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    中國(guó)南海珊瑚島礁鉆探技術(shù)

    2021-06-16 12:54:48宋繼偉班金彭
    鉆探工程 2021年6期
    關(guān)鍵詞:瀉湖砂層島礁

    宋繼偉,李 勇,班金彭

    (1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一二地質(zhì)大隊(duì),貴州 安順561000;2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì),貴州貴陽(yáng)550081;3.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一五地質(zhì)大隊(duì),貴州貴陽(yáng)551400)

    0 引言

    珊瑚礁在我國(guó)南海有著廣泛的分布,是我國(guó)在南海唯一的陸地國(guó)土[1],在維護(hù)祖國(guó)領(lǐng)土完整、行使國(guó)家主權(quán)和海洋資源供給等方面都發(fā)揮著重要作用。針對(duì)南海珊瑚礁的研究主要集中在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)、氣候變化、軍事海洋學(xué)、資源(魚類、油氣和水合物等)和島礁工程等領(lǐng)域[2-5]。

    2013—2017年,中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所和南海海洋研究所聯(lián)合在南海諸島礁開展珊瑚礁科學(xué)研究項(xiàng)目。貴州省地礦局一一五地質(zhì)大隊(duì)作為鉆探施工單位參與了研究過程,根據(jù)研究需要前后實(shí)施各類型科研鉆井?dāng)?shù)百口,完成各類鉆探工作量1萬余米,配合實(shí)施各類科學(xué)實(shí)驗(yàn),取得重大成果,獲得中國(guó)科學(xué)院高度贊揚(yáng)。

    本文即闡述該系列工程主要工作內(nèi)容和形成的鉆探技術(shù)成果要點(diǎn)。

    1 南海島礁介紹

    南海島礁分為天然島礁和人造島礁2類。

    1.1 天然島礁

    島礁是由珊瑚生長(zhǎng)、堆積形成的礁體(圖1)。島礁是人類在海上活動(dòng)的支撐點(diǎn)。南沙群島有230多個(gè)島、洲、礁、沙、灘,但露出水面的極少,僅50個(gè)左右,因此,研究、保護(hù)珊瑚礁至關(guān)重要。

    圖1 天然島礁Fig.1 Natural reef

    1.2 人造島礁

    除了保護(hù)已有的天然島礁,我國(guó)還在南海開展另外一項(xiàng)工程:人工造島。所使用的技術(shù)就是:吹填(圖2)。

    圖2 吹填造島示意Fig.2 Schematic diagram of island r eclamation

    南沙填海,以前采用從大陸運(yùn)輸材料。由于填海所需要材料數(shù)以億萬立方米計(jì),遠(yuǎn)洋運(yùn)輸極端困難,費(fèi)用極其高昂,因此造島效率極低。越南和菲律賓等國(guó)目前仍采用該方法,所造陸地基本可以忽略。

    南海有大面積的淺水礁盤,周圍有更大面積的淺灘,淺灘里有大量海砂,吹填就是將這些砂子吹到礁盤內(nèi)堆積成島。

    我國(guó)南海吹填造島是由一艘“天鯨號(hào)”挖泥船完成的,該船能以每小時(shí)4500 m3的速度將海砂、海水的混合物排放到最遠(yuǎn)6 km外,每天吹填的海砂達(dá)10多萬立方米。裝備是亞洲最強(qiáng)大的挖掘系統(tǒng),絞刀功率達(dá)到4000 k W,使其不會(huì)被礁盤上的珊瑚礁損壞而影響工作。

    2 研究目的

    珊瑚島礁科學(xué)鉆探主要目的:

    (1)利用鉆探巖心和井內(nèi)試驗(yàn),揭示珊瑚島礁形態(tài)、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能,建立島體空間模型;

    (2)研究島礁內(nèi)淡水生成規(guī)律;

    (3)研究珊瑚礁生長(zhǎng)和島礁發(fā)育演變規(guī)律,為珊瑚島礁保護(hù)提供依據(jù)。

    3 項(xiàng)目概況

    2013—2017年,貴州省地礦局一一五地質(zhì)大隊(duì)先后3次為中國(guó)科學(xué)院在南海諸島礁實(shí)施科學(xué)鉆探(表1)。

    3.1 中國(guó)南海北部珊瑚礁本底調(diào)查鉆探施工

    施工地點(diǎn)在西沙群島之琛航島,施工1口1500 m直井,定名為“琛科1井”,目標(biāo)為鉆穿珊瑚礁進(jìn)入基巖,全井取心、鉆孔攝像。琛科1井原設(shè)計(jì)為1口井,施工結(jié)束后,因?yàn)闉a湖砂層巖心綜合采取率極低,僅8%,導(dǎo)致全井巖心綜合采取率僅49.3%,遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期要求。經(jīng)研究決定補(bǔ)鉆1口井,將原設(shè)計(jì)井定為“琛科1井-1”,補(bǔ)鉆井定為“琛科1井-2”。最終成果:2口井鉆深均千米以深,都鉆穿珊瑚礁進(jìn)入基巖,琛科1井-2巖心質(zhì)量良好,滿足科研需要。

    “琛科1井”是我國(guó)第一口成功鉆穿珊瑚礁并實(shí)現(xiàn)全井取心的鉆井。

    表1 南??茖W(xué)鉆探項(xiàng)目簡(jiǎn)況Table 1 Brief introduction of the South China Sea drilling projects

