南黃海地震監(jiān)測臺網(wǎng)CSDP-2孔擴(kuò)孔改造技術(shù)

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）

0 引言

深部地震監(jiān)測是當(dāng)前地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)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(jì)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(jìn)行擴(kuò)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(kuò)孔改造過程中相關(guān)鉆探工藝和突發(fā)事件處理經(jīng)驗(yàn)，以期為今后海洋深部鉆探提供技術(shù)支撐和經(jīng)驗(yàn)參考。

1 鉆孔地質(zhì)條件與技術(shù)要求

1.1 鉆孔地質(zhì)條件

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(kuò)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

1.2 鉆探技術(shù)要求

本次鉆探施工是在“探海一號”鉆井平臺上對CSDP-2孔進(jìn)行擴(kuò)孔改造。要求擴(kuò)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。

2 鉆探設(shè)備

“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(jī)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(jī)械傳動式轉(zhuǎn)盤水井鉆機(jī)，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

3 鉆探施工技術(shù)

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

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(kuò)孔從三開646 m開始，?152.4 mm口徑擴(kuò)孔至2801.86 m，裸孔完鉆。擴(kuò)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

3.2 鉆具組合

本次擴(kuò)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。

3.3 鉆頭選型

根據(jù)鉆進(jìn)孔深與原CSDP-2孔取出巖心，判斷地層的抗壓強(qiáng)度、可鉆性，合理選擇鉆頭，鉆進(jìn)時發(fā)現(xiàn)地層發(fā)生改變或進(jìn)尺變慢，及時起鉆檢查更換鉆頭。鉆頭選配見表2，擴(kuò)孔改造使用的鉆頭見圖4。鉆遇抗壓強(qiáng)度高、有硬夾層的地層，537牙輪鉆頭掉齒（圖4b），鉆遇抗壓強(qiáng)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(kuò)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

3.4 鉆進(jìn)參數(shù)

施工中根據(jù)原CSDP-2鉆孔地層巖性特點(diǎn)，調(diào)整鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)。采用的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 鉆進(jìn)參數(shù)選擇Table 3 Drilling parameters

3.5 沖洗液使用與調(diào)整

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(jìn)的護(hù)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(shí)時對沖洗液性能進(jìn)行調(diào)整。現(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

3.6 孔斜預(yù)防與軌跡控制

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(shí)時跟蹤鉆進(jìn)軌跡，配合單彎螺桿鉆具定向鉆進(jìn)糾斜，復(fù)合鉆進(jìn)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(jìn)。鉆進(jìn)中嚴(yán)禁靠加壓追求進(jìn)尺。針對頂層進(jìn)，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(jìn)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 復(fù)雜情況的預(yù)防和處理

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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)。

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(jìn)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(bǔ)充隨鉆堵漏劑，頂漏鉆進(jìn)，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(jìn)入地層裂隙堵漏。鉆進(jìn)至2029 m處，鉆孔嚴(yán)重漏失，沖洗液只進(jìn)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(jìn)，孔口返漿量逐漸增大，鉆進(jìn)到2040 m沖洗液消耗量穩(wěn)定在4 m3/h，鉆進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(hù)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。

4 技術(shù)成果

（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(kuò)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(yàn)，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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

（2）選用TSJ3000-445型機(jī)械傳動式轉(zhuǎn)盤水井鉆機(jī)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(jìn)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(diǎn)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(kuò)（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(jìn)行了改造處理作為泥漿罐，為強(qiáng)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(bǔ)充、儲備要求［14-15］。

5 結(jié)語

在鉆井平臺上采用?152.4 mm口徑全面給進(jìn)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(kuò)孔施工技術(shù)，完成了CSDP-2孔擴(kuò)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(shí)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(shí)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(shí)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。