XD-40 型鉆機在雄安新區(qū)地?zé)峥碧骄┕ぶ械膽?yīng)用

高鵬舉，董向宇，劉凡柏，任啟偉，朱芝同，王躍偉，王雷浩，殷 邈

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000；2.河北省地礦局第九地質(zhì)大隊，河北邢臺054000）

0 引言

4000 m 地質(zhì)巖心鉆機（XD-40 型）是中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所牽頭研發(fā)的深部礦產(chǎn)資源勘查技術(shù)裝備［1-3］，可應(yīng)用于固體礦產(chǎn)、地?zé)?、淺層油氣勘探等領(lǐng)域。鉆機研制成功后，于2017-2018 年在天津東麗區(qū)CGSD-01 井進(jìn)行了試驗，初步驗證了鉆機的能力及主要性能［4-7］。隨后XD-40 型鉆機應(yīng)用于雄安新區(qū)的地?zé)峥碧绞┕?，圓滿完成了D13井的鉆探工作。D13 井設(shè)計井深2500 m，完鉆井深2506.14 m，完鉆口徑152.4 mm。

1 工程概況

1.1 地理簡況

D13 井位于雄安新區(qū)容城東南文營村西南，井場周邊有多條鄉(xiāng)道、縣道，并且鄰近榮烏高速，交通便利（見圖1）。雄安新區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。四季分明，氣候溫和，光照充足，雨量適中，無霜期長，干寒同期。春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽宜人，冬季寒冷少雪。年均氣溫在15 ℃左右，歷年 1 月份平均氣溫為 0.7 ℃，7 月份平均氣溫為27.1 ℃，年降水量700 mm 左右。

圖1 D13 井鉆井位置Fig.1 Drilling position map of D13 well

1.2 地質(zhì)情況

雄安新區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上位于渤海灣盆地的冀中坳陷內(nèi)，主要涉及的構(gòu)造單元有徐水凹陷、容城凸起、牛駝鎮(zhèn)凸起、霸縣凹陷、保定凹陷、高陽低凸起。主體構(gòu)造線以NE 向為主。主要斷裂有NE 向容城斷裂、牛東斷裂、保定斷裂、高陽斷裂，NWW 向牛南斷裂。D13 井位于冀中坳陷容城凸起構(gòu)造東部［8-10］。

1.3 鉆遇地層

雄安新區(qū)地表出露地層為第四系地層，第四系以下的巖層包括新近系（明化鎮(zhèn)組、館陶組）、古近系（東營組、沙河街組、孔店組）、中-新元古界（薊縣系霧迷山組、楊莊組；長城系高于莊組、大紅峪組、團(tuán)山子組、串嶺溝組和常州溝組）、太古宇，普遍缺失古生界，不同區(qū)域受構(gòu)造、剝蝕等因素影響，地層發(fā)育序列和厚度有所不同。D13 井地層如表1 所示。

表1 D13 井設(shè)計與鉆遇地層Table 1 Design and as?drilled formation at D13 well

（1）本井原預(yù)計800 m 見薊縣系霧迷山組，但實際于998 m 處鉆遇長城系高于莊組，結(jié)合巖（礦）心切片鑒定報告結(jié)果，推斷本區(qū)域薊縣系霧迷山組厚度極薄或缺失。

（2）第四系地層底界埋深340 m，厚度340 m。巖性主要為灰黃、黃棕粘土、粉質(zhì)粘土、粉土層及不等厚的灰黃色粉砂、細(xì)砂層等。由于地層松散不成巖，采用大泵量噴射鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時調(diào)整鉆進(jìn)速度，控制井斜。同時調(diào)整鉆井液性能，滿足護(hù)壁、防塌要求。

（3）新近系明化鎮(zhèn)組地層底界埋深998 m，厚度為658 m。巖性以泥巖為主，主要為棕紅色、紅褐色、灰綠色、雜色泥巖等不等厚互層，部分泥巖含鈣化物質(zhì)較多；砂巖為灰綠色、灰黃色、淺綠色，含不等厚礫砂巖。上部砂巖膠結(jié)松散，下部砂巖較堅硬，部分顆粒顯風(fēng)化。以棕紅色泥巖結(jié)束。地層遇水易膨脹、縮徑，鉆井液性能以護(hù)壁和降失水為主，同時控制好粘度和密度。