    3.2 某島礁鉆孔抽水試驗(yàn)與鉆探取心

    在南沙群島2號(hào)、5號(hào)、7號(hào)點(diǎn)實(shí)施18口深200 m井,數(shù)百口抽水試驗(yàn)及傳感器埋設(shè)井。通過鉆井資料建立島礁200 m深度內(nèi)空間模型;通過抽水試驗(yàn)研究島礁滲透率及淡水生成規(guī)律;通過傳感器對(duì)島礁地層進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)和變形監(jiān)測(cè)。

    所施工抽水試驗(yàn)井是我國(guó)在島礁研究領(lǐng)域首例。

    3.3 “南部鉆探”地質(zhì)勘查

    在南沙群島某點(diǎn)施工1口3000 m直井,鉆穿珊瑚礁進(jìn)入基巖,全井取心。

    完成的NK-1井最終井深2000余米,達(dá)到全部預(yù)期目的,目前是島礁鉆探世界第一。

    4 島礁地層

    4.1 吹填層

    吹填層為珊瑚砂、珊瑚斷枝、貝類,特性類似于陸地上的碎石土(圖3)。

    4.2 天然島體地層

    地層總體分3個(gè)系,8個(gè)地層單元,分別是第四系、上新統(tǒng)南沙組、永興組、中新統(tǒng)永樂組、宣德組、西沙組、風(fēng)化殼,完井于前寒武系上統(tǒng)[6-9]。地層巖性則主要分為4類:

    (1)第四系:松散微弱風(fēng)化、無膠結(jié)珊瑚砂、珊瑚斷枝、貝類;

    (2)石灰?guī)r:生物砂屑、礫屑、藻粘結(jié)灰?guī)r、碎屑灰?guī)r、泥?;?guī)r,膠結(jié)松散,沉積變質(zhì)程度低,為較軟松散巖—較軟巖,可鉆性1~3級(jí);

    (3)白云巖:泥屑、灰砂、核形石、礁格架,膠結(jié)松散,沉積變質(zhì)程度極低,為較軟松散巖—較軟巖,可鉆性1~3級(jí);

    (4)基巖:某種巖,完整堅(jiān)硬致密。

    其中(2)、(3)規(guī)律互層交替。

    圖3 吹填層實(shí)物Fig.3 M aterial of the backfilled layer

    4.3 依鉆探屬性地層分類

    以上地層描述是從巖性角度來進(jìn)行的。從鉆探工程角度,根據(jù)地層物理力學(xué)性狀,將島礁地層層位粗略歸納為以下4大類:

    (1)第四系覆蓋層:將吹填層和第四系合并稱為第四系覆蓋層[10-13]。包含珊瑚砂、珊瑚斷枝、貝類。

    (2)瀉湖砂層:第四系覆蓋層以下基巖層以上,地層主要為無膠結(jié)或輕微膠結(jié)細(xì)粒珊瑚砂的均歸為此類。包含生物泥屑、砂屑、礫屑、灰砂等,巖心松散或手捏可散。

    (3)礁坪層:第四系覆蓋層以下基巖層以上,除瀉湖砂層外的其它層位均歸為此類。包含藻粘結(jié)灰?guī)r、碎屑灰?guī)r、泥?;?guī)r、核形石、礁格架等[14]。巖石沉積膠結(jié)較緊密,有一定強(qiáng)度和硬度,巖心呈短柱狀或碎塊狀。

    (4)基巖層。

    5 工程難點(diǎn)

    5.1 方案設(shè)計(jì)難題

    受海島施工特殊地理環(huán)境影響,運(yùn)輸補(bǔ)給極端困難,根據(jù)預(yù)定設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)備物資登島后,即使發(fā)現(xiàn)技術(shù)方案和物資不適合也難以調(diào)整。

    5.2 第四系覆蓋層取心及成井下管難題

    根據(jù)研究要求,第四系覆蓋層除全段取心外(綜合采取率≥80%),還實(shí)施大批抽水試驗(yàn)井。之前中國(guó)科學(xué)院自購(gòu)鉆機(jī)使用常規(guī)鉆具取心并配合濃稠泥漿護(hù)壁成井,巖心采取率極低、污染嚴(yán)重,且地層過水通道全部被泥漿堵塞,無法抽水。本次施工采取何種工藝保證采取率,并能同時(shí)兼顧穩(wěn)定井壁和保護(hù)通道暢通是難題。

    5.3 瀉湖砂層取心難題

    島礁地下普遍存在多層厚層瀉湖砂層,單層厚度在十幾米至上百米不等,主要結(jié)構(gòu)為無膠結(jié)或輕微膠結(jié)的細(xì)粒珊瑚砂,擾動(dòng)、水沖即散,巖心采取極端困難。例如,受瀉湖砂層采取率低影響(該種層位采取率僅8%),“琛科1井-1”全井綜合采取率不足50%。

    5.4 鉆探事故預(yù)防與處理難題

    島礁主要地層均沉積變質(zhì)程度低,膠結(jié)松散或無膠結(jié),溶蝕發(fā)育,鉆井全漏失,任何鉆井液基本都失去了護(hù)壁堵漏功效,僅能依靠套管穩(wěn)定井壁,但在下套管前裸眼鉆進(jìn)時(shí),容易垮塌、超徑,卡埋鉆、斷鉆事故繁多,成井困難。比如,“琛科1井”共發(fā)生卡埋鉆事故10次;因鉆井超徑引起的斷鉆事故2次,鉆桿接頭彎曲、錯(cuò)位瀕斷2次;掉塊劃傷鉆桿140 m(劃成螺紋);事故極度頻繁。

