雷州2000 m地震綜合觀測(cè)井土建工程設(shè)計(jì)與施工

廖一帆，勞 謙，丁莉莎，譚爭(zhēng)光，柯乃琛，楊建安

（廣東省地震局，廣州 510070）

0 引言

地震是一種對(duì)人類造成巨大損害的自然災(zāi)害，大震級(jí)的地震還會(huì)給震區(qū)人們帶來毀滅性的災(zāi)難。我國位于世界兩大地震帶—環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震斷裂帶十分發(fā)育，且地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣，因此，地震監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)工作顯得尤為重要。目前，國內(nèi)地震觀測(cè)臺(tái)站大多采用井下地震監(jiān)測(cè)，這樣可以減少地面噪聲干擾，提高地震監(jiān)測(cè)精度，為預(yù)報(bào)地震和開展各項(xiàng)研究工作提供科學(xué)、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料[1]。

井下地震監(jiān)測(cè)涉及到地震監(jiān)測(cè)深井的設(shè)計(jì)與施工等工作，國外在超深井鉆探方面起步較早，美國早在1949 年就完成了6225 m 超深井的鉆探工作，1972年便完成了9159 m的特超深井鉆探工作[2]；前蘇聯(lián)更是在1984 年創(chuàng)造了12 262 m 的世界特超深井紀(jì)錄，又在1991 年將深度鉆至12 869 m[3]。我國深井超深井技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)階段：第一階段從1966 年我國完成了第一口深度為4 719 m 的大慶松基6 井開始，之后又陸續(xù)在大港、勝利和江漢油田鉆進(jìn)了5 口深井，完成了由打淺井和中深井發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)積累。第二階段從1976 年開始，我國在四川盆地完成了第一口超6000 m（6011 m）的鉆探深井，標(biāo)志著我國已具有超深井的鉆探能力，之后又陸續(xù)完成10 口超深井的鉆探工作，其中，有兩口井深已超7000 m。第三個(gè)階段從1986 年開始，我國陸續(xù)完成深井超深井共678 口，其中，最深的塔深1井達(dá)到了8408 m，標(biāo)志著我國已完全具備超深井鉆井技術(shù)[4-7]。

雖然我國鉆井技術(shù)已完全達(dá)到超深井的技術(shù)水平，但大多都是用于石油及新能源鉆探方面，而很少用于地震監(jiān)測(cè)，本文針對(duì)雷州深井土建工程，詳細(xì)介紹了2000 m 地震監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)與施工方案，并針對(duì)本項(xiàng)目中的施工技術(shù)難點(diǎn)，采用了優(yōu)化泥漿配比、孔斜控制和固井工藝等手段來解決以上難點(diǎn)，最后，采用綜合測(cè)井技術(shù)對(duì)孔壁圍巖的巖性變化進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，該深井的設(shè)計(jì)與施工過程可為其它地震監(jiān)測(cè)井項(xiàng)目提供可靠的案例參考。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介與地質(zhì)構(gòu)造

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

“雷州2000 m 地震綜合觀測(cè)井”主要利用國際頂尖的深井高溫電學(xué)和光學(xué)觀測(cè)設(shè)備開展井下長期連續(xù)觀測(cè)，是中國地震局地球物理研究所牽頭實(shí)施的國家“一帶一路地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)項(xiàng)目”的重點(diǎn)國工程，是我國首例新鉆2000 m 深井的地震重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，也是世界首例采用光纖傳感器及光纖傳輸?shù)牡卣鸨O(jiān)測(cè)深井。項(xiàng)目建成后，將進(jìn)一步豐富我省地震觀測(cè)手段，有效提升地震監(jiān)測(cè)精確度，為北部灣城市群的高質(zhì)量發(fā)展和湛江海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更優(yōu)質(zhì)的地震安全保障服務(wù)。

1.2 施工場(chǎng)地地質(zhì)信息

據(jù)已有地質(zhì)資料分析可知，該施工場(chǎng)地鉆遇地層自上至下為：第四系，新近系望樓港組、燈樓角組、角尾組、下洋組，古近系潿洲組、流沙港組，古生界（未穿），所鉆地層層序與設(shè)計(jì)有出入，實(shí)鉆未鉆遇流沙港組流一段、流二段及長流組地層。目的層潿洲組、下洋—角尾組埋深與設(shè)計(jì)有一定誤差。角尾組底界垂深919.4 m，垂厚419.4 m，埋深比設(shè)計(jì)垂深827.0 m 低92.4 m，厚度增加92.4 m。下洋組底界垂深1234.3 m，垂厚314.9 m，埋深比設(shè)計(jì)垂深1290.0 m 高55.7 m，厚度減少148.1 m。潿洲組一段底界垂深1446.8 m，垂厚212.5 m，埋深比設(shè)計(jì)垂深1450.0 m 高3.2 m，厚度增加52.5 m。潿洲組二段底界垂深1725.8 m，垂厚279.0 m，埋深比設(shè)計(jì)垂深1850.0 m 高124.2 m，厚度減少121.0 m。潿洲組三段底界垂深2164.7 m，垂厚438.9 m，埋深比設(shè)計(jì)垂深2230.0 m 高65.3 m，厚度增加58.9 m。流沙港組三段底界垂深2322.7 m，垂厚158.0 m，埋深比設(shè)計(jì)垂深2665.0 m高342.3 m，厚度減少202.0 m。其中，2000 m 地震監(jiān)測(cè)井圍巖的巖性劃分可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料進(jìn)行更詳細(xì)的分析。