（4）薊縣系高于莊組地層底界埋深1435 m，厚度為437 m。巖性以白云巖為主，頂部是灰白色泥質(zhì)白云巖、灰褐色花斑狀白云巖，富含燧石條帶、團(tuán)塊，結(jié)晶程度高，部分層位有方解石填充?？紫逗土芽p發(fā)育良好，鉆進(jìn)過程中易發(fā)生漏失，鉆進(jìn)過程中應(yīng)及時補充惰性堵漏材料。地層內(nèi)燧石條帶和團(tuán)塊造成地層軟硬不均，鉆進(jìn)過程中易對鉆頭造成沖擊，選擇抗沖擊性能好的鉆頭。

（5）長城系大紅峪組地層底界埋深2151 m，厚度為716 m。上段為粗面玄武巖，含不規(guī)則狀瑪瑙、綠泥石等填充物，部分巖層有不規(guī)則巖層裂隙發(fā)育。下段為灰白色泥質(zhì)角礫白云巖，裂隙發(fā)育良好。地層傾角較大，自然造斜明顯，鉆進(jìn)過程中優(yōu)化鉆具組合、采用控向鉆進(jìn)，控制井身軌跡。

（6）太古宙地層，鉆至2506.14 m，未揭穿。巖性為肉紅色鉀長片麻巖，角閃二長片麻巖。地層研磨性強，鉆進(jìn)過程中影響鉆頭壽命，采用硬度較高的鉆頭。

1.4 鉆井結(jié)構(gòu)

一開?444.5 mm 鉆進(jìn)至363.88 m，下入?339.7 mm×9.65 mm 套管，下入井段0～363.88 m，全井段固井。二開?311.2 mm 鉆進(jìn)至857.57 m，下入? 244.5 mm×8.94 mm 套 管 ，下 入 井 段 329.56～857.57 m，全井段固井。三開?215.9 mm 鉆進(jìn)至1501.43 m，下入?177.8 mm×8.05 mm 三開套管，下入井段818.23～1501.43 m，“穿鞋戴帽”固井。四開 ?152.9 mm 鉆進(jìn)至 2506.14 m［11-14］。

1.5 施工難點

（1）D13 井為地?zé)峥碧骄?，明化?zhèn)組以深可參考資料較少，實際鉆遇地層與設(shè)計地層相差較大，對施工造成了一定影響。

（2）鉆進(jìn)過程中，根據(jù)地層變化需要進(jìn)行取心。全面鉆進(jìn)和取心鉆進(jìn)所需的工藝參數(shù)相差較大，要求鉆機運行參數(shù)調(diào)整范圍寬、控制精度高。

（3）XD-40 型鉆機自帶泥漿泵排量偏小，不適合大口徑鉆進(jìn)，需要單獨配套鉆井泵及固控系統(tǒng)。

2 設(shè)備介紹

XD-40 型鉆機由垂直起升井架、底座、天車、游車大鉤、主絞車、轉(zhuǎn)盤、液氣系統(tǒng)、VFD 房、司鉆房等組成，采用交流變頻技術(shù)、自動化控制技術(shù)、PLC 控制技術(shù)等，可實現(xiàn)提升系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)無級調(diào)速，具備數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能。鉆機總體構(gòu)成示意及現(xiàn)場施工如圖2 所示，主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示，其他配套裝置如表3 所示。

表2 XD-40 型鉆機主要技術(shù)參數(shù)[4-6]Table 2 Main technical parameters of XD-40 rig

表3 其他配套裝置Table 3 Matching equipment

圖2 XD-40 型鉆機總體構(gòu)成及施工現(xiàn)場Fig.2 General structure of XD-40 drilling rig and working at site

3 施工情況介紹

3.1 一開簡介

本井于2018 年8 月21 日開鉆，一開完鉆時間2018 年8 月24 日。根據(jù)設(shè)計要求及施工經(jīng)驗，開孔采用?444.5 mm 牙輪鉆頭鉆進(jìn)至363.88 m，穿過第四系，進(jìn)入明化鎮(zhèn)組地層18.88 m。一開鉆進(jìn)主要鉆遇上部第四系土層，由于上部地層松散不成巖，鉆進(jìn)時控制鉆壓、轉(zhuǎn)速，采用大泵量噴射鉆進(jìn)。

