葛曉華,翟育峰*,王魯朝,孫飛飛,姜 曉
(1.山東省地礦局鉆探工程技術(shù)研究中心,山東 煙臺 264004;2.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 煙臺 264004)
深部地震監(jiān)測是當(dāng)前地球科學(xué)研究的熱點前沿領(lǐng)域。通過在深部鉆孔中開展長期、連續(xù)的多參量地震監(jiān)測,可以獲取連續(xù)的、高分辨率的地震、形變、地溫等數(shù)據(jù),從而有效地服務(wù)于地球科學(xué)系統(tǒng)深部探測和防災(zāi)減災(zāi)等國民經(jīng)濟建設(shè)。中國地震局地球物理研究所依托南黃海大陸架科學(xué)鉆探CSDP-2孔進行擴孔改造,開展海洋深部地震監(jiān)測,是“一帶一路”地震監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。本文系統(tǒng)介紹了CSDP-2孔擴孔改造過程中相關(guān)鉆探工藝和突發(fā)事件處理經(jīng)驗,以期為今后海洋深部鉆探提供技術(shù)支撐和經(jīng)驗參考。
CSDP-2孔位于連云港以東約170 km,射陽河口東北約110 km,在構(gòu)造上位于南黃海盆地中部隆起之上(見圖1)[1]。CSDP-2孔原孔鉆遇地層巖性如下:0~646 m為未固結(jié)的松散沉積物,646~1722 m為長石巖屑砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖互層,1722~1980 m為灰?guī)r層,1980~2350 m以石英砂巖為主夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,2350~2843.18 m為泥巖、粉砂巖夾白云巖[2-3]。由此可見,本次擴孔改造鉆探的目標(biāo)地層巖性全部為沉積巖,巖性復(fù)雜多變,對鉆探方法、鉆具組合等技術(shù)參數(shù)的選擇帶來較大的挑戰(zhàn)。
圖1 研究區(qū)構(gòu)造簡圖及CSDP-2孔鉆孔位置[1]Fig.1 Structure of the study area and the location of CSDP-2
本次鉆探施工是在“探海一號”鉆井平臺上對CSDP-2孔進行擴孔改造。要求擴孔后的裸眼孔徑≮150 mm,鉆探深度≮2800 m,全孔孔斜≯5°,全孔最大“狗腿”度≯2°/30 m。相較于原CSDP-2鉆孔施工,本次鉆探對孔徑、孔斜等技術(shù)要求更高,施工技術(shù)難度更大。
“探海一號”鉆井平臺是本單位自主研發(fā)的,平臺上原有的HXY-8型鉆機提升力、BW-300/16型泥漿泵沖洗液排量、配套鉆具扭矩等均無法滿足施工需要,而選用成套石油鉆井設(shè)備超出鉆井平臺承載能力。根據(jù)鉆井平臺現(xiàn)有條件及鉆孔設(shè)計要求的深度、終孔直徑、地層情況,選用TSJ3000-445型機械傳動式轉(zhuǎn)盤水井鉆機,配套BW-1500/12、BW-1000/12型2臺臥式三缸單作用泥漿泵,能夠滿足3000 m深度內(nèi)的鉆探施工[4-5]。施工現(xiàn)場見圖2,主要設(shè)備配置情況見表1。
表1 鉆探施工主要設(shè)備Table 1 Main drilling equipment
圖2 施工現(xiàn)場Fig.2 Drilling site
一開?219 mm套管152.15 m、二開?168 mm套管646 m為原CSDP-2號孔預(yù)留,已經(jīng)完成固井作業(yè)[4],本次擴孔從三開646 m開始,?152.4 mm口徑擴孔至2801.86 m,裸孔完鉆。擴孔改造前后鉆孔結(jié)構(gòu)見圖3。
圖3 CSDP-2鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of CSDP-2
本次擴孔鉆探使用的鉆具組合以定向鉆具組合為主,鉆遇地磁影響隨鉆測斜信號質(zhì)量孔段或鉆遇漏失嚴(yán)重孔段,孔口返漿量少鉆井液傳遞隨鉆測斜信號弱時,需起鉆更換調(diào)整為常規(guī)鉆具組合[6]。
