羌塘盆地天然氣水合物鉆探試驗(yàn)井取樣技術(shù)與施工實(shí)踐

吳紀(jì)修，李 寬，薛倩冰，李鑫淼，梁 健，李小洋，張永勤

(1．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000;2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京100083)

0 引言

我國(guó)地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，青藏高原永久凍土區(qū)具備形成天然氣水合物的溫度和壓力條件，同時(shí)可能存在由“自保護(hù)效應(yīng)”引起的輕烴類天然氣水合物［1－2］。從1999年開始，中國(guó)一些專家陸續(xù)提出了在青藏高原永久凍土區(qū)開展水合物調(diào)查研究的建議，并于2008年11月5日在祁連山木里地區(qū)DK－1井發(fā)現(xiàn)天然氣水合物實(shí)物樣品［3］。這一發(fā)現(xiàn)突破了陸域天然氣水合物只存在于兩極地區(qū)永久凍土帶的認(rèn)識(shí)，成為世界上第一次在中低緯度高海拔凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的國(guó)家。2000年中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所在國(guó)內(nèi)第一個(gè)開展陸地永久凍土區(qū)天然氣水合物鉆探取樣鉆具及施工工藝的研究，為了滿足陸地永久凍土區(qū)天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)及地質(zhì)調(diào)查取樣實(shí)際需要，研究開發(fā)了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的陸地凍土天然氣水合物鉆探取樣鉆具、輔助器具、泥漿配方及制冷方法等，為高原凍土天然氣水合物調(diào)查鉆探施工提供了成套的裝備和可靠的技術(shù)支撐，并在DK－1井成功鉆獲天然氣水合物樣品，使我國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物取樣鉆探技術(shù)取得重大突破。因此，2011年，中國(guó)政府將陸域天然氣水合物資源勘查作為國(guó)家專項(xiàng)實(shí)施。根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)查工作獲得的有關(guān)地質(zhì)資料，羌塘盆地是青藏高原年平均地溫最低、凍土層相對(duì)較厚、地溫梯度低和成油成氣好的地區(qū)，具有很好的天然氣水合物形成的溫壓條件和烴類氣源條件。為了實(shí)現(xiàn)陸域凍土天然氣水合物資源調(diào)查新的更大突破，根據(jù)“中國(guó)陸域凍土區(qū)天然氣水合物資源勘查”的總體部署，2011年7月正式啟動(dòng)了羌塘盆地天然氣水合物資源勘查項(xiàng)目(鉆探試驗(yàn)井工程)。

1 鉆探區(qū)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)環(huán)境

青藏高原永久凍土區(qū)鉆探施工工藝是我國(guó)面臨的全新課題，尤其施工環(huán)境極其惡劣的羌塘盆地地區(qū)，該區(qū)位于青藏高原藏北地區(qū)最腹地，是青藏高原年平均溫度最低和凍土最發(fā)育的地區(qū)，面積達(dá)40×104km2，計(jì)算推斷凍土層平均厚度在100～200 m［5］。由于野外地質(zhì)工作條件極其惡劣，青藏高原藏北地區(qū)多年凍土的研究基本處于空白，現(xiàn)有的研究資料主要集中在藏北地區(qū)東部邊緣沿青藏鐵路沿線的狹長(zhǎng)地帶，凍土由于受季節(jié)變化和地下熱溫的影響，每年4月中下旬開始融化，10月初開始回凍，最大融化深度＞2 m。每年4—10月份是施工季節(jié)，但由于地表融化，沼澤地面嚴(yán)重塌陷，輪式運(yùn)載車輛難以行走，所以施工期間的所有物質(zhì)都必須經(jīng)過多次分解轉(zhuǎn)運(yùn)才能完成，這不僅給施工增加了運(yùn)輸成本，而且嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

鉆探區(qū)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)環(huán)境以QK－2井為例進(jìn)行詳細(xì)闡述，羌塘盆地天然氣水合物鉆探試驗(yàn)井工程QK－2井處于凍土區(qū)水合物鉆探試驗(yàn)井的典型區(qū)域，位于河道沖積扇的核心位置，且每年7—8月份地表徑流水量充沛，井位周圍發(fā)育數(shù)個(gè)呈丘狀隆起的凍脹丘，底部直徑大小不一，最大直徑可達(dá)20 m，高2 m，表面存在縱橫交錯(cuò)的裂縫，最大裂縫寬度可達(dá)20 cm，局部裂縫見有地下水溢出，凍脹丘隨地表氣溫不斷上升其規(guī)模逐漸縮小，甚至消失。施工區(qū)域水文地質(zhì)及工程地質(zhì)環(huán)境見圖1。

