三層管底噴取心鉆具在海相第四系和新近系中的應(yīng)用

宋世杰，張英傳，田志超，欒國棟

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院，山東煙臺264004)

三層管底噴取心鉆具在海相第四系和新近系中的應(yīng)用

宋世杰，張英傳，田志超，欒國棟

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院，山東煙臺264004)

在海相第四系和新近系地層中鉆進(jìn)存在流塑、軟塑等淤泥地層取心困難，砂層中堵心、被沖刷、樣品擾動等現(xiàn)象時有發(fā)生。針對上述問題，設(shè)計了三層管底噴取心鉆具，并在施工中加以改進(jìn)。通過在南黃?？沏@CSDP－2孔第四系、新近系中施工驗證，證明該鉆具具有很好的取心效果。

大陸架科學(xué)鉆探;南黃海;三層管取心鉆具;第四系和新近系取心

0 引言

CSDP－2井是“大陸架科學(xué)鉆探”項目的首個2000 m深鉆孔，也是南黃海盆地中部隆起3萬多平方千米的廣大地區(qū)內(nèi)第一口科學(xué)深井。鉆探目的是鉆穿新近系，獲取完整的新近系地層記錄，建立南黃海中部隆起新近系以來的地層格架，為研究南黃海新近系以來的高分辨率地層層序、沉積歷史、海平面變化和古氣候變化等提供基礎(chǔ)資料;同時，對深入研究晚上新世以來中國(亞洲)東部宏觀環(huán)境演化、亞洲內(nèi)陸干旱化的耦合關(guān)系以及黃河巨型水系發(fā)育等重大科學(xué)問題奠定基礎(chǔ)。

1 項目概況

1.1 鉆井位置

鉆井位于南黃海廢黃河口外海域，距離海岸線最近約100 km，位于連云港以東約170 km、射陽河口東北約110 km位置(見圖1)。

圖1 鉆井位置

1.2 區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)

據(jù)石油鉆井資料與多道地震資料分析，南黃海新近系廣泛發(fā)育，厚度變化較大。在南黃海南北兩個坳陷中，由于受控坳(凹)邊界斷裂新近系的繼承性活動，新近系發(fā)育較厚，最厚超過1000 m;中部隆起區(qū)新近系厚度相對較穩(wěn)定，平均在350 m左右;在東部火成巖發(fā)育的隆起上，由于基底新近系的持續(xù)隆起，新近系相對較薄，個別地段甚至缺失，僅接受早更新世晚期以來的沉積。勿南沙隆起區(qū)新近系普遍發(fā)育，厚度變化大，總體東厚西薄。

南黃海海域第四系，平均厚度在250～300 m。單道地震剖面顯示在南黃海北部坳陷存在一個第四系沉降中心，最厚超過450 m;中部隆起區(qū)、南部盆地和勿南沙隆起區(qū)厚度相對穩(wěn)定，平均在260 m左右。

區(qū)域構(gòu)造特征研究認(rèn)為，漸新世末經(jīng)過三垛運(yùn)動的擠壓隆升后，太平洋構(gòu)造域貝尼奧夫帶向東后退俯沖，斷裂活動減弱，代之以區(qū)域性的下降。南黃海結(jié)束了斷陷盆地的發(fā)展，進(jìn)入?yún)^(qū)域沉降階段，開始了新近系坳陷發(fā)展時期。

1.3 設(shè)計要求及遇到的問題

(1)地質(zhì)設(shè)計要求高。終孔直徑≮95 mm;巖心直徑≮60 mm;全孔巖心采取率≮85%，確保巖心不被擾動等。

(2)由于該井位于南黃海盆地中部隆起區(qū)域，水下是三角洲和沖積扇，海底之下為淤泥質(zhì)、粉砂、細(xì)砂與泥質(zhì)沉積物，第四系和新近系厚600余米，局部流塑、軟塑取心困難。

