礦鹽地層水平定向鉆進(jìn)對接技術(shù)應(yīng)用

劉玉仙， 丁冠濤， 曹光明， 孫中瑾， 劉玉想， 韓　昱， 高　帥，2， 姬晟翔

(1.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014； 2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061； 3.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250021)

0　引言

在過去的鉆孔采鹽時(shí)，一直采用單井對流水溶采鹵法開采，這種采鹵技術(shù)存在較多的缺點(diǎn)，如礦產(chǎn)回采率不足20%，鹵井壽命短，產(chǎn)量低，采出的鹵水濃度低而且不穩(wěn)定等[1-2]。海晶鹽化項(xiàng)目中采用了雙井對接連通水溶采鹵法，即采用定向鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩井對接成功后用清水循環(huán)的采鹽方式。與單井對流采鹵相比，對接井采鹵具有投產(chǎn)快、成本低、鹵水產(chǎn)量大、濃度高等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。

該項(xiàng)目實(shí)施中，首先對水平鉆井軌跡進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，為鉆探施工提供依據(jù)。鉆井區(qū)需要穿過復(fù)雜的地層，在非含鹽地層鉆進(jìn)階段，通過合理使用鉆井液，以及鉆進(jìn)工藝的技術(shù)調(diào)整，保障了鉆井工程的順利實(shí)施；在含鹽礦段地層鉆進(jìn)及時(shí)替換為鹵水鉆井液井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵。水平對接階段，通過MWD無線測斜儀技術(shù)實(shí)時(shí)測量井斜角，進(jìn)而通過旋轉(zhuǎn)鉆桿，改變螺桿鉆具方向調(diào)整鉆探方向，使鉆井軌跡朝向靶區(qū)方向前進(jìn)，在臨近靶區(qū)位置使用旋轉(zhuǎn)磁鐵測距系統(tǒng)(RMRS)精確測量鉆井方向和位置，保證中靶作業(yè)的成功。

1　工程概況

該礦區(qū)的地表為第四系所覆蓋，地表下部為古近系(大汶口組上段與大汶口組中段連續(xù)沉積)，在大汶口組中段的上部為巖鹽段，巖鹽段主要為硬石膏巖和巖鹽互層，組成了很多Ⅲ級韻律層。巖鹽層中上部夾雜鹵石巖、鈣芒硝巖和鈉鎂巖鹽，局部夾無水釩礦層。厚度298.87～345.68 m。在區(qū)塊內(nèi)共見礦29層，其中第31、32層未見，第1、14、17、29和30層只局部可見，其他礦層均在全區(qū)塊范圍內(nèi)展布。在礦層內(nèi)單層厚度最大者16.49 m，最小厚度0.79 m，各礦層厚度相差較大，但每個(gè)礦層厚度在區(qū)塊內(nèi)相對比較穩(wěn)定，變化系數(shù)絕大多數(shù)在10%以內(nèi)，只有個(gè)別礦層變化較大，而這些礦層的厚度也相對較薄，如第3、4、6、18和20層；厚度比較大的礦層如第7、15、21、25層等非常穩(wěn)定。

本工程來源山東肥城海晶鹽化有限公司，其目的對礦鹽地層開采，共設(shè)計(jì)鹵井8組，井號分別為H1/H2、H3/H4、H5/H6、H7/H8、H9/H10、H11/H12、H13/H14、H15/H16、H17/H18，每組包括一口豎直井和一口水平井。以H17/H18井為例，如圖1所示，先施工豎直井H18作為開采井，然后施工水平井H17井，井底與H18井連通后作為注水井，形成一個(gè)井下礦鹽“溶解式”開采通道，其開采原理為：向H17井中注入常溫淡水或者不飽和鹽水，溶解鹽礦地層中的礦鹽，經(jīng)H18井流出地層后，進(jìn)行鹽、水析出分離，分離后的水可再次注入H17井，實(shí)現(xiàn)循環(huán)開采。

圖1　H17/H18對井示意圖

2　水平井設(shè)計(jì)