    6 鉆探工程概況

    針對(duì)上述島礁施工難題,認(rèn)真研究解決方案和技術(shù)措施,確保施工順利完成。

    6.1 施工環(huán)境

    (1)進(jìn)出場(chǎng):人員、設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)只有乘坐軍艦一個(gè)途徑,而且體檢、政審等手續(xù)極復(fù)雜。

    (2)氣候:酷熱、空氣高鹽、暴雨、臺(tái)風(fēng)頻繁、蚊蟲肆虐。2013年,“琛科1井-2”施工期間,臺(tái)風(fēng)“蝴蝶”經(jīng)過,樹倒船翻,漁民傷亡慘重,鉆機(jī)被刮移位1 m。

    (3)生活:不準(zhǔn)攜帶任何智能電子設(shè)備(相機(jī)、手機(jī)),只能使用老人機(jī)(不帶攝像頭的),基本與世隔絕。無電視,無任何娛樂。生活艱苦,缺乏淡水和蔬菜。

    6.2 設(shè)備選型

    6.2.1 抽水試驗(yàn)井、200 m井、1500 m井鉆井設(shè)備

    (1)該種地層穩(wěn)定性差,孔壁極易垮塌,長(zhǎng)孔段裸眼鉆進(jìn)非常危險(xiǎn),因此要大量使用跟管鉆進(jìn)技術(shù),機(jī)械傳動(dòng)立軸式鉆機(jī)行程短,難以滿足跟管要求,故選用長(zhǎng)行程全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)。

    (2)該項(xiàng)目大口徑抽水試驗(yàn)井,鉆進(jìn)需要扭矩很大,小型號(hào)鉆機(jī)難以滿足,需使用大型號(hào)鉆機(jī)“大馬拉小車”。

    綜合上述2條因素,結(jié)合單位已有設(shè)備情況,最終選擇使用了1臺(tái)YDXD-1800型便攜鉆機(jī)和2臺(tái)YDX-1800型履帶全液壓鉆機(jī)。

    6.2.2 3000 m井鉆井設(shè)備

    3000 m深井工程浩大,時(shí)間漫長(zhǎng),同時(shí)針對(duì)該地區(qū)高溫、高濕、高鹽和高腐蝕條件特點(diǎn),所采用設(shè)備除滿足施工能力需求外,應(yīng)盡可能具有故障率低、易維護(hù)、操作簡(jiǎn)單、勞動(dòng)強(qiáng)度小、控制性預(yù)見性強(qiáng)等性能。

    國(guó)內(nèi)鉆探設(shè)備滿足施工需求的主要有XY-8(9)DB型立軸鉆機(jī)、HXY-9型立軸鉆機(jī)、XD-30(40)DB型電動(dòng)頂驅(qū)鉆機(jī)。最終權(quán)衡項(xiàng)目技術(shù)需求、行動(dòng)突然性、經(jīng)費(fèi)等綜合因素,選用了XY-8DB型鉆機(jī),使用效果良好。

    6.3 設(shè)備材料維修加工

    島上沒有居民和其它設(shè)施。島上施工期間所有設(shè)備損壞維修,正常鉆進(jìn)及處理事故用所有特殊工具、材料,都要自行解決。出發(fā)前充分考慮了該問題,登島后搭建了簡(jiǎn)易車間,能完成除金屬熱處理之外的所有維修和加工,比如修康明斯柴油機(jī)、加工鉆桿螺紋等均可實(shí)現(xiàn)。參與該項(xiàng)目施工的所有鉆探人員基本都掌握多技術(shù)工種。

    6.4 鉆探用水

    沒有淡水,只有海水,但是也不能直接從海里抽水過來使用,主要原因:

    (1)漲退潮對(duì)水泵在海里的安裝位置影響巨大;

    (2)近海岸波浪激動(dòng)對(duì)鋪設(shè)在海底的電纜和管路損害嚴(yán)重;

    (3)臺(tái)風(fēng)隨時(shí)會(huì)把安裝在海里的所有抽水設(shè)備物資卷走;

    (4)島上正在建設(shè),公路縱橫、車輛如流、開挖頻繁,引水管路需要根據(jù)島上施工需求隨時(shí)調(diào)整或拆除,疲于應(yīng)對(duì)。

    解決措施:主井旁邊直接鉆探施工一口小井做供水井(圖4)。島體與大海聯(lián)通,水量補(bǔ)給充足。

    圖4 供水井實(shí)景Fig.4 Water supply well

    6.5 鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證鉆井工程順利實(shí)施的重要因素。島礁地層特殊復(fù)雜,研究?jī)?nèi)容要求繁多,因此采用合理的井身結(jié)構(gòu)確保鉆井成功更是尤為關(guān)鍵。以3000 m深井為例,該井設(shè)計(jì)5開6級(jí)結(jié)構(gòu),具體如表2所示。

    設(shè)計(jì)說明:如果準(zhǔn)備S76施工至3000 m,根據(jù)這個(gè)地層的情況,S96至少應(yīng)施工至2000~2500 m,S122至少應(yīng)施工至1000~1500 m。目前的核心問題是該井地層極其不穩(wěn)定,無任何把握能直接把S122施工至1000~1500 m,上部孔段使用單管普通鉆具根本不可能施工太深,所設(shè)計(jì)普通鉆具到100 m都是克服困難希望達(dá)到的比較理想狀態(tài)。這一級(jí)普通鉆具之后,必須再通過一級(jí)變徑下套管護(hù)壁,即所設(shè)計(jì)?150 mm一級(jí)。該級(jí)施工時(shí),使用普通鉆具已行不通。因此該級(jí)是該井鉆進(jìn)的一個(gè)重點(diǎn)問題,當(dāng)時(shí)考慮2種方案。