2 對取心鉆具的性能要求

根據(jù)該區(qū)域的地層情況，針對海底覆蓋層淤泥質(zhì)、粉砂、細(xì)砂與泥質(zhì)沉積物，局部流塑、軟塑取心困難的情況，對取心鉆具的性能提出了以下要求:

(1)在鉆進(jìn)過程中巖心須能夠順利進(jìn)入巖心管;

(2)防止巖心被沖刷;

(3)防止出現(xiàn)因堵、卡造成巖心損耗的現(xiàn)象;

(4)鉆進(jìn)、起鉆取心過程中能有效地保護(hù)巖心，防止巖心脫落;

(5)對樣品的擾動程度小，退心時不使巖心散落，保持巖心的原狀性;

(6)結(jié)構(gòu)簡單，出心便捷。

3 三層管底噴鉆具的設(shè)計

根據(jù)上述要求，設(shè)計了三層管底噴鉆具，如圖2所示。

3.1 PVC三層管結(jié)構(gòu)

圖2 三層管底噴鉆具結(jié)構(gòu)

圖3 三層管取心

鉆具內(nèi)襯第三層PVC管，在鉆進(jìn)過程中可以避免巖心擾動，PVC管易于巖心進(jìn)出，減少堵、卡心及巖心損耗;退心時PVC巖心管便于從內(nèi)管中取出(見圖3)，可防止退心時由于樣品的散落而引起的層序顛倒，保持樣品的原生結(jié)構(gòu)不受破壞。

3.2 超前隔液卡簧座結(jié)構(gòu)

為防止沖洗液對巖樣的沖刷，采用了超前隔液卡簧座(圖4)，該卡簧座無水口，并適當(dāng)超前，配合階梯狀鉆頭，可有效防止巖樣根部的沖蝕。

3.3 攔簧結(jié)構(gòu)

在松散軟地層中取心，卡簧取心和卡料取心法都無法發(fā)揮作用。常用的干燒取心方法效果也十分有限，同時干燒法取心會破壞鉆頭部位巖心的原生結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生巖心脫落，導(dǎo)致取心失敗。為此，采用了攔簧結(jié)構(gòu)。攔簧由12～16片0.3～0.4 mm厚的薄簧片組成，由于其對巖心管的封閉性較普通卡簧更可靠，所以在松散軟地層鉆進(jìn)時，可以很好地提高巖心采取率。鉆進(jìn)過程中巖心頂壓攔簧，攔簧張開，巖心進(jìn)入PVC內(nèi)，回次結(jié)束，攔簧在自身彈力作用下收縮護(hù)住巖心，使巖心在提鉆時不會脫落，確保巖心不丟失。采用的攔簧如圖5所示。

圖4 超前隔液卡簧座

圖5 攔簧

3.4 配套底噴鉆頭

底噴鉆頭減輕了沖洗液流經(jīng)鉆頭底面時對巖心的沖刷，有利于提高巖心采取率。結(jié)構(gòu)形式有多種類型，圖6為項目中使用的復(fù)合片和硬質(zhì)合金底噴鉆頭。

4 三層管鉆具的實際應(yīng)用

鉆孔施工前期進(jìn)行了海底井場調(diào)查，為搭建鉆井平臺及海上工作場所提供依據(jù)，施工中采用HXY－8型鉆機(jī)，并聯(lián)使用2臺BW300型泥漿泵，配備有s4000繩索取心絞車及擰管機(jī)。

圖6 底噴鉆頭

針對上部軟沉積物中的淤泥、砂層、粘土等地層的流塑、軟塑、松散、縮徑的情況，選用海水—膨潤土鉆井液體系;采用復(fù)合片和硬質(zhì)合金底噴鉆頭的三層管鉆具取心鉆進(jìn)方法。

