“雙孔方案”在滄州鹽礦深部取心鉆探的應用

景 龍， 李 偉， 崔國樹

(河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊，河北 滄州 061000)

“雙孔方案”在滄州鹽礦深部取心鉆探的應用

景 龍， 李 偉， 崔國樹

(河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊，河北 滄州 061000)

在滄州深部鹽礦普查項目中，施工完成的ZK002孔，500～3290 m孔段進行取心工作。鉆探過程中，設計了深、淺“雙孔方案”，分別采用地質(zhì)和石油鉆探設備，將常規(guī)巖心鉆探技術(shù)與鉆井取心技術(shù)組合，實現(xiàn)了兩類設備、不同取心工藝之間的優(yōu)勢互補，最終降低了施工風險、確保了鉆孔質(zhì)量、節(jié)約了施工成本、縮短了工期。

深部鉆探；取心技術(shù)；鹽礦普查

滄州深部鹽礦普查工作始于2012年。截止2016年底，已先后施工完成CY-1孔、ZK001孔、ZK002孔3個勘探孔，鉆孔深度均達到深及特深孔級別[1]。以滄州鹽礦普查鉆探工程為依托，我隊開展了滄州深部鉆探、大口徑鹽礦取心鉆進技術(shù)研究，通過對已完鉆孔的施工總結(jié)研究，指導后期取心工作。特別在2016年指導施工完成ZK002孔鉆探取心工作，采用了“雙孔方案”，將常規(guī)巖心鉆探技術(shù)與大口徑鉆井取心技術(shù)組合應用，最終鉆探深度3290.12 m，應用效果良好。

1 組合取心技術(shù)方案

1.1 鉆遇問題分析

以往完成了CY-1孔，孔深3000 m，取心段1650～3000 m；ZK001孔，孔深3451 m，取心段2300～3451 m。2016年計劃施工ZK002孔，設計500 m至終孔全部取心。這種超3000 m全孔段的鉆探取心工作，在工區(qū)內(nèi)尚屬首例，據(jù)以往經(jīng)驗，鉆進中將遇到如下問題。

(1)地質(zhì)條件復雜。工區(qū)是典型的新生界沉積盆地，勘探目的層為古近系沙河街組。區(qū)內(nèi)連續(xù)沉積了新生代各組地層，包括第四系、新近系的明化鎮(zhèn)組和館陶組、古近系東營組和沙河街組(甚至鉆達孔店組)等，不同時代成巖性的差異很大，縮徑、坍塌、漏失、溶蝕將是施工面臨的主要問題。在單孔內(nèi)完成500 m至終孔的全部取心工作，即要克服上述所有的施工問題，風險大大增加。

(2)鉆孔結(jié)構(gòu)設計困難。重視鉆孔結(jié)構(gòu)設計，是保證安全高效施工的關鍵[2]。按照常規(guī)技術(shù)思路，淺部為非穩(wěn)定地層，不同特性的地層需要套管層層護壁，每下一層套管孔徑即要小一級，終孔要求礦層取心直徑達到90 mm以上，如此計算，開孔直徑需要很大，需要不斷地取心再擴孔、下套管，如此施工難度倍增。

(3)工期難以保證。全孔段的深部鉆探取心，施工速度慢，2016年內(nèi)很難完工。

(4)資金難于確保。由于地質(zhì)條件、工期、施工難度等綜合因素的影響，按照CY-1孔、ZK001孔的全孔段大口徑鉆井取心方法施工，勘探經(jīng)費明顯不足。

1.2 技術(shù)方案

1.2.1 取心方式選擇

借鑒目前類似工程，獲取巖心的方式可采用繩索取心及提鉆取心。分析了河南鹽礦繩索取心方法[3-4]發(fā)現(xiàn)，其取心直徑無法滿足我們目的層巖心直徑要求。大口徑繩索取心的應用在鈾礦深鉆、科鉆一井等[5-7]工程均有應用，多數(shù)均是成巖性較好的地層，地層固結(jié)、孔壁穩(wěn)定。與工區(qū)地層相近的大口徑繩索取心方法，在河北趙縣地熱井施工中有所應用，然進尺短、打撈頻繁，影響施工效率[8]。即使下部成巖段使用繩索取心方式，上部的松散半膠結(jié)層仍需下套管護壁，會提高護壁成本；購置滿足巖心直徑要求的大口徑繩索取心鉆具，其強度及鉆機的提升能力都是問題，且鉆具價值不菲。綜合比較，采用繩索取心的方式不可行，因此選用提鉆取心。該方法在石油天然氣鉆井取心、鹽礦取心中廣泛應用[9-13]，且在CY-1孔[14]、ZK001孔取心施工中已成熟應用。