    方案1:使用S150繩索取心鉆具直接鉆進(jìn);

    方案2:使用S122繩索取心鉆具取心后,換用高強(qiáng)度?139 mm鉆桿配合小外出刃擴(kuò)孔鉆頭大泵量、高轉(zhuǎn)速跟管擴(kuò)孔。

    最終使用方案2鉆進(jìn)至預(yù)期井深。

    表2 3000 m深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Table 2 Structural design data of the 3000m deep well

    6.6 鉆井液

    珊瑚島礁地層鉆進(jìn),都是全井全漏失,根本沒有堵漏返水的可能性。因?yàn)殂@井液消耗量太大,粘土粉用量巨大,運(yùn)輸、搬運(yùn)困難,配制勞動(dòng)強(qiáng)度太高,在這種施工條件下根本不適合使用粘土粉。

    在該區(qū)域鉆井主要考慮使用高分子處理劑配置無固相鉆井液,加量少、運(yùn)輸輕松。高分子處理劑往往水解困難,所以盡可能采用速溶處理劑,同時(shí)做好提前連續(xù)發(fā)酵。所謂速溶也是相對(duì)的,比常規(guī)材料水解速度稍快一點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)提前發(fā)酵也無法滿足用量,因此主要采取現(xiàn)攪的方式。攪拌機(jī)攪高分子處理劑效果并不好,因此主要以高速水沖為主,但是處理劑性能發(fā)揮不充分。

    海水對(duì)鉆井液性能會(huì)有影響,但在珊瑚礁鉆探中,全井全漏失,鉆井液都是一次性消耗,沒有連續(xù)使用的可能性,所以海水對(duì)鉆井液材料影響可以忽略。這種情況下鉆井液的主要作用就是在鉆頭新破碎地層、克取巖心時(shí)能起到短暫、臨時(shí)性保護(hù),當(dāng)然也不用再考慮鉆井液性能的維護(hù)問題,只需重視鉆井液的初始性能即可。

    雖然不返水,但是不存在上部井段干孔摩阻大的問題。因?yàn)殂@井井口在海拔1 m左右,井內(nèi)水位是海平面,所以水位基本在井口,沒有干井段。純海水潤(rùn)滑效果不好,因此輔以油脂潤(rùn)滑,本項(xiàng)目使用噴涂式二硫化鉬,既潤(rùn)滑又兼顧管材防腐。

    6.7 鉆井成果

    在南海西沙群島和南沙群島諸島礁前后共完成千米深井2口、3000 m深井1口、200 m深度取心井18口、其它包括抽水試驗(yàn)井在內(nèi)的各類型用途淺井300余口,總工作量16000余米,鉆井成果基本滿足中國(guó)科學(xué)院所有研究需求。

    7 核心鉆探技術(shù)

    7.1 珊瑚島礁第四系覆蓋層鉆探取心及抽水試驗(yàn)成井下管技術(shù)

    珊瑚島礁第四系覆蓋層既要取心,又要成井進(jìn)行抽水試驗(yàn),結(jié)合該要求針對(duì)地層特性開展研究,提出“長(zhǎng)行程液壓鉆機(jī)+套管跟進(jìn)”鉆進(jìn)方法,形成“套管連續(xù)跟進(jìn)干鉆取心技術(shù)”。該工藝方法經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證效果真實(shí)可行,取心質(zhì)量合格,優(yōu)質(zhì)完成抽水試驗(yàn)?!疤坠苓B續(xù)跟進(jìn)干鉆取心技術(shù)”要點(diǎn)為4個(gè)操作步驟。

    第一步:普通鉆具干鉆取心鉆進(jìn),鉆具裝滿后輕壓,提鉆取心。此步關(guān)鍵點(diǎn):鉆具直徑不宜過大也不宜過小(控制在108~168 mm為宜)、單回次進(jìn)尺不宜過長(zhǎng)(控制在1 m以下)。鉆具直徑過大、單回次進(jìn)尺過長(zhǎng)時(shí),松散巖心容易在張力和重力作用下脫落;鉆具直徑過小時(shí),巖心容易塞死,不易退出。不開水干鉆,可防止巖心被沖散;略微輕壓對(duì)于防止巖心掉落有重要幫助。

    第二步:干鉆取心一段距離后,井壁出現(xiàn)垮塌,采用大一級(jí)套管跟進(jìn)至原井深,此時(shí)垮塌及大徑切削下來的巖土體堆積在套管內(nèi)。此步關(guān)鍵點(diǎn):總結(jié)該地層規(guī)律,第一步一般鉆進(jìn)3 m即會(huì)發(fā)生垮塌,所以應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)套管。

    第三步:套管內(nèi)下入之前取心所使用小徑鉆具,開泥漿泵循環(huán)排出套管內(nèi)松散巖土體,直至原井底。此步關(guān)鍵點(diǎn):循環(huán)液中加入聚丙烯酰胺(PHP)效果極好,加量為6~8 kg/m3。

    第四步:從新鮮井底重新開始普通鉆具干鉆取心鉆進(jìn)。此步關(guān)鍵點(diǎn):采用第一步方式連續(xù)短回次取心鉆進(jìn),總的超前掏心深度為2.5~3 m之間,不可淺也不可深,深度過淺(<2.5 m)會(huì)造成套管跟不下去,深度過深(>3 m)會(huì)造成小徑鉆具頂端離開套管保護(hù)后被垮塌埋鉆。

