí)用泥漿處理劑現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)整。

試驗(yàn)礦區(qū)生產(chǎn)中對(duì)鉆井液補(bǔ)充。鉆進(jìn)生產(chǎn)過程中，由于孔深不斷加大，鉆進(jìn)的不斷進(jìn)行，地層會(huì)不斷的變化，鉆井液也在不斷地消耗，為了保持正常鉆進(jìn)，就必須不斷及時(shí)地對(duì)鉆井液量進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)?shù)貙幼兓淮髸r(shí)，一般每個(gè)班次要向水源箱內(nèi)補(bǔ)充一定量同樣性能的鉆井液。鉆井液技術(shù)性能不產(chǎn)生大變化時(shí)不予調(diào)整，但每班要對(duì)鉆井液的主要性能進(jìn)行測試。如地層變化較大，特別是鉆遇水敏地層時(shí)，除每班補(bǔ)充性能相同的沖洗液外，每班還要加大監(jiān)測頻率，發(fā)現(xiàn)鉆井液性能不能滿足鉆進(jìn)需要時(shí)及時(shí)調(diào)整性能。一般情況下就是降低鉆井液的失水量，提高防坍塌性能。調(diào)整后的鉆井液性能一直要保持到鉆孔終孔。

5.3 加強(qiáng)施工組織管理的必要

油頁巖礦區(qū)鉆探施工地層屬于復(fù)雜地層，管理非常重要，好的效益是管出來的。

必須高度重視施工組織管理，配備了強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)班子和技術(shù)力量，成立了專門管理機(jī)構(gòu)，科學(xué)組織施工。健全組織，制定科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮饕?guī)程，規(guī)章制度。制度執(zhí)行時(shí)必須嚴(yán)格執(zhí)行，不能流于形式，不能講人情，做到公平合理。

鉆探施工中必須狠抓職工思想教育工作，統(tǒng)一職工思想，樹立大局意識(shí)。讓每一位職工都能認(rèn)識(shí)到鉆探施工的意義和重要性。讓職工的思想全部凝聚到生產(chǎn)上來，心往一處想、勁往一處使。這樣可以提高職工的操作責(zé)任心，減少或避免發(fā)生孔內(nèi)事故。

6 2012年至2013年御道口油頁巖礦區(qū)的施工情況

2012年御道口礦區(qū)總工作量7584.72m，平均孔深948.09m。使用主要設(shè)備：

鉆機(jī)：XY-4型、XY-44型、XY-5型、XY-6B型

泥漿泵:BW-250型、BW-320型；

鉆塔：XG-17m、XG-23型四角管塔。

使用的鉆探工藝方法為金剛石繩索取芯鉆進(jìn)，鉆孔口徑為?75mm。

7 施工工藝及施工過程中所遇到的其他主要問題

表1 鉆機(jī)施工情況一覽表

以鉆孔ZK003號(hào)孔為例說明，鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1，采用四開井身結(jié)構(gòu)，一開井徑?150mm，下入?146mm套管；二開井徑?127mm，下入?108mm套管；三開井徑?95mm，下入?89mm套管；四開井徑?75mm，終孔孔深為1578.10m。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

施工過程中除泥漿使用外，所遇到的其他主要問題就是漏失嚴(yán)重。當(dāng)鉆進(jìn)至1053.60m時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重漏失，孔口返漿量時(shí)斷時(shí)續(xù)幾乎為零。頂漏鉆進(jìn)11m后，考慮到鉆孔較深，頂漏鉆進(jìn)時(shí)間過長十分危險(xiǎn)，采取水泥灌孔封堵方法進(jìn)行處理，經(jīng)過2次灌注取得較好效果。

水泥漿現(xiàn)場灌注過程中注意事項(xiàng)：

（1）要堅(jiān)持在封孔段內(nèi)上下沖孔，慢速回轉(zhuǎn)鉆具，以清洗掉孔壁的泥皮，保持孔壁清潔，保證水泥與孔壁更好地膠結(jié)凝固。

（2）灌漿前要仔細(xì)檢查有關(guān)灌漿設(shè)備的完好性，確保灌漿過程中順暢不發(fā)生故障。

（3）灌漿時(shí)由機(jī)長現(xiàn)場統(tǒng)一指揮，人員分工明確，各有職責(zé)，相互配合，協(xié)作工作。爭取整個(gè)過程一氣完成不停頓。

（4）嚴(yán)格按規(guī)定的水灰比來配漿進(jìn)行攪漿，現(xiàn)場使用自制1m3的泥漿攪拌機(jī)拌漿，將拌好的水泥漿經(jīng)過過濾網(wǎng)過濾后立即灌注，防止大塊物堵塞管路。

（5）將水泵水龍頭放入裝滿配置好的泥漿箱內(nèi)立即啟動(dòng)泥漿泵送水泥漿。剛開泵時(shí)先打開水泵回水閥門，將吸水管及泵中的清水排出，待噴出水泥漿后再關(guān)閉回水閥將水泥漿送到待灌孔段。待泵吸水泥漿過程完后，立即將水龍頭放入準(zhǔn)備好的替漿水桶中，開泵替漿。

（6）替漿完成后，提升鉆具速度要慢，過快則易發(fā)生抽吸作用而使整個(gè)灌注工作失敗。待提離注漿液面50m后才能加快提鉆速度，操作要穩(wěn)，杜絕跑鉆事故發(fā)生。

（7）從水泥漿池內(nèi)取少量漿液裝入水瓶內(nèi)留作樣品，驗(yàn)證孔內(nèi)水泥凝固情況。水泥不能完全凝固時(shí)掃孔起不到護(hù)壁堵漏作用，水泥過硬給掃孔增加難度，一方面掃水泥時(shí)間較長，另一方面由于水泥過硬很容易掃偏造成孔內(nèi)事故。

8 礦區(qū)鉆孔質(zhì)量分析

巖芯采取率及鉆孔彎曲度：

（1）巖芯采取率：8個(gè)鉆孔巖芯采取率全部在96.8%以上。ZK003孔全孔巖芯采取率為99.4%。

（2）彎曲度及測量：御道口礦區(qū)的鉆孔均為直孔，采用JTC-1型動(dòng)調(diào)陀螺儀每百米測量一次，傾角角度在允許誤差范圍之內(nèi)，終孔位置均不超過勘探線間距1/4。完全滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求需要。

8 結(jié)論

總之，油頁巖地層的勘查施工，地層一般為沉積巖，地層結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，漏失、坍塌、掉塊的孔內(nèi)事故比較普遍，在施工過程中必須注意泥漿的使用，根據(jù)不同的地層選擇相應(yīng)的泥漿，同時(shí)要加強(qiáng)技術(shù)和組織管理，以確保施工正常順利實(shí)施。地層情況是千變?nèi)f化的，同一礦區(qū)不同鉆孔地層變化也是有很大的區(qū)別。一定要根據(jù)實(shí)際情況，具體分析，切不可生搬硬套。

TD83

B

1004-5716(2015)02-0101-04

2014-03-12

2014-03-13

于志堅(jiān)（1977-），男（滿族），河北平泉人，工程師，現(xiàn)從事鉆探技術(shù)施工與管理工作。