(1)定向鉆具組合:?152.4 mm鉆頭+?120 mm單彎定向螺桿鉆具(1.5°)+?150 mm扶正器+定向接頭+?120 mm無磁鉆鋌1根+?120 mm鉆鋌6根57.6 m+?89 mm鉆桿+方保+旋塞+方鉆桿。
(2)常規(guī)鉆具組合:?152.4 mm鉆頭+?120 mm鉆 鋌12根115.2 m+?149 mm扶 正 器+?89 mm鉆桿+方保+旋塞+方鉆桿。
根據(jù)鉆進孔深與原CSDP-2孔取出巖心,判斷地層的抗壓強度、可鉆性,合理選擇鉆頭,鉆進時發(fā)現(xiàn)地層發(fā)生改變或進尺變慢,及時起鉆檢查更換鉆頭。鉆頭選配見表2,擴孔改造使用的鉆頭見圖4。鉆遇抗壓強度高、有硬夾層的地層,537牙輪鉆頭掉齒(圖4b),鉆遇抗壓強度低、可鉆性級別低的松軟地層,PDC鉆頭出現(xiàn)泥包(圖4d)。
圖4 擴孔改造使用的鉆頭Fig.4 Drill bits used for reaming
表2 鉆頭選配Table 2 Drilling bits
施工中根據(jù)原CSDP-2鉆孔地層巖性特點,調(diào)整鉆進技術(shù)參數(shù)。采用的鉆進技術(shù)參數(shù)見表3。
表3 鉆進參數(shù)選擇Table 3 Drilling parameters
主要使用海水低固相聚合物沖洗液體系,在原鉆孔使用的沖洗液配方基礎(chǔ)上加入膨潤土、增粘劑、降失水劑、燒堿等泥漿材料,提高沖洗液密度,增加粘度,降低失水量,使原有小口徑?jīng)_洗液滿足大口徑鉆進的護壁、攜砂技術(shù)要求,并增加現(xiàn)場沖洗液儲備,配置備用壓井泥漿預(yù)防含油氣孔段孔內(nèi)有害氣體溢出。在施工過程中依據(jù)鉆遇地層需求實時對沖洗液性能進行調(diào)整?,F(xiàn)場配方:1 m3海水+2 kg燒堿+2 kg純 堿+50 kg鈉 膨 潤 土+8 kg增 粘 劑 抗 鹽共聚物(GTQ)+10 kg降失水劑(GPNA)+10 kg接枝淀粉(GSTP)+10 kg隨鉆堵漏劑(GPC)+20 kg封堵劑(GFD-1)+2 kg包被劑(GBBJ)。其他材料包括氫氧化鉀(提高pH值,抑制泥巖水化膨脹分散),重晶石(提高密度,平衡地層壓力),除硫劑(去除地層中的硫化氫)。根據(jù)不同地層情況及不同工況,及時調(diào)整各沖洗液處理劑加量,從而使沖洗液性能滿足施工需求[7-9]。沖洗液性能見表4。
表4 沖洗液性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of drilling fluid
鉆孔的孔斜預(yù)防與控制主要以YST-48R型泥漿脈沖隨鉆測斜儀實時跟蹤鉆進軌跡,配合單彎螺桿鉆具定向鉆進糾斜,復(fù)合鉆進穩(wěn)斜為主。鉆遇嚴(yán)重漏失地層,泥漿泵泵壓過低,孔底泥漿脈沖信號弱或鉆遇重磁場孔段泥漿脈沖信號錯誤時,需提出鉆具檢查,更換常規(guī)鉆具,依靠增加鉆鋌根數(shù),孔底加壓鉆進。鉆進中嚴(yán)禁靠加壓追求進尺。針對頂層進,采取吊打措施,并做到勤測斜。針對順層跑,采取中壓中高轉(zhuǎn)的參數(shù),做到少進尺,勤測斜,及時掌握鉆孔軌跡[10-12]。全孔最大孔斜4.94°,位于2490 m;最大“狗腿”度1.86°/30 m,位于1440 m??咨碣|(zhì)量符合合同要求。
3.7.1 PDC鉆頭出現(xiàn)泥包
646~1722 m孔段為長石巖屑砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、灰?guī)r互層,地層部分孔段夾雜軟質(zhì)粘土層,泥巖、灰?guī)r的強造漿作用,致使PDC鉆頭極易出現(xiàn)泥包。
解決方案:一般造漿地層,采用調(diào)整沖洗液性能的方法,降低粘度,減少固相含量,提高流動性,降低鉆頭泥包的可能;強造漿地層在一般地層處理的基礎(chǔ)上,加入氫氧化鉀抑制泥巖造漿,使用三牙輪鉆頭替換PDC鉆頭鉆進。
3.7.2 鉆遇漏失、坍塌、復(fù)雜地層
1400~2600 m孔段為灰?guī)r層、石英砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖夾白云巖等夾雜煤層,油氣層(含硫化氫)有不同程度的破碎帶與大裂隙,漏失,大顆粒掉塊多,地層穩(wěn)定性極差,加鉆桿、起下鉆時,需重復(fù)劃眼,并出現(xiàn)多次起鉆輕度卡阻[13];該孔鉆進至孔深2010 m處,開始漏漿,返漿量很少。