鉆探施工自2015年3月29日開工(之前已打入50 m ?300 mm隔水管至孔口)，2016年9月13日完井，完井井深2843.18 m。一開采用?175 mm三層管取心鉆具及底噴鉆頭進(jìn)行取心鉆進(jìn)作業(yè)，完成井深154.74 m。然后采用?255 mm全面鉆頭擴(kuò)孔，下入?219 mm套管152.15 m，采用常規(guī)密度水泥體系固井并安裝了防噴器。二開同樣采用?175 mm三層管取心鉆具及底噴鉆頭進(jìn)行取心鉆進(jìn)作業(yè)，完成井深629.10 m。該段地層巖心平均采取率高達(dá)91.7%。第四系和新近系海相沉積層鉆進(jìn)取心施工也已完成，并已通過委托方組織的專家驗收，質(zhì)量優(yōu)秀。

5 施工中取心操作技術(shù)要點(diǎn)

(1)裸眼段復(fù)雜地層時，應(yīng)放慢提、下鉆速度;

(2)提升鉆具時，均須向孔內(nèi)回灌一定量的沖洗液，控制井內(nèi)液面高度變化;

(3)鉆進(jìn)時，鉆壓變化幅度應(yīng)控制在5 kN之內(nèi)，注意控制泵量;

(4)采用外徑加大的鉆頭，增大環(huán)狀間隙，減小泵壓和抽吸作用，有利于井壁穩(wěn)固，減少漏失和提高取心效果;

(5)當(dāng)鉆進(jìn)到巖心內(nèi)管長度或發(fā)生巖心堵塞時，應(yīng)立即提鉆撈取巖心;

(6)取心時，拆開內(nèi)管，用鉗子輕輕拉出內(nèi)管內(nèi)的PVC管，切勿猛力拉出，以免形成抽吸，擾動PVC管內(nèi)的巖心;

(7)取出巖心后，應(yīng)清洗并檢查內(nèi)管總成，然后重新組裝起來，經(jīng)過檢查認(rèn)為合格后，方可再用。

6 巖心的保存

三層管取心鉆具鉆取的巖心便于保存和保證巖心的原樣性。每個回次取心時，取出裝有樣品的PVC管，經(jīng)地質(zhì)和監(jiān)理人員確認(rèn)未受泥漿污染，并清除假樣后，截掉多余的PVC管，兩頭封蓋，然后根據(jù)有關(guān)要求進(jìn)行標(biāo)記、編錄和保存。PVC管及封存的巖心樣品見圖7。

圖7 巖心編錄保存

7 結(jié)語

針對海相第四系巖層的取心要求，設(shè)計了三層管底噴取心鉆具。經(jīng)在南黃海大陸架科學(xué)鉆探CSDP－2號井的應(yīng)用證明，該鉆具是一種方便實用、取心性能優(yōu)良的取心工具。三層管取心鉆具的應(yīng)用，大大提高了第四系、新近系極其松散地層的巖心采取率，并降低對松散巖心的擾動，保證了巖心的完整性與原狀性。

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Application of Sampling Drilling Tools of Three Layer Pipes in the Marine Quaternary System

/SONG Shi-jie，ZHANG Ying-chuan，TIAN Zhi-chao，LUAN Guo-dong(No.3 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources of Shandong Province，Yantai Shandong 264004，China)

If wanting to get the ideal coring effect in the quaternary system and neogene，you must overcome the coring difficulties during drilling in flow model，RuanSu silt stratum，which are core block，washing out and disturbed samples etc.in the sand，Three layer tube coring drilling tool with bottom jet bit is mainly designed for quaternary loose and neogene，weak formation coring drilling and the structure is improved during drilling.The drilling tool is tested in the East China Sea the CSDP－2 holes in the quaternary，and it shows that the newly improved structure of the drilling tool could obtain the very good coring effect.

continental scientific drilling;south Huanghai Sea;sampling drilling tools with three layer tube;coring in Quaternary

P634.4+3

A

:1672－7428(2017)03－0010－04

2016－07－19;

2016－12－13

國家專項基金項目“大陸架科學(xué)鉆探”(編號:GHZ201100202)

宋世杰，男，漢族，1966年生，高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事地質(zhì)巖心鉆探和基礎(chǔ)施工技術(shù)工作，山東省煙臺市芝罘區(qū)機(jī)場路271號，syssj888@163.com。