    上述4個(gè)步驟循環(huán)重復(fù),交替鉆進(jìn),又稱之為“四步法”[15]。使用該工藝取得以下良好的效果:

    (1)實(shí)現(xiàn)巖心采取率達(dá)到95%以上,且基本保持了巖心原狀性;

    (2)不使用泥漿,巖心干凈無污染;

    (3)地層過水通道不會(huì)被任何外來物體堵塞;

    (4)鋼制濾水管連續(xù)跟進(jìn)下入,同時(shí)滿足了保護(hù)井壁和抽水試驗(yàn)2項(xiàng)要求。

    7.2 珊瑚島礁瀉湖砂層鉆探取心技術(shù)

    瀉湖砂層是珊瑚島礁的主要層位,約占到所鉆工作量的1/3~1/2。該種地層取心極其困難,表現(xiàn)為采取率不足,巖心原狀性差。投入如此巨大資金和人力進(jìn)行科學(xué)鉆探工作的核心最主要就是為獲取巖心,因此良好合理的取心工藝是鉆進(jìn)的重點(diǎn),總結(jié)經(jīng)驗(yàn)確定該種地層總體采取率保證措施為:

    (1)繩索取心工藝精確控制鉆進(jìn)參數(shù);

    (2)合理選用鉆具組合;

    (3)重視鉆井液性能。

    7.2.1 鉆進(jìn)參數(shù)

    瀉湖砂層鉆探取心鉆進(jìn)參數(shù)控制原則為:輕鉆壓、慢轉(zhuǎn)速、小泵量。

    鉆壓:因?yàn)闉a湖砂層幾乎沒有膠結(jié)壓入硬度,不需要壓力輔助碎巖,只需回轉(zhuǎn)碎巖就可以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn),所以應(yīng)采用極低鉆壓,能保證跟隨回轉(zhuǎn)碎巖進(jìn)尺速度實(shí)現(xiàn)同步給進(jìn)即可。避免高壓力和瞬間壓力造成超壓、超前而擠壓破壞地層和巖心。

    轉(zhuǎn)速:因?yàn)闉a湖砂層幾乎沒有膠結(jié)強(qiáng)度,可鉆性極強(qiáng)、研磨性極弱,不需要鉆頭高速回轉(zhuǎn)大頻次研磨,只需慢速回轉(zhuǎn)刮削即可實(shí)現(xiàn)快速碎巖進(jìn)尺。必須杜絕為追求鉆速而盲目開高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn),避免高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生高頻震動(dòng)、重復(fù)研磨破碎巖心。

    泵量:因?yàn)槭褂玫蛪?、慢轉(zhuǎn),所以鉆頭部位不會(huì)產(chǎn)生高溫,冷卻問題不是考慮的重點(diǎn),泵量只需配合鉆探進(jìn)尺速度能實(shí)現(xiàn)有效排砂保持井底干凈即可。因進(jìn)尺速度受到控制較慢,所以采取小泵量。堅(jiān)決杜絕大泵量在井底造成高速射流、紊流、串流沖刷破壞巖心。

    綜上分析,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)摸索試驗(yàn),最終確定瀉湖砂層鉆探取心鉆進(jìn)參數(shù):鉆壓<2 k N,轉(zhuǎn)速100~200 r/min,泵量30~40 L/min。

    鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量應(yīng)通過控制相互匹配,鉆壓實(shí)現(xiàn)隨進(jìn)尺勻速給進(jìn),泵量實(shí)現(xiàn)隨進(jìn)尺清潔排砂,即是最合理鉆進(jìn)效果。

    在控制以上3個(gè)鉆進(jìn)核心參數(shù)之外,還要注意短回次、勤提鉆、慢提升等輔助操作細(xì)節(jié)。

    7.2.2 鉆具組合

    瀉湖砂層鉆探取心合理鉆具組合要點(diǎn)為:防沖刷鉆頭、大口徑繩索取心鉆具、半合管襯管。

    鉆頭:使用常規(guī)鉆頭,鉆井液會(huì)直接沖刷巖心,瀉湖砂層會(huì)直接被沖散而取不到巖心。琛科1井-1施工中因?yàn)槭孪葻o法掌握地層具體性狀,采用普通鉆頭鉆進(jìn),導(dǎo)致該層巖心采取率極低。琛科1井-2、NK-1井在初步了解瀉湖砂層性狀的基礎(chǔ)上,采用底側(cè)噴鉆頭、超前底側(cè)噴鉆頭,有效避免了鉆井液直接沖刷巖心,明顯提高了巖心采取率。

    繩索取心鉆具:通過琛科1井-1、琛科1井-2、NK-1井3口井鉆井實(shí)踐探索證明,瀉湖砂層鉆探取心,大口徑繩索鉆具取心效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于小口徑繩索取心鉆具。