2.1　鉆井區(qū)地層

鉆井區(qū)各地層依次是：0～40 m為第四系粘性土、沙土；40～1124 m為泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、石膏；1124～1469 m為含鹽礦段，主要巖性為巖鹽、石膏、泥質(zhì)灰?guī)r，該礦段共見巖鹽礦層29層，自下向上編號為地1、2、…、29礦層，厚度最大者16.49 m，最小0.79 m。本項(xiàng)目目標(biāo)開采礦層為第7礦層，其傾角為7.4°，厚度為9.9 m，根據(jù)H18井揭露的地層，第7礦層中心埋深1228.7 m(標(biāo)高-1318.5 m)。地層柱狀圖如圖2所示。

圖2　H18井地層柱狀圖

2.2　水平井鉆井軌跡設(shè)計(jì)

假設(shè)鉆井軌跡為平面軌跡，如圖3所示，H17/H18設(shè)計(jì)井距280 m、造斜頂角0°，目標(biāo)開采層為厚度為9.9 m的第7礦層，礦層傾角為7.4°，因此設(shè)計(jì)水平段井斜角為90°-7.4°=82.6°可以完全順著礦層中靶，開采時(shí)溶解面積最大。最優(yōu)靶點(diǎn)C位置為在第7礦層中心面與靶井H18交點(diǎn)，即H18井深1228.7 m處(標(biāo)高為-1318.5 m)。

圖3　鉆井造斜軌跡設(shè)計(jì)圖

各軌跡參數(shù)[6]可由以下公式計(jì)算。

造斜半徑：

R=1/k

(1)

造斜段長度：

L1=(2πR/360)×83.2°

(2)

造斜段垂直距：

(3)

水平段垂直距：

H2=L2sin7.4°

(4)

水平井造斜段水平距：

(5)

水平井水平段水平距：

S2=L2cos7.4°

(6)

鉆井總水平距：

S=S1+S2=280 m

(7)

式中：k——鉆井造斜率，(°)/m；R——造斜半徑，m；L1——造斜段長度，m；L2——水平段長度，m；H1——造斜段垂直距，m；H2——水平段垂直距，m；S1——水平井造斜段水平距，m；S2——水平井水平段水平距，m；S——水平井水平段水平距，m。

使用螺桿鉆具單彎為1.50°鉆具造斜時(shí)，造斜率k=0.4°/m=1/143.24 rad/m。將造斜率k帶入公式(1)～(7)得：R=143.24 m，L1=208.00 m，L2=155 m，H1=142.23 m，H2=19.88 m，H=155 m，S1=126.28 m,S2=153.72 m。可求得造斜段A標(biāo)高：-1318.5+H1+H2=-1156.39 m。造斜段計(jì)劃采用?177.8 mm的套管，曲率半徑設(shè)計(jì)值范圍是120～150 m，滿足設(shè)計(jì)要求[7]。

根據(jù)計(jì)算可知，H17井垂直井段鉆至標(biāo)高-1156.39 m時(shí)使用單彎1.5°螺桿鉆具定向造斜，預(yù)計(jì)造斜鉆進(jìn)208.00 m時(shí)，以井斜角82.6°水平鉆進(jìn)155 m時(shí)可實(shí)現(xiàn)與豎直井H18井在標(biāo)高-1318.5 m處實(shí)現(xiàn)對接連通。

3　水平對接井施工

3.1　主要設(shè)備

(1)GZ-2600型工程鉆機(jī)。該鉆機(jī)為轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)，最大提升力100 kN，最大扭矩25 kN·m，滿足鉆進(jìn)過程中提升力和扭力要求。

(2)RL3NB500型泥漿泵。該泥漿泵可以滿足螺桿鉆進(jìn)過程中的高泵量、泵壓要求。

(3)MWD無線隨鉆測斜儀(如圖4所示)。鉆進(jìn)過程中，MWD探管將井底鉆進(jìn)參數(shù)通過鉆井液傳輸至地面，通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將鉆井液脈沖信號進(jìn)行解析后反饋給軌跡控制人員。軌跡控制人員根據(jù)井下鉆進(jìn)情況，通過采用滑動(dòng)鉆進(jìn)、復(fù)合鉆進(jìn)、調(diào)整工具面、選擇鉆具造斜率等手段進(jìn)行鉆孔軌跡的控制[8]。