全面鉆進(jìn)鉆具組合：?444.5 mm 牙輪鉆頭+? 203 mm 鉆鋌+?178 mm 鉆鋌+?127 mm 鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓 20～130 kN，轉(zhuǎn)速50～60 r/min，泵量28～31.1 L/s。一開鉆井液配置：水+膨潤土+銨鹽+純堿。鉆井液性能參數(shù)：密度1.03～1.10 g/cm3，漏斗粘度 29～39 s，濾失量 9～12 mL，泥餅厚≤1.5 mm。

3.2 二開簡介

2018 年 8 月 30 日二開使用 ?311.2 mm 牙輪鉆頭開鉆，2018 年 9 月 6 日鉆至 857.57 m 二開完鉆。鉆遇地層主要為明化鎮(zhèn)組泥巖、砂巖，地層較松散，遇水易膨脹、縮徑，鉆井液性能以護(hù)壁和降失水為主，同時重點控制粘度和密度。

全面鉆進(jìn)鉆具組合：?311.2 mm 牙輪鉆頭+? 203 mm 鉆鋌+?177.8 mm 鉆鋌+?127 mm 鉆桿。全面鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓30～100 kN，轉(zhuǎn)速30～50 r/min，泵量28～30 L/s。鉆井液配置：水+膨潤土+銨鹽+純堿。鉆井液性能參數(shù)：密度1.06～1.14 g/cm3，漏斗粘度31～48 s，濾失量6～10 mL，泥餅厚≤1 mm。

二開取心鉆進(jìn)鉆具組合：?215.9 mm 取心鉆頭+川8-3 型取心鉆具+?177.8 mm 鉆鋌+?127 mm 鉆桿。取心鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓30～35 kN，轉(zhuǎn)速30r/min，泵量 11 L/s。

3.3 三開簡介

本 開 次 于 2018 年 9 月 18 日 使 用 ?215.9 mm 牙輪鉆頭開鉆，2019 年1 月2 日完鉆，鉆遇地層主要為薊縣系高于莊組泥質(zhì)白云巖和長城系大紅峪組粗面玄武巖。

全面鉆進(jìn)鉆具組合：?215.9 mm 牙輪鉆頭+? 177.8 mm 鉆鋌+?165 mm 鉆鋌+?159 mm 鉆鋌+?127 mm 鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓50～120 kN，轉(zhuǎn)速50～65 r/min，泵量 30～35 L/s。鉆井液配置：水+膨潤土+銨鹽+純堿。鉆井液性能參數(shù)：密度1.06～1.10 g/cm3，漏斗粘度 25～40 s，濾失量 7～10 mL，泥餅厚≤0.8 mm。三開段部分全漏失地層采用清水強鉆。

三開取心鉆進(jìn)鉆具組合：?215.9 mm 取心鉆頭+川8-3 型取心鉆具+?177.8 mm 鉆鋌+?127 mm 鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓40～50 kN，轉(zhuǎn)速40～50 r/min，泵量 12～15 L/s。

3.4 四開簡介

本開次于 2019 年 1 月 9 日使用 ?152.4 mm 牙輪鉆頭開鉆，2019 年3 月9 日完鉆。鉆遇地層主要為長城系大紅峪組粗面玄武巖、泥質(zhì)白云巖、炭質(zhì)頁巖、凝灰?guī)r和太古宇角閃巖、片麻巖。由于四開井段較深，部分井段地層破碎，鉆井液以防塌護(hù)壁為主，并控制濾失量。鉆井液性能參數(shù)調(diào)整為：密度1.06～1.15 g/m3，漏斗粘度 36～51 s，濾失量 8～10 mL，泥餅厚≤0.7 mm。

全面鉆進(jìn)鉆具組合：?152.4 mm 牙輪鉆頭+? 121 mm 鉆鋌+?89 mm 加重鉆桿+?89 mm 鉆桿+?127 mm 鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓30～80 kN，轉(zhuǎn)速40～50 r/min，泵量 30～35 L/s。

取心鉆進(jìn)鉆具組合：?152.4 mm 取心鉆頭+川6-3 型取心鉆具+?121 mm 鉆鋌+?89 mm 加重鉆桿+?89 mm 鉆桿+?127 mm 鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓20～40 kN，轉(zhuǎn)速25～30 r/min，泵量12～15 L/s。