    琛科1井-1因?qū)Φ貙硬涣私?,上部地層過早地出現(xiàn)較多事故,技術(shù)口徑提前使用完,最終導(dǎo)致絕大部分井段僅能使用NQ(76 mm口徑繩索取心鉆具)鉆進(jìn),瀉湖砂層巖心綜合采取率僅8%。吸取經(jīng)驗(yàn)后,琛科1井-2、NK-1井施工中,對(duì)于上部地層可能出現(xiàn)的問題做了充分準(zhǔn)備,確保開始設(shè)計(jì)的技術(shù)口徑基本鉆到了預(yù)期深度。琛科1井-2主體井段采用HQ(96 mm口徑繩索取心鉆具),瀉湖砂層巖心綜合采取率達(dá)到83%,但原狀性略差;NK-1井主體井段采用PQ(122 mm口徑繩索取心鉆具),瀉湖砂層巖心綜合采取率達(dá)到96%,且原狀性極好。

    分析原因認(rèn)為,瀉湖砂層擁有一定的堆積壓實(shí)強(qiáng)度及部分膠結(jié),巖心越粗,整體性越好。使用NQ鉆具,巖心直徑僅46 mm,鉆進(jìn)過程中震動(dòng)、沖刷、剝蝕等作用于如此之細(xì)的巖心上,極易造成巖心斷裂、破碎、磨蝕,而HQ鉆具所采巖心直徑為64 mm、PQ鉆具所采巖心直徑為84 mm,大直徑巖心抗震動(dòng)、沖刷、剝蝕能力更強(qiáng),在經(jīng)受鉆進(jìn)過程中的上述破壞之后,仍能保持較好的“芯柱”。

    使用大口徑繩索取心鉆具是瀉湖砂層巖心采取率和原狀性實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍的核心關(guān)鍵。今后在珊瑚島礁鉆探工程中,應(yīng)該充分考慮,留出更多技術(shù)空間,盡可能使用大口徑繩索取心鉆具。

    半合管:半合管繩索取心鉆具又稱為三套管繩索取心鉆具,其原理是在常規(guī)繩索取心鉆具基礎(chǔ)上再增加一層由兩半圓拼合的內(nèi)管,該設(shè)計(jì)有3個(gè)優(yōu)勢(shì):一是提高了內(nèi)管的單動(dòng)性,二是能有效避免巖心被鉆井液沖刷,三是“剖開式退心”方式能更好地確保巖心原狀性?;谶@些,使用半合管繩索取心鉆具(配合超前底側(cè)噴鉆頭、植物膠沖洗液)是目前保證巖心采取質(zhì)量最好的技術(shù)措施。琛科1井-2、NK-1井瀉湖砂層使用半合管繩索取心鉆具井段,巖心采取率達(dá)到99%。

    半合管繩索取心鉆具雖然取心效果極好,但缺點(diǎn)也非常突出,主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)精密、極易損壞、消耗高昂、取心速度較慢等,因此,半合管繩索取心鉆具僅適合在巖心極端難以采取情況時(shí)采用。

    7.2.3 瀉湖砂層鉆井液

    鉆取瀉湖砂層這種松散地層,對(duì)于鉆井液性能要求是:為保證循環(huán)通暢、攜砂干凈,要選擇適中粘度,過高則循環(huán)阻力大、過低則排砂能力不足;為保證不浸泡侵入破壞地層及巖心,要選擇極低失水量。

    基于上述條件,瀉湖砂層鉆探取心選用鉆井液材料主要有:聚丙烯酰胺(PAM)、高粘羧甲基纖維素(CMC)、水解聚丙烯腈銨(NH4-HPAN)、降濾失劑、SH(或SM)植物膠、廣譜護(hù)壁劑、高效潤(rùn)滑劑。以上材料均選用速溶產(chǎn)品。

    基礎(chǔ)配方為:1 m3海水+2 kg PAM+3 kg CMC+2 kg NH4-HPAN(或降濾失劑)+1 kg植物膠+20 kg廣譜護(hù)壁劑+2 kg高效潤(rùn)滑劑。

    鉆井液核心性能參數(shù)為:粘度控制在22~35 s,濾失量≤5 mL/30 min。

    該無固相鉆井液,對(duì)巖心保護(hù)效果很好,取出的巖心外表形成一層均勻透明的保護(hù)膜,整體性強(qiáng)(圖5)。

    圖5 使用專用鉆井液取心效果Fig.5 Cor es with special drilling fluid

    鉆井液性能一旦不合格,取心效果會(huì)急劇下降(圖6),因此,使用過程中必須嚴(yán)格保證鉆井液性能,認(rèn)真測(cè)定鉆井液參數(shù),發(fā)現(xiàn)性能參數(shù)不滿足要求時(shí),立即調(diào)整。

    圖6 鉆井液性能不合格情況取心效果Fig.6 Cores with poor performance drilling fluid

    綜合來說,“超前底側(cè)噴鉆頭+大口徑繩索取心鉆具+S系列植物膠鉆井液體系+精確控制鉆進(jìn)參數(shù)”是瀉湖砂層取心效果較好、鉆進(jìn)速度最快、機(jī)具壽命最長(zhǎng)的合理技術(shù)組合。

    7.3 珊瑚島礁鉆探事故預(yù)防與處理技術(shù)

    7.3.1 事故預(yù)防技術(shù)

    7.3.1.1 卡埋鉆事故預(yù)防

    使用優(yōu)質(zhì)鉆井液短暫保護(hù)井壁,延長(zhǎng)裸眼穩(wěn)定期,精確控制鉆進(jìn)參數(shù)快速鉆進(jìn)穿過,及時(shí)下入套管封隔。

    7.3.1.2 斷鉆桿事故預(yù)防

    鉆井液并不能阻止井壁垮塌,始終會(huì)形成鉆井超徑,這就容易造成鉆桿斷裂,這種情況下,主要通過控制鉆進(jìn)參數(shù)來預(yù)防,即:降低鉆壓和轉(zhuǎn)速,減小鉆桿因較大壓力和回轉(zhuǎn)離心彎扭造成斷裂。