1.2.2 組合取心技術(shù)選擇

確定了提鉆取心方式，即要考慮在此方式前提下提高施工效率的問題。參考科鉆施工案例[6,15-17]，我們也設計采用了雙孔方案。雙孔方案即由2臺鉆機同時施工，共同完成ZK002孔取心工作，在淺部500～2000 m取心由常規(guī)巖心鉆機完成，該段施工非目的層，對巖心直徑無特殊要求，取心直徑可適當減小，常規(guī)巖心鉆機即可完成。2000 m至終孔為近目的層孔段，因巖心直徑的特殊要求，需使鉆孔口徑增加、孔深增加，采用大功率石油鉆機完成。因此ZK002孔設計成ZK002-1主孔(深部)和ZK002-2副孔(淺部)，深、淺鉆孔間距59 m,在同一場地同時施工，將大口徑鉆井取心與常規(guī)小口徑鉆探取心技術(shù)進行組合應用，完成取心任務。雙孔孔身結(jié)構(gòu)見圖1。

1.3 可行性分析

綜合分析，采用雙孔取心方案可降低單孔長段取心所遇的地質(zhì)風險，簡化鉆孔結(jié)構(gòu)，以確保工期，降低成本，切實可行。

圖1 ZK002孔孔身結(jié)構(gòu)示意圖

(1)雙孔方案完全滿足目的層內(nèi)巖心直徑(>90 mm)的要求。

(2)淺部2000 m以淺采用常規(guī)小口徑取心鉆進，比采用大功率石油設備鉆井取心可明顯節(jié)約成本[16]。

(3)深、淺2孔同時施工，施工速度明顯提高，可確保工期。

(4)取心段不同，選用設備不同，最大限度地發(fā)揮了設備優(yōu)勢。

(5)施工安全得到了保證。風險較高的主孔，取心段縮短，2000 m以淺段采用全面鉆井工藝，快速穿過松散層，其成孔質(zhì)量可靠，能夠為下部目的層取心創(chuàng)造優(yōu)良的鉆孔條件。將上、下孔段分開，主孔可以借鑒CY-1孔、ZK001孔以及石油鉆井取心的施工經(jīng)驗，副孔取心可借鑒以往工區(qū)內(nèi)2000 m以淺的地質(zhì)取心經(jīng)驗，相對施工風險大幅降低。

2 施工工藝

2.1 施工機具

主要施工設備型號及參數(shù)見表1。

表1 鉆探取心機具

注：ZK002-1孔選擇慶申-98-Ⅱ型取心筒，為單動雙管結(jié)構(gòu)，巖心筒外筒?180 mm×144 mm×18 mm(外徑×內(nèi)徑×壁厚)，內(nèi)筒?127 mm×112 mm×7.5 mm，單節(jié)筒9 m左右。

2.2 施工關鍵技術(shù)概述

2.2.1 主孔施工

2.2.1.1 長筒取心

采用雙節(jié)筒取心，力求提高回次進尺。經(jīng)統(tǒng)計，主孔取心段內(nèi)進尺達到16 m以上的為56個回次，達到8～16 m的23個回次，8 m以下僅13個回次(多數(shù)為機械故障)，滿管取心占絕對優(yōu)勢，一定程度上提高了施工效率，且?guī)r心呈完整柱面，主孔巖心見圖2，實測巖心直徑為95～98 mm。

圖2 主孔巖心

2.2.1.2 鉆頭優(yōu)選

合理選擇鉆頭類型，以適應不同的地質(zhì)層段。經(jīng)過幾年來在滄州深部鉆探施工經(jīng)驗總結(jié)，將工區(qū)內(nèi)揭露的地層劃分為若干層段單元，適應不同層段[18]，定型了薄片硬質(zhì)合金、大小齒PDC復合片等4種類型的鉆頭，根據(jù)每個回次取心鉆速、鉆頭切削刃磨損情況及時進行鉆頭選型。