圖4　MWD無線隨鉆測斜儀

(4)螺桿鉆具。螺桿鉆具可以通過鉆井液驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，將扭矩傳動(dòng)給鉆頭實(shí)現(xiàn)孔底定向鉆進(jìn)。螺桿鉆具單彎具有1.50°角度，可以用來實(shí)現(xiàn)鉆孔造斜，實(shí)現(xiàn)靈活控制鉆井軌跡。

(5)RMRS對接儀器。旋轉(zhuǎn)磁鐵測距系統(tǒng)(RMRS)包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁性接頭(磁信號發(fā)射單元)，位于鉆頭和馬達(dá)之間，接頭內(nèi)部由磁性很強(qiáng)的稀土永磁制成，在隨鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生交變磁場。產(chǎn)生的磁場由位于附近有效范圍內(nèi)的目標(biāo)井中的有線測量探管(磁接收單元)測量，探管中的磁場傳感器感應(yīng)出磁場強(qiáng)度的變化，從而提供關(guān)于探管與鉆頭之間距離和方位的數(shù)據(jù)，進(jìn)而引導(dǎo)其與靶點(diǎn)精確對接，提高對接成功率，圖5為RMRS精準(zhǔn)對接示意圖。

圖5　RMRS精準(zhǔn)對接示意圖

水平井鉆井主要設(shè)備見表1。

表1　主要設(shè)備配備

3.2　主要鉆井技術(shù)參數(shù)

H17井水平鉆井技術(shù)參數(shù)如表2所示,H17水平井鉆具組合情況如表3所示。

表2　H17井各井段鉆進(jìn)參數(shù)

表3　H17井鉆具組合

3.3　施工過程

一開0～55.22 m段：采用?346.1 mm鋼齒牙輪鉆頭開孔，鉆至井深55.22 m后提鉆，下入?273 mm×8.89 mm表層套管55.22 m，并使用普通硅酸鹽42.5號水泥固井止水。

二開55.22～1429.00 m段：直井段采用?215.9 mm牙輪鉆頭鉆至造斜點(diǎn)井深1239.00 m(標(biāo)高-1150.10 m)。造斜段采用?215.9 mm鑲齒牙輪鉆頭+1.5°/?165 mm螺桿馬達(dá)組合造斜鉆具，使用MWD隨鉆測斜儀實(shí)時(shí)測量并控制造斜鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至井深1429.00 m，最終下入?177.8 mm×9.19 mm生產(chǎn)套管全長1426.00 m，使用G級油井水泥固井。

三開1429.00～1610.70 m段：采用?152.4 mm鑲齒牙輪鉆頭+1.5°/?120 mm螺桿馬達(dá)造斜組合鉆具，使用MWD隨鉆測斜儀實(shí)時(shí)測量并控制造斜鉆進(jìn)。

在距離靶點(diǎn)還有50 m左右時(shí)，使用RMRS對接儀器。提鉆在鉆頭和馬達(dá)之間下入一個(gè)磁信號發(fā)射單元。在H18井溶腔中下入磁接收單元，精確測出定向孔軌跡的偏斜角度和方位，及時(shí)調(diào)整軌跡，鉆至井深1610.70 m與H18井對接連通成功。施工現(xiàn)場如圖6所示。

圖6　施工現(xiàn)場

3.4　中靶施工效果評價(jià)

H17井鉆井軌跡水平投影圖如圖7所示，可以看出，在直井段鉆進(jìn)過程中，鉆井出現(xiàn)了一定程度西偏移和北偏移，在造斜及水平段鉆進(jìn)過程中，鉆井軌跡比較粗糙、一直朝向東側(cè)靶區(qū)方向前進(jìn)，最終與溶腔相交。表明在鉆進(jìn)過程中，鉆井軌跡經(jīng)過了多次技術(shù)調(diào)整，使鉆井軌跡保持正確方向前進(jìn)，在鉆至靶井H18附近，H17井軌跡與H18井溶腔靶區(qū)連通，成功中靶，最終實(shí)現(xiàn)對接井成功連通。