2 施工方案的思考

羌塘盆地天然氣水合物鉆探試驗(yàn)井工程的施工地層部分孔段為永久凍土層，部分地層段更是軟硬互層、破碎且不穩(wěn)定，地層條件極其復(fù)雜，施工難度較大，特別是永久凍土層，采用普通的鉆井液循環(huán)容易發(fā)生地層融化和坍塌，護(hù)壁效果不佳。在鉆遇天然氣水合物異常地層段及鉆遇水合物時(shí)如何才能取出真實(shí)而完整的巖心樣品，并且能保證正常而高效地鉆進(jìn)是實(shí)現(xiàn)羌塘盆地天然氣水合物鉆探試驗(yàn)井工程鉆探取樣成功的關(guān)鍵所在。根據(jù)近年來我國(guó)在多年凍土區(qū)實(shí)施天然氣水合物鉆探取樣的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在海拔5000 m的青藏高原凍土區(qū)開展天然氣水合物鉆探取樣施工需要解決以下幾方面的問題。

圖1 施工區(qū)域水文地質(zhì)及工程地質(zhì)環(huán)境

(1)在鉆遇天然氣水合物層時(shí)，隨著地層壓力下降及溫度上升，導(dǎo)致水合物分解的同時(shí)會(huì)發(fā)生相變，所以取心要求必須盡量縮短時(shí)間，并能夠采取盡可能保持接近天然氣水合物原位狀態(tài)的鉆探取心技術(shù)。

(2)由于凍脹和融沉作用，鉆進(jìn)過程中容易造成地基沉降、井壁坍塌及鉆井液的漏失等。在多年凍土體中鉆進(jìn)，鉆孔內(nèi)的溫度變化情況是確定鉆井液類型、性能的關(guān)鍵因素之一，也是確定合理的多年凍土區(qū)鉆井規(guī)程、保證正常鉆進(jìn)和避免鉆探事故的重要依據(jù)。因此，需要采取行之有效的措施降低鉆井液冰點(diǎn)，使用低溫泥漿以減少凍土解凍坍塌和水合物分解后的井徑擴(kuò)大及鉆井周圍圍巖應(yīng)力重分布后的井壁失穩(wěn)。另外，在鉆進(jìn)過程中要降低單位體積巖石的破碎功，減少孔底碎巖過程產(chǎn)生的熱量，選取適合凍土條件高效鉆進(jìn)的碎巖工具和鉆進(jìn)工藝。

(3)青藏高原多年凍土帶，海拔較高、地形復(fù)雜、常見地層壓力異?？锥?，局部蝕變嚴(yán)重，不但巖心采取困難，而且易憋泵，無法正常鉆進(jìn)。另外，羌塘盆地屬于新探區(qū)，凍土層厚度及有關(guān)地層巖性資料較少，因此，必須考慮多種預(yù)防孔內(nèi)事故的技術(shù)措施或多種鉆孔結(jié)構(gòu)。

(4)受羌塘盆地環(huán)境、工區(qū)交通、人員適應(yīng)性、設(shè)備及有效施工期較短等客觀因素影響，必須考慮在有效施工期內(nèi)完成鉆探施工。因此，除了考慮高效的鉆進(jìn)工藝外，必須加倍準(zhǔn)備各種施工物質(zhì)和材料，減少施工過程中因材料及配件供應(yīng)不足而造成的停滯時(shí)間。

3 鉆探取樣技術(shù)應(yīng)用及對(duì)策

3．1 取心鉆具結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)羌塘盆地的地理環(huán)境及凍土天然氣水合物鉆探施工目的，所采用的鉆探取樣工藝必須在保證巖心采取率的同時(shí)，取出水合物層段的真實(shí)水合物樣品。目前國(guó)外在陸域凍土天然氣水合物資源勘查所采用的工藝方法主要是大口徑繩索打撈快速取心及低溫鉆井液輔助措施。除了上述鉆進(jìn)工藝及輔助技術(shù)措施外，在高海拔凍土區(qū)實(shí)施天然氣水合物鉆探獲得成功還需要有適應(yīng)高海拔作業(yè)的熟練的操作人員、可靠的鉆探設(shè)備等。