    7.3.2 事故處理技術(shù)

    7.3.2.1 卡埋鉆事故處理

    (1)優(yōu)選能同時(shí)實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)頂、強(qiáng)扭、操作勞動(dòng)強(qiáng)度低”的鉆機(jī);

    (2)使用全自動(dòng)反打沖擊器,該裝置對(duì)于解決有震動(dòng)液化特性地層的卡埋鉆事故尤其有效;

    (3)多重管交替沖洗井技術(shù);

    (4)水錘效應(yīng)震動(dòng)松卡。

    其中(2)、(3)、(4)項(xiàng)是施工過程中總結(jié)獨(dú)創(chuàng)的方法。

    7.3.2.2 斷鉆桿事故處理

    (1)快速使用絲錐打撈;

    (2)反絲鉆桿反??;

    (3)直接放棄,繞障鉆進(jìn),該地層極易實(shí)現(xiàn)。

    7.3.3 核心技術(shù)簡(jiǎn)介

    7.3.3.1 大鉆用自動(dòng)打吊錘裝置

    該種地層最多發(fā)的就是卡埋鉆。這種地層的掉塊卡鉆不會(huì)形成威脅,因?yàn)閹r石強(qiáng)度低,一搓即碎,根本卡不住,所以核心的難題就是砂層垮塌埋鉆,解決好該問題鉆進(jìn)就非常容易。松散層尤其是砂層埋鉆,靜力起拔一般效果不好,鉆機(jī)油缸或者千斤頂?shù)男谐掏荒艿窒@柱系統(tǒng)的彈性變形,而且力量始終偏小。最好是能在強(qiáng)頂強(qiáng)扭到極限時(shí)再輔以震擊,根據(jù)動(dòng)量定理,震擊能產(chǎn)生瞬間巨大力,同時(shí)砂層有震動(dòng)液化重新排列的特性,所以會(huì)產(chǎn)生極好的效果。工程勘察用小鉆機(jī)“打吊錘”很普遍,大鉆機(jī)由于結(jié)構(gòu)和力學(xué)體系限制很難實(shí)現(xiàn),如果能生產(chǎn)出配合大鉆機(jī)打吊錘的機(jī)具,基本可處理絕大多數(shù)埋鉆事故?;诖?,研究設(shè)計(jì)了可用于大鉆機(jī)的自動(dòng)打吊錘簡(jiǎn)易裝置,效果極好。

    7.3.3.2 多重管交替沖洗井

    巨厚的瀉湖砂層就是個(gè)砂子堆,經(jīng)常埋鉆。以某次事故處理為例:使用S96繩索取心鉆具正常鉆進(jìn),被埋于360 m處,使用千斤頂及吊錘處理均無效;初步考慮換徑鉆進(jìn),但是這個(gè)階段換徑一是太早再也沒有退路,二是消滅懸掛環(huán)和鉆頭胎體太困難;最后研究決定使用?73 mm繩索取心鉆桿變徑配合頭部開水口鑲硬質(zhì)合金的?50 mm普通鉆桿(?73 mm鉆桿通不過S96繩索取心鉆具懸掛環(huán)和鉆頭)開大泵量去沖掃井底,目的是希望?50 mm鉆桿能穿出?96 mm鉆頭端部沖刷及震動(dòng)使其松動(dòng)。實(shí)際效果良好,?50 mm鉆桿超出鉆頭2 m長(zhǎng)度后,連續(xù)通水低速轉(zhuǎn)動(dòng)2 h,?92 mm鉆桿終于松動(dòng),事故處理成功。該3套鉆具配合交替前進(jìn)方法多次使用。

    7.3.3.3 正循環(huán)大泵量異地層洗井

    琛科1井-1井深540~591 m段51 m長(zhǎng)度范圍為礁格架夾砂,砂充填于珊瑚礁骨架內(nèi),有輕微膠結(jié)。初鉆至該層時(shí),取出樣品為骨架夾砂呈柱狀。鉆進(jìn)過程中,經(jīng)多次巖心內(nèi)管抽吸后,井眼周邊一定范圍內(nèi)珊瑚砂松動(dòng)從骨架進(jìn)入井內(nèi)又出現(xiàn)埋鉆。綜合研究,該層砂有一定膠結(jié)強(qiáng)度,不經(jīng)劇烈擾動(dòng)能保持穩(wěn)定,鉆井液在該層不漏失,而該層上部436~540 m處礁坪溶蝕嚴(yán)重,溶隙、溶洞繁多,因此決定使用具有護(hù)壁效果的“海水+聚丙烯酰胺無固相鉆井液”絮凝攜砂從上部地層排砂方法除凈該層段井壁鄰近區(qū)域珊瑚砂,同時(shí)嚴(yán)格控制失水量確保不再造成新的沖垮。連續(xù)通水半天時(shí)間后,通水及回轉(zhuǎn)再無阻力,確認(rèn)井內(nèi)已非常干凈。該層至完井再未產(chǎn)生過任何負(fù)作用。