H17井定向鉆井自2015年3月1日開始，2015年3月31日鉆至靶區(qū)，完成鉆探工作量1610.70 m。水平段井斜角82.6°，水平穿越第7礦層159.8 m，水平鉆進(jìn)過程中從未偏離礦層，保證第7礦層礦產(chǎn)資源得到最大程度開發(fā)利用。鉆進(jìn)至1610.70 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)井口不返漿，泥漿泵正常工作，說明水平井成功鉆到靶區(qū)，實(shí)現(xiàn)兩井連通。整個(gè)定向施工過程遵循安全生產(chǎn)原則，嚴(yán)格把控工程質(zhì)量，沒有出現(xiàn)人身安全、儀器設(shè)備及任何井內(nèi)事故。

圖7　H17井軌跡水平投影圖

4　主要難點(diǎn)和技術(shù)對策

H17井鉆探對接距離遠(yuǎn)，且需要穿越多層復(fù)雜地層，極易出現(xiàn)鉆井縮徑、坍塌、卡鉆以及脫靶等事故，主要難點(diǎn)和技術(shù)對策如下。

(1)鉆井區(qū)域含有多層泥巖，為水敏性地層，鉆進(jìn)過程中會(huì)自然造漿，增大鉆井液濾失量，一方面造成鉆井液濾餅增厚，另一方面大量濾失液進(jìn)入泥巖地層會(huì)使泥巖吸水膨脹，容易造成井徑縮小，造成鉆具扭矩加大，使井壁粘結(jié)力增加，提鉆時(shí)會(huì)增加井壁環(huán)空吸力，形成“抽真空”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響孔壁穩(wěn)定性。主要技術(shù)對策如下。

①使用優(yōu)質(zhì)膨潤土。吸水性強(qiáng)，水膜強(qiáng)度高，泥餅薄而堅(jiān)硬，鉆井液濾失量低。

②添加護(hù)壁劑、潤滑劑、磺化瀝青等多種鉆井液添加劑。護(hù)壁劑可以降低鉆井液濾失量、在泥巖地層有效抑制井壁縮徑進(jìn)而可以降低鉆機(jī)扭矩，防止粘附卡鉆事故發(fā)生；潤滑劑可以降低鉆井液的流動(dòng)阻力和濾餅?zāi)Σ料禂?shù)，降低鉆機(jī)扭矩，以防鉆具粘卡井壁；磺化瀝青具有堵漏、防塌、潤滑、減阻等作用，近一步改善鉆井液性能[9]。

③常測鉆井液粘度。根據(jù)工程需要改善鉆井液性能參數(shù)。

④使用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速，盡量使用鉆鋌加壓?？梢杂行Х乐咕?，降低自然造漿速度以及避免包鉆事故發(fā)生。

(2)含鹽礦段鉆進(jìn)時(shí)，使用常規(guī)鉆井液會(huì)溶解地層，造成井壁不穩(wěn)定。定向鉆進(jìn)階段，鉆井液還需滿足潤滑性和低固相條件，以降低鉆具摩擦，保證井下螺桿馬達(dá)的正常工作[10]。主要技術(shù)對策如下：

①更換鹵水鉆井液。鉆至含鹽礦段時(shí)使用鹵水鉆井液替換膨潤土泥漿鉆井液，可以有效抑制地層鹽類溶解，防止孔壁不穩(wěn)定。本工程使用欠飽和鹵水鉆井液(鹵水完全飽和，會(huì)出現(xiàn)堵塞鉆頭事故，影響鉆進(jìn)施工效率)。

②加入CMC、純堿、火堿、腐植酸鉀、磺化酚醛樹脂、潤滑劑、護(hù)壁劑等鉆井液添加劑。CMC具有良好的降濾失效果、提高鉆井液粘度以及具有堵漏作用；純堿、火堿可以增加鉆井液pH值，保證鉆井液中聚合物發(fā)揮性能；腐植酸鉀和磺化酚醛樹脂具有降濾失效果，可近一步改善鹵水鉆井液性能[11-12]。