2 鉆井工程設(shè)計(jì)與施工

2.1 鉆井設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中地震監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)深度為2000 m，全井采用四開的鉆井施工方式鉆進(jìn)，圖1為2000 m鉆井施工流程圖，其中一開、二開與三開鉆孔下套管之前需對(duì)井壁開展綜合測(cè)井試驗(yàn)，并利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)孔壁的巖性特征進(jìn)行詳細(xì)的描述，為地震監(jiān)測(cè)提供詳細(xì)的地質(zhì)資料。

圖1 2000 m四開地震監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)圖紙F(tuán)ig.1 Design drawing of 2000 m four-open seismic monitoring well

其中，一開設(shè)計(jì)井眼直徑為Φ444.5 mm，井深約20 m，采用Φ339.7鋼級(jí)J55石油套管；二開設(shè)計(jì)井眼直徑Φ311.1 mm，井深500 m 左右，采用Φ 244.5 mm鋼級(jí)為N80的石油套管；三開設(shè)計(jì)井眼直徑Φ215.9 mm，井深1 500 m 左右，采用Φ177.8×8.05 mm 鋼級(jí)為N80 的石油套管；四開設(shè)計(jì)井眼直徑Φ152.4 mm直至鉆至完井。圖2為2000 m四開鉆井施工流程圖。

圖2 四開地震監(jiān)測(cè)井施工流程Fig.2 Construction process of four-open seismic monitoring well

2.2 工程技術(shù)難點(diǎn)

該井深度為2000 m，要求井徑不小于150 mm，鉆井地層主要為粘土、粉砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖，地層疏松，膠結(jié)性差鉆進(jìn)時(shí)易垮塌、擴(kuò)徑及漏失等；四開裸眼井段長，上部井眼尺寸大、環(huán)間隙大，下部鉆具組合優(yōu)選困難，孔斜角難控制；鉆井深度大，地層壓力大，易井斜。

2.3 設(shè)備簡(jiǎn)介

2.3.1 鉆機(jī)優(yōu)選

圖3為該2000 m地震監(jiān)測(cè)井采用的XSC1200鉆機(jī)，該鉆機(jī)最大下壓力可達(dá)260 kN，最大拉力為1200 kN，當(dāng)鉆孔直徑在150 mm 以上時(shí)，最深可鉆3000 m，該鉆機(jī)的各性能參數(shù)如下表1所示。

表1 XSC1200車載式深井鉆機(jī)性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of XSC1200 truck-mounted deep well drilling rig

圖3 XSC1200鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)施工Fig.3 Site construction of XSC1200 drilling rig

2.3.2 鉆具組合選取

本次鉆井工程主要采用全面破碎鉆進(jìn)工藝，四開鉆井根據(jù)各區(qū)段的地質(zhì)條件和技術(shù)要求，應(yīng)設(shè)計(jì)不同類型的鉆頭與螺桿泥漿馬達(dá)，下表2 為2000 m四開地震監(jiān)測(cè)井各鉆孔階段的鉆具組合。

表2 鉆具組合設(shè)計(jì)表Table 2 Combination design table of drilling tools

2.3.3 孔口防噴裝置

防噴器是鉆井施工中的至關(guān)重要的安全裝置，主要作用有防止井噴事故、控制井壓、維護(hù)井眼的完整性等，確保鉆井過程的順利進(jìn)行，由于本此鉆井工程中的技術(shù)套管和生產(chǎn)套管均不在井口，所以三開共用一套井口裝置，考慮地層壓力與井身壓力，圖4 為本工程選用通徑350 mm 的FK35-35雙閘板防噴器。

圖4 井口控制裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of wellhead control device

2.4 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 鉆井液設(shè)計(jì)

鉆井液是鉆井工程中的血液，除了冷卻和潤滑鉆頭、鉆桿，還可以維護(hù)井壁穩(wěn)定和控制井深，此外，泥漿還能夠固定沉積好的巖粉和巖塊，減少其在鉆井過程中對(duì)井壁的破壞，同時(shí)也可以防止井壁塌陷，保證鉆井的安全施工。

本工程四開2000 m 深井地層疏松，巖性主要以粘土、粉砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，故本次鉆井工程主要需要鉆井液起到固井及巖屑攜帶的能力。基于上述要求本次鉆井工程所需的鉆井液參數(shù)如表3 所示，對(duì)應(yīng)的鉆井液配方表如下表4所示。

表3 鉆井液性能表Table