圖2 大直徑繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合國(guó)外陸地永久凍土水合物取樣鉆探施工取樣鉆具以及在凍土層的鉆探取樣施工經(jīng)驗(yàn)及羌塘盆地的地理位置及地層等客觀條件，制定了以大口徑繩索打撈不提鉆快速取樣鉆具及低溫泥漿制冷的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的綜合技術(shù)方案。由于該技術(shù)方案在鉆遇水合物層時(shí)，取心直徑大，包含的水合物樣品就會(huì)增多，所以在低溫泥漿保持巖心樣品處在較低溫度的同時(shí)，所鉆獲的巖心樣品中的水合物分解的比例就會(huì)減小，大直徑巖心內(nèi)部就能保持較真實(shí)的水合物樣品。另外，繩索打撈不提鉆快速取心的輔助時(shí)間短，不僅降低了水合物分解的時(shí)間，而且提高了鉆探效率。為了達(dá)到快速取心的目的，在鉆具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，采用了半合管及PC透明保心襯管，快速取樣低溫保存方法，即鉆具打撈地表后，掰開半合管，抽出透明的巖心襯管。為了獲得更真實(shí)可靠的水合物樣品，在鉆進(jìn)工藝參數(shù)方面，控制了回次進(jìn)尺長(zhǎng)度，在鉆遇水合物層段時(shí)，規(guī)定每個(gè)回次鉆進(jìn)1.5 m，巖心采取率＞90%。為進(jìn)一步提高鉆具的可靠性和工作效率，對(duì)原有的大直徑繩索取心鉆具嘗試進(jìn)行了優(yōu)化，為了避免原來的彈卡機(jī)構(gòu)在鉆進(jìn)過程中彈卡鉗有時(shí)不能回收而造成打撈失敗的缺點(diǎn)，將彈卡定位機(jī)構(gòu)改為球卡定位機(jī)構(gòu)，防止了巖心堵塞造成的內(nèi)管總成卡死事故，減少提大鉆的次數(shù)，通過鉆探試驗(yàn)井工程，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)的繩索取心鉆具的可行性和穩(wěn)定性。(圖2為研制的大直徑繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為改進(jìn)后的球卡鉆具結(jié)構(gòu)示意圖)。

圖3 改進(jìn)后的球卡鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

3．2 鉆頭設(shè)計(jì)

在進(jìn)入鉆桿內(nèi)的沖洗液的溫度和孔內(nèi)凍結(jié)巖層溫度相近情況下，孔底溫度的升高主要由鉆頭破碎功所決定，為保證正常鉆進(jìn)和提高鉆進(jìn)效率，除了加強(qiáng)沖洗，還應(yīng)該減少孔底碎巖產(chǎn)生的熱量，為此該地區(qū)鉆頭結(jié)構(gòu)形式主要以特制唇面的大水口和帶底噴水眼金剛石復(fù)合片鉆頭為主。

圖4 鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

3．3 沖洗液配方

根據(jù)水合物鉆探施工技術(shù)要求所提的分解抑制法，高原凍土天然氣水合物鉆探用泥漿不僅要具備良好的冷卻鉆頭、清潔井底、攜帶巖屑的基本能力，還要保證泥漿的低溫特性和高壓特性，只有將含有水合物的地層段在鉆開后其附近的溫度、壓力條件控制在溫度低于水合物平衡條件、壓力高于水合物平衡條件，才能抑制水合物的分解，即采用低溫大密度泥漿。但是，在采用低溫大密度泥漿的過程中既要考慮溫度過低造成的水合物再生成，又要考慮地層的破裂壓力以及塑性地層的防塌護(hù)壁、低溫高壓泥漿的流變性和泥漿的侵入。

根據(jù)美國(guó)在阿拉斯加北坡實(shí)施的天然氣水合物鉆探施工使用的泥漿溫度(華氏30度)，及以往我國(guó)在凍土區(qū)實(shí)施天然氣水合物鉆探的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，決定將泥漿溫度控制在－1～－2℃，并采用美國(guó)百瑞得泥漿材料，取得了較好的鉆進(jìn)及取心效果。首先，采用美國(guó)百瑞得公司(Baroid)的泥漿材料配合國(guó)產(chǎn)抗鹽高聚物配置低溫高性能泥漿。泥漿材料主要有粘土粉(QUIK－GEL)、降失水劑(PAC－LE)、增粘劑/穩(wěn)定劑(EZ－MUD)、堵漏劑(N －SEAL)、鉆桿潤(rùn)滑劑(IDP214h)、國(guó)產(chǎn)增粘劑(抗鹽共聚物)等。加入粘土粉和處理劑前先在水中加入適量小蘇打，將pH值調(diào)整至8.5～9.5?？妆诜€(wěn)定時(shí)泥漿性能參數(shù)為:泥漿密度1.02～1.04 g/cm3，粘度在26 s左右，失水量8～10 mL/30 min，含砂量 ＜0.6%，鉆遇不穩(wěn)定地層的泥漿調(diào)配及配方用量見表1。

表1 不同地層情況沖洗液配比

由于鉆進(jìn)過程中受地下水、巖粉、漏失地層以及環(huán)境變化等多方面影響，泥漿的性能會(huì)發(fā)生改變，因此要時(shí)刻觀測(cè)泥漿的性能以便及時(shí)調(diào)整泥漿各項(xiàng)參數(shù)。