2.2.1.3 充分發(fā)揮泥漿護壁作用

主孔從開孔的松散層逐步鉆穿至微膠結(jié)、半膠結(jié)、膠結(jié)性砂泥巖、鈣質(zhì)泥巖、石膏泥巖、石膏鹽巖等地層，各段地層不穩(wěn)定因素不同。我們采用了四段式的泥漿體系[19-20]，最終確保了長裸眼段孔壁的穩(wěn)定，各段性能見表2主孔分段泥漿性能一覽表，同時按照鉆井工藝常規(guī)技術(shù)要求，采用振動篩、除砂器、離心機三級固控，確保泥漿性能穩(wěn)定。

2.2.1.4 鉆進參數(shù)優(yōu)化

由于鉆遇地層各段成巖特征具有較大區(qū)別，表現(xiàn)在鉆進特性上的不同。經(jīng)在典型孔段內(nèi)反復試驗調(diào)整，最終確定了最優(yōu)鉆進規(guī)程，主孔取心鉆進參數(shù)詳見表3。

2.2.1.5 動力改造

為降低施工成本，將用于主孔施工的石油鉆機進行動力改造，原出廠配套的2臺1000 kW 195柴油機動力，改造成由2臺355kW電動機并車的動力輸入方式，同時保留一臺柴油機動力備用。通過施工檢驗，這種改造可以滿足深部鉆井取心期間小泵量、低鉆壓、低轉(zhuǎn)速的運轉(zhuǎn)工況。動力改造后，大幅降低了設備的動力費用。參考CY-1孔施工期間柴油動力耗油量，折合2016年柴油價格，同樣鉆機月均電動力費用僅是柴油機動力費用的36%。

表2 主孔分段泥漿性能

表3 主孔取心鉆進參數(shù)

注：本表只統(tǒng)計取心鉆進孔段，以沙河街組地層為主；鉆頭外徑為215.9 mm(8in)，內(nèi)徑101 mm；平均鉆速=該孔段內(nèi)鉆進長度m/純鉆時間h。

2.2.2 副孔施工

2.2.2.1 孔斜控制

副孔施工雖然也是采用鉆鋌加壓的方式，但由于整體加重鉆具細，其剛度遠不及主孔鉆具，因此孔斜控制是難題。通過鉆進過程測斜檢測，頂角偏斜較大的孔段往往發(fā)生在塑性較強的層段內(nèi)，例如鉆進至1350～1370 m段時，頂角由8.5°突增至12.0°，該處正處于進尺極慢的大段泥巖層內(nèi)。最終導致該孔在鉆進至1069、1508 m時進行了糾斜。塑性層段現(xiàn)場主要以增加鉆具剛度、控制鉆壓為主，增加?105 mm鉆鋌，控制鉆壓上限不超鉆鋌懸量的70%，同時加長巖心管，利用粗徑鉆具的導正作用確保鉆孔垂直度。

2.2.2.2 水敏性泥巖段取心質(zhì)量控制

工區(qū)1800 m以淺地層(明化鎮(zhèn)組和館陶組)成巖性差，富含大段水敏性地層，其鉆進特性是鉆速低、孔壁坍塌，取心質(zhì)量差。分析認為，因采用單管取心鉆具，在鉆速較低時，單回次鉆進時間的增長加劇了泥漿對巖心的沖蝕，加之成巖性較差，導致巖心表面沖蝕呈溝槽，嚴重時不成柱狀，而鉆速較快的回次不存在此現(xiàn)象。改進措施主要是以取出的巖心質(zhì)量為標準，嚴格控制回次純鉆時間。通過在750～1659 m不同深度鉆進試驗，一般回次純鉆時間控制在2～3 h時即可保證巖心質(zhì)量。以純鉆時間來控制回次進尺，使取心質(zhì)量得到了提高。而非水敏性孔段，進尺放寬。

2.2.2.3 單、雙管鉆具的應用

在單管取心質(zhì)量較差的孔段，參考類似案例[21]，試驗性地應用了單動雙管鉆具。對比1195～1361 m(對應150～200回次)段內(nèi)單、雙管鉆具取心情況，單、雙管取心效率對比見圖3，可見單動雙管鉆具取心鉆進機械鉆速普遍較低。在該段內(nèi)統(tǒng)計單管取心42個回次，平均采取率95%，雙管取心9個回次，平均采取率94%，取心質(zhì)量相近，因此淺孔內(nèi)未普遍采用。雙管鉆進取心方法還有待以后進一步完善并研究試用。