4 事故處理

4.1 卡鉆事故

三開鉆進(jìn)至947 m 處開始出現(xiàn)漏失，1007 m 后地層全部漏失，期間試過多次堵漏方案，均無明顯效果。頂漏鉆進(jìn)至1584.65 m 時發(fā)生卡鉆事故，上下活動鉆具幾個小時后依舊未能解卡，最大上提力1350 kN，然后使用?177.8 mm 地面震擊器成功解卡。

4.2 隨鉆糾斜

在四開開鉆后，因地層復(fù)雜，地層傾角較大，進(jìn)行了加密測斜并不斷調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。在使用常規(guī)鉆具組合鉆進(jìn)至1666.33 m 后，發(fā)現(xiàn)井斜增大至9.6°，井斜增長較快，井斜控制難度較大，決定使用隨鉆定向儀器進(jìn)行吊打糾斜。2019 年1 月18 日開始使用隨鉆定向儀器和螺桿鉆具組合進(jìn)行鉆進(jìn)，糾斜效果明顯，隨鉆定向儀器使用井段為1666.33～2322.40 m，2311.40 m 井斜降至1.4°。定向鉆進(jìn)鉆具組合：? 152.4 mmPDC 鉆 頭 + ?120 mm 螺 桿 +MWD 短節(jié)+?120 mm 無磁鉆鋌+?121 mm 鉆鋌+?89 mm 加重鉆桿+?89 mm 鉆桿+?127 mm 鉆桿。定向段鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓30～40 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速0，泵量13～17 L/s。復(fù)合段鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓30～40 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速10～20 r/min，泵量13～17 L/s。

5 鉆機性能表現(xiàn)

在D13 井施工期間，XD-40 型鉆機完成了全井的鉆探工作量，總進(jìn)尺2506.14 m，其中取心12 回次，取心進(jìn)尺50.51 m，巖心長度總計41.85 m，全井平均巖心采取率82.86%。完成了下套管、固井等成井工作，體現(xiàn)了鉆機的綜合能力。

在卡鉆事故處理過程中，強力起拔力達(dá)到1350 kN，證明了絞車的提升能力。底座高度5 m，滿足現(xiàn)場防噴器安裝所需的空間。轉(zhuǎn)盤無級調(diào)速功能滿足了全面鉆進(jìn)、取心鉆進(jìn)及復(fù)合鉆進(jìn)對轉(zhuǎn)速不同的需求，體現(xiàn)了變頻調(diào)速的優(yōu)勢［15］。在施工過程中分別觸發(fā)過卷防碰、天車防碰一次，防碰裝置安全可靠，絞車緊急制動效果良好，有效避免了事故的發(fā)生。

XD-40 型鉆機采用的交流變頻系統(tǒng)能耗較少、節(jié)能環(huán)保。對比在容城地?zé)崽锸┕さ腄11、D12 井，XD-40 鉆機平均每米節(jié)省電費分別為4%、21.9%，如表4 所示。

表4 D11、D12、D13 井用電對比Table 4 Comparison of power consumption for Well D11,D12 and D13

6 問題及建議

（1）與傳統(tǒng)石油鉆機相比，XD-40 型鉆機提下鉆速度偏慢，建議增大主絞車電機功率，并合理分配減速箱傳動比。

（2）XD-40 型鉆機自帶泥漿泵不能提供大口徑鉆探施工所需泵量，建議匹配鉆井泵及固控系統(tǒng)，以形成完整的施工裝備。

（3）底座的前場面積較小，不方便安裝液氣大鉗。電氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)對維護(hù)人員要求較高，建議施工時配備具有電氣經(jīng)驗的技術(shù)人員。

7 結(jié)語

在D13 井施工期間，XD-40 型鉆機完成了鉆井、取心、下套管等工作，為獲取地層參數(shù)、評價熱儲提供了支撐。經(jīng)過D13 井生產(chǎn)實踐，充分驗證了了XD-40 型鉆機的技術(shù)性能，體現(xiàn)了安全可靠、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，可應(yīng)用于井深2500～2800 m 的地?zé)峋┕ぁ?/p>