③常測鉆井液粘度和控制鉆井液中固相含量。及時(shí)加水稀釋鹵水濃度，并添加鉆井液添加劑，維持鉆井液優(yōu)良性能；造斜和水平鉆進(jìn)階段及時(shí)降低鉆井液中的固相含量,可以保證隨鉆測斜儀器的正常工作,延長螺桿鉆具的使用壽命。

(3)定向鉆進(jìn)過程中，鉆桿本身不轉(zhuǎn)動(dòng)，造斜段曲率高，鉆遇地層復(fù)雜，工藝控制不當(dāng)容易出現(xiàn)粘鉆、孔壁坍塌等事故，主要技術(shù)對策如下。

①定期旋轉(zhuǎn)鉆具，改變鉆具的受力狀態(tài)，及時(shí)檢查鉆具，清理有問題隱患鉆具和問題鉆具。

②每鉆進(jìn)25 m左右，作短起下鉆一次，若需要停鉆檢修超過1 h，必須將鉆具提入套管中，防止出現(xiàn)粘鉆、卡鉆事故。

③嚴(yán)格控制起鉆、下鉆速度，若上下鉆遇阻時(shí)，禁止強(qiáng)拉硬拽。尤其在曲率大和不穩(wěn)定井段，造成井壁擾動(dòng)過大，出現(xiàn)坍塌事故。

(4)中靶施工難度高。靶點(diǎn)為H18井深1228.7 m處，實(shí)現(xiàn)零誤差對接難度極高。主要技術(shù)對策如下。

①在靶區(qū)位置溶一水平直徑約5 m的葫蘆形溶腔，擴(kuò)大了靶區(qū)范圍，大大提高中靶機(jī)率。

②使用MWD無線隨鉆測斜系統(tǒng)精確控制井眼軌跡的同時(shí)，配合鉆時(shí)錄井、巖屑錄井進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向，根據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向所提供的層位數(shù)據(jù)，來分析、判斷井下鉆頭所處的位置，實(shí)時(shí)調(diào)整定向參數(shù)，以控制水平井的鉆進(jìn)軌跡沿著設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)。隨鉆測量系統(tǒng)的誤差和誤差積累特性，僅依靠隨鉆測量技術(shù)無法保證對接井的準(zhǔn)確連通，在距離靶點(diǎn)還有50 m左右時(shí)，使用RMRS對接儀器，可以消除誤差積累性，可精確測量鉆孔方位和井斜角，確保對接一次成功。若測出偏斜的角度和方位過大，就需要提鉆后在水平段選擇合適的位置重新造斜對接。

5　結(jié)語

(1)與單井相比，水平井對接井開采鹵可以增大開采面積，大幅度提高了巖鹽的開采率，具有投產(chǎn)快、成本低、鹵水產(chǎn)量大、濃度高等優(yōu)點(diǎn)。

(2)嚴(yán)格的鉆井軌跡設(shè)計(jì)是保證工程順利進(jìn)行的前提。無線隨鉆測斜導(dǎo)向技術(shù)和人工磁導(dǎo)向技術(shù)是整個(gè)定向?qū)蛹夹g(shù)的核心，只有準(zhǔn)確地判斷鉆井軌跡和精確的鉆進(jìn)導(dǎo)向才能提高定向?qū)庸こ痰膶映晒β?，保證工程質(zhì)量。

(3)鉆井過程中及時(shí)更換鉆井液的類型以及控制鉆井液參數(shù)是保證鉆井順利施工的關(guān)鍵，在含鹽段地層必須采用欠飽和鹽水鉆井液抑制地層溶解的同時(shí)防止鹽類沉淀堵塞鉆具。

(4)本項(xiàng)目鉆井區(qū)域地層復(fù)雜，水平定向?qū)泳嚯x長，可達(dá)280 m。鉆井施工過程中的所遇難點(diǎn)及采取的技術(shù)對策可為同類鉆井施工提供借鑒和指導(dǎo)依據(jù)。