3．4 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是確定各級(jí)鉆具的鉆進(jìn)深度、套管的下入層次，下入深度，泥漿泵返深，及鉆頭尺寸。應(yīng)遵循以下主要原則:一是避免產(chǎn)生井漏、井塌、卡鉆等井下復(fù)雜情況和事故;二是當(dāng)未知層出現(xiàn)漏失、坍塌等復(fù)雜情況必須下套管隔離時(shí)，要留有足夠的空間保證繼續(xù)鉆進(jìn)取心正常進(jìn)行;三是當(dāng)實(shí)際地層壓力超過預(yù)測(cè)值發(fā)生溢流時(shí)，在一定范圍內(nèi)，具有處理溢流的能力。羌塘地區(qū)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉆進(jìn)過程中坍塌、掉塊、漏失、縮徑等巖心鉆探技術(shù)難題經(jīng)常遇到，必須合理設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)，留足套管隔離復(fù)雜地層的口徑。所以，根據(jù)羌塘盆地所鉆巖石的物理、力學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)深度、傾角，鉆進(jìn)方法、鉆探設(shè)備的技術(shù)參數(shù)及水合物鉆探對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)的要求，羌塘盆地天然氣水合物鉆探試驗(yàn)井自2011年QK－1井的鉆孔結(jié)構(gòu)見圖5，3年來共完成鉆孔5個(gè)，均保證了鉆探順利實(shí)施。

4 施工注意事項(xiàng)

(1)采用高密度泥漿時(shí)，加強(qiáng)對(duì)泥漿密度的監(jiān)測(cè)，盡可能做到每回次測(cè)一次密度，記錄密度變化情況，隨時(shí)調(diào)整密度。泥漿循環(huán)系統(tǒng)必須及時(shí)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。進(jìn)行化學(xué)處理的同時(shí)，及時(shí)清除泥漿中的砂礫，保持泥漿性能穩(wěn)定。

(2)每次提大鉆時(shí)，必須每提3根鉆桿，正循環(huán)灌注泥漿，以保持一定的井內(nèi)液面，保持孔內(nèi)液柱壓力。采用全斷面鉆進(jìn)時(shí)，每一單根必須沖孔、劃眼，以保證孔底無沉砂，井徑規(guī)則。

(3)隨時(shí)注意鉆頭磨損狀況，以確保井徑一致，在更換新鉆頭時(shí)，提下鉆時(shí)要?jiǎng)蛩倬徛岱牛瑖?yán)禁猛提快下導(dǎo)致孔內(nèi)掉塊增加，避免在長(zhǎng)孔段掃孔時(shí)又造成鉆頭損壞而提鉆的惡性循環(huán)，同時(shí)避免發(fā)生頓鉆、夾鉆事故。下入套管時(shí)、要充分沖孔、并調(diào)整泥漿密度。套管下部應(yīng)帶套管引鞋，或套管下部收縮，遇阻后嚴(yán)禁開車。

5 結(jié)語

(1)根據(jù)陸地水合物生存的地質(zhì)條件及施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度、鉆探取樣施工的地層等具體情況，采用大直徑快速打撈不提鉆繩索取心鉆探技術(shù)，配合低溫泥漿護(hù)心的措施，有效地鉆取了水合物巖心樣品，滿足了地質(zhì)要求。為了解決坍塌、破碎及縮徑等復(fù)雜地層鉆進(jìn)施工困難的技術(shù)難題，總結(jié)出了對(duì)付上述困難的技術(shù)措施，較大幅度地提高了鉆探施工效率和取樣質(zhì)量。

(2)在泥漿配方及泥漿性能方面進(jìn)行了新的探索和研究，提出了不同泥漿性能配方，優(yōu)化了泥漿性能，為不同類型地層取樣鉆探提供了技術(shù)保障。

(3)海拔5000 m以上的羌南和羌北盆地組織施工隊(duì)伍進(jìn)行陸地凍土水合物調(diào)查評(píng)價(jià)取樣鉆探施工，鍛煉了隊(duì)伍，總結(jié)了高原凍土鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，為未來青藏高原凍土天然氣水合物實(shí)施大規(guī)模鉆探施工提供了保障。

(4)羌塘盆地天然氣水合物鉆探試驗(yàn)井工程項(xiàng)目實(shí)施幾年來，面對(duì)海拔高，施工難度大，地層極其復(fù)雜，特別是凍土層經(jīng)過反復(fù)凍融遇一般鉆井液易融化坍塌的特點(diǎn)，在泥漿耐低溫和護(hù)壁保心等方面進(jìn)行了不斷的試驗(yàn)研究，取得了一定的成效。

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