注：單動雙管取心分別是154、155、156、157、189、190、193、194、196回次，累計9個，其余為單管取心。

圖3單、雙管取心效率對比圖

2.2.2.4 泥漿固控

鉆進中地層造漿嚴重，泥漿質(zhì)量的控制很關鍵，機臺雖配備了振動篩、除砂器，但在局部孔段鉆進期間，泥漿密度仍居高不下?，F(xiàn)場采用定期排漿的方法，力求降低泥漿固相，以提高鉆進效率。施工期間一般泥漿性能控制范圍：馬氏漏斗粘度35～40 s、密度1.10～1.25 g/cm3、失水量10～15 mL/30 min，該性能范圍基本可滿足正常鉆進效率。施工時重點關注密度指標，在現(xiàn)有固控措施下，密度超限時，即考慮排漿措施。

2.3 取心技術(shù)對比

通過ZK002孔深、淺孔段鉆探實踐，對兩類工藝效果進行對比。以2012年CY-1孔所用的鉆井取心工藝與2016年ZK002-2孔常規(guī)巖心鉆探取心工藝進行比較，同樣鉆進1650～2000 m段，兩類方法施工效率、質(zhì)量效果數(shù)據(jù)見表4。就本工程而言，對比兩類工藝，取心效率相近。巖心鉆機與石油鉆機相比，施工成本明顯降低，因此2000 m以淺采用常規(guī)巖心鉆探取心工藝是合理的。

以ZK002孔施工期間所獲得的施工數(shù)據(jù)，對比兩類鉆機所代表的兩種取心方法優(yōu)劣勢，見表5。

表4 取心效果對比

表5 取心方法優(yōu)劣勢對比

通過雙孔方案的實施，可見2種取心工藝在滄州深部鉆探中可以優(yōu)勢互補。

3 結(jié)論及認識

通過在ZK002孔中鉆井取心和小口徑鉆探取心工藝的應用，獲得了以下認識體會。

(1)把大口徑鉆井取心方法與小口徑巖心鉆探取心方法組合，應用于工區(qū)的深部鉆探，深、淺結(jié)合，發(fā)揮了各自設備、工藝優(yōu)勢，方法可行，可以確保質(zhì)量，有利于降低成本。

(2)在深部全孔段取心作業(yè)中，雙孔方案明顯降低了施工風險，提高了施工效率。

(3)四段式的泥漿護壁工藝適合滄州工區(qū)深部鉆探施工，可以滿足大口徑取心要求。

(4)對于工區(qū)內(nèi)連續(xù)大段水敏性地層的特性，鉆進效率偏低，還需繼續(xù)完善鉆進技術(shù)、探索新的鉆進方法。

(5)淺孔段內(nèi)雙管鉆具應用不成功，還需進一步試用研究。

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ApplicationofDouble-holeDesigninDeepCoringDrillinginCangzhouSaltMine

/JINGLong,LIWei,CUIGuo-shu

(Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources No.4 Hydrological Engineering Geology Team, Cangzhou Hebei 061000, China)

In Cangzhou deep salt mine survey project, coring in 500～3290m section of the completed ZK002 was carried out. Deep and shallow double-hole was designed and geological and petroleum drilling equipments were used respectively. The conventional core drilling technology and drilling coring technology were combined to realize the complementary advantages of 2 types of equipment and different coring processes, the construction risk reducing, drilling quality ensuring, construction cost saving and construction period shortening.

deep drilling; coring technology; salt mine survey

2017-02-21；

2017-10-08

滄州市科技局項目“滄州深部鉆探技術(shù)研究”(編號：151305001)；河北省地礦局科技項目“滄州深部大口徑鹽礦鉆進技術(shù)研究”(編號：454-0601-YBN-MU6P)

景龍，男，漢族，1978年生，探礦工程專業(yè)，從事鉆探及鉆井技術(shù)和管理工作，河北省滄州市新華區(qū)蔡御街，jing_longd@163.com。

P634

B

1672-7428(2017)11-0016-05