    7.3.3.4 水錘效應(yīng)震動(dòng)松卡

    琛科1井-1井深720~839 m段為119 m砂層,有了上述2層砂的經(jīng)驗(yàn),該層使用S76高胎體長(zhǎng)壽命鉆頭配合優(yōu)質(zhì)鉆井液一次性通過。但鉆穿后至855 m時(shí)因發(fā)生斷鉆事故反復(fù)起下大鉆4次,重新導(dǎo)致上部砂層發(fā)生垮塌擠死鉆具,千斤頂和吊錘同樣無效。此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)已無更小一級(jí)鉆具可通過?73 mm鉆頭。仔細(xì)分析地層發(fā)現(xiàn),本層砂下部地層僅輕微滲漏水,鉆井液能開通但泵壓極高,同時(shí)考慮細(xì)砂具有震動(dòng)液化的特性,研究決定使用鉆機(jī)雙油缸400 kN升力全力上頂整套鉆具至極限,泥漿泵使用最大泵量5.3 L/s間歇通水,每次通水時(shí)間15 s,停頓10 s,靠水的反沖及蹩壓震動(dòng)鉆具,稱為水錘效應(yīng),原理是希望依靠水錘產(chǎn)生多次的輕微震動(dòng)使砂發(fā)生液化重新排列。連續(xù)憋壓4 h,鉆具松動(dòng)上行,處理成功[16]。

    總之,事故的預(yù)防與處理方式豐富多樣,以上所列內(nèi)容是經(jīng)過施工檢驗(yàn),較適于該種地層的工藝。繩索取心工藝配合好上述措施,能夠保證在該種地層正常鉆進(jìn),順利成井。

    8 珊瑚島礁地質(zhì)鉆探施工體會(huì)

    8.1 施工方案制定

    受海島施工特殊地理環(huán)境影響,運(yùn)輸補(bǔ)給極端困難,設(shè)備物資一旦登島,總的施工方案難以再做調(diào)整。因此在該區(qū)域開展鉆探工作所設(shè)計(jì)施工方案必須正確合理、充分全面、針對(duì)性強(qiáng)。

    8.2 無水干鉆重要性

    對(duì)于吹填層和第四系覆蓋層,使用高密度、高粘度泥漿不能解決取心難題,而且會(huì)堵塞傷害地層,這一點(diǎn)對(duì)于抽水試驗(yàn)井影響更是突出,因此無水干鉆是最好的工藝。

    8.3 巖心采取率保障

    該種地層鉆探施工的一個(gè)主要難點(diǎn)就是地層膠結(jié)松散、沉積變質(zhì)程度低,巖心極其難以采取,因此周全適用的巖心采取工藝是實(shí)現(xiàn)鉆井效果的關(guān)鍵。

    8.4 鉆井事故預(yù)防與處理

    該種地層鉆探施工的另一個(gè)主要難點(diǎn)就是地層極其不穩(wěn)定,事故頻發(fā),因此周密合理的事故預(yù)防與處理措施是鉆井成功的關(guān)鍵。

    8.5 “準(zhǔn)、穩(wěn)、快、及時(shí)”原則

    總結(jié)認(rèn)為珊瑚島礁鉆探應(yīng)該遵循“井內(nèi)情況判斷準(zhǔn),操作穩(wěn),鉆進(jìn)快速穿過,技術(shù)套管跟進(jìn)及時(shí)”的原則。

    8.6 鉆探風(fēng)格原則

    這種基本全井段以珊瑚礁為目的層的鉆井,有別于常規(guī)的陸地鉆探甚至是很多其他海上深井鉆探。巨厚層的珊瑚礁地層,以其極端的特殊性,鉆探過程有很多獨(dú)有的特點(diǎn),很多情況與其它鉆探截然不同甚至是完全反常規(guī)的,因此其它的鉆井施工經(jīng)驗(yàn)可借鑒性較弱。這就要求:在這種地層鉆探,施工人員要有極強(qiáng)的思考創(chuàng)造力,不墨守成規(guī),面對(duì)各種問題能臨機(jī)決斷,充分發(fā)揮鉆探行業(yè)“勢(shì)無定法、靈活多變、不拘一格”的特點(diǎn)。

    9 結(jié)論

    (1)“長(zhǎng)行程液壓鉆機(jī)+套管跟進(jìn)”鉆進(jìn)工藝是珊瑚島礁第四系覆蓋層穿越的合理方法,具有取心質(zhì)量高、保護(hù)井壁、防止過水通道堵塞的多重優(yōu)點(diǎn)?!八牟椒ā笔谴_保珊瑚島礁第四系覆蓋層巖心能取上、套管能跟下去的技術(shù)關(guān)鍵。

    (2)在珊瑚島礁鉆探取心過程中,綜合研究鉆井液、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆具組合3個(gè)鉆探要素,總結(jié)出“超前底側(cè)噴鉆頭+大口徑繩索取心鉆具+S系列植物膠鉆井液體系+精確控制鉆進(jìn)參數(shù)”多要素組合鉆探取心技術(shù),該技術(shù)能保證瀉湖砂層巖心采取質(zhì)量。

    (3)大鉆用自動(dòng)打吊錘裝置、多重管交替沖洗井、正循環(huán)大泵量異地層洗井、水錘效應(yīng)震動(dòng)松卡等設(shè)備和技術(shù)能確保瀉湖砂層鉆進(jìn)安全。

    (4)“珊瑚島礁松散珊瑚砂層抽水試驗(yàn)成井下管技術(shù)”、“珊瑚島礁第四系覆蓋層鉆探取心技術(shù)”、“珊瑚島礁瀉湖砂層鉆探取心技術(shù)”、“珊瑚島礁鉆探事故預(yù)防與處理技術(shù)”聯(lián)合形成了較完整的珊瑚島礁鉆探技術(shù)工藝體系。

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