現(xiàn)場處理:(1)對滲透性漏失,首先提高沖洗液粘度、切力,降低沖洗液密度和泵的排量,并在原漿中補充隨鉆堵漏劑,頂漏鉆進,隨鉆隨堵。漏失過快時,將鉆具提離孔底停泵靜置,使用沖洗液中固相顆粒巖屑等隨漏失沖洗液進入地層裂隙堵漏。鉆進至2029 m處,鉆孔嚴(yán)重漏失,沖洗液只進不出,全部流入地層中,現(xiàn)場在沖洗液中加入復(fù)合堵漏劑,主要成分包括鋸末、麻刀、核桃殼、粘土塊(粘土球)等,并注入膠質(zhì)水泥、石灰乳,使其具有一定的流動性。配漿完成繼續(xù)鉆進,孔口返漿量逐漸增大,鉆進到2040 m沖洗液消耗量穩(wěn)定在4 m3/h,鉆進到2070 m,沖洗液材料耗盡,提鉆。(2)輕度卡鉆預(yù)防與處理,在正常鉆進過程中,尤其是上提接單根時,做到上提必劃眼,確保裸眼孔段上提下放無阻力時接單根。在出現(xiàn)嚴(yán)重漏失后,提鉆多次遇阻,接方鉆桿建立循環(huán),需上下活動鉆具劃眼提鉆。原因分析,在鉆進過程中,當(dāng)鉆遇含油、氣、水層時,如果該油、氣、水層的壓力大于循環(huán)沖洗液液柱的壓力,或者由于起下鉆作業(yè)對井筒產(chǎn)生抽吸作用,降低了井筒壓力,油、氣、水就會從地層進入循環(huán)沖洗液中,引起沖洗液的密度下降、沖洗液有氣泡,孔口有外涌現(xiàn)象,沖洗液性能下降,護壁性能降低,攜砂能力不足。造成孔壁的不穩(wěn)定,卡鉆。接方鉆桿,循環(huán)沖洗液劃眼,可降低沖洗液中沉砂速度,避免沉沙卡鉆的發(fā)生。
(1)利用自主研發(fā)的“探海一號”海上鉆探平臺,圓滿、高效地完成了CSDP-2孔2801.86 m深的擴孔改造施工,鉆探周期152天,其中海上避風(fēng)53天,經(jīng)歷近10個十級以上大風(fēng)(臺風(fēng)、寒潮)考驗,該孔終孔口徑152.4 mm,最大孔斜4.94°,最大“狗腿”度1.86°/30 m,各項技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求。
(2)選用TSJ3000-445型機械傳動式轉(zhuǎn)盤水井鉆機和BW-1500/12、BW-1000/12型雙泥漿泵配合,與石油鉆探設(shè)備相比,做到選配設(shè)備模塊化、便攜化,有效減輕了鉆井平臺負(fù)載,滿足了生產(chǎn)需求。引進油氣鉆井用SYT-48R型泥漿脈沖隨鉆測斜儀配合單彎螺桿鉆具隨鉆定向糾斜、穩(wěn)斜,有效減少鉆孔單點測斜校對時間,保證了鉆孔質(zhì)量。配制海水低固相聚合物沖洗液體系,有效解決鉆孔水敏性泥巖吸水膨脹及分散造漿、破碎地層漏失、含氣地層有害氣體溢出等難題,避免了孔內(nèi)事故的發(fā)生。在裝備、器具和工藝方面,形成了一套海上深孔鉆探擴(鉆)孔施工技術(shù)。
(3)原平臺泥漿罐為小口徑巖心鉆探使用,沖洗液儲備不能滿足本次施工要求,常規(guī)油氣鉆探過多的泥漿罐擺放給平臺承載和現(xiàn)場施工場地空間增大壓力。而平臺的多箱體構(gòu)造為啟用平臺箱體作為泥漿罐提供了條件。對部分箱體進行了改造處理作為泥漿罐,為強造漿孔段沖洗液儲備保留提供了條件,滿足了破碎帶、大裂隙、含氣層造成漏失、嚴(yán)重漏失段對備用漿的補充、儲備要求[14-15]。
在鉆井平臺上采用?152.4 mm口徑全面給進鉆具施工2800 m深的鉆孔,在南黃海海域沒有可成功借鑒的案例,是一個非常大的挑戰(zhàn)。通過選配適宜的鉆探設(shè)備及海上深孔鉆探擴孔施工技術(shù),完成了CSDP-2孔擴孔施工任務(wù),保障了“一帶一路”地震監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)的實施。其技術(shù)可為以后海洋深部鉆探提供技術(shù)支撐。
海上鉆探工程的實施應(yīng)當(dāng)充分考慮鉆井平臺的空間限制、承載能力,鉆探設(shè)備、鉆探工具選配要做到適應(yīng)性、實用性,確保平臺安全生產(chǎn)。海上鉆探與陸地鉆探相比,環(huán)境差別較大,在海上鉆探施工過程中生產(chǎn)、生活、醫(yī)藥物資、安全設(shè)施配備須保持過盈,滿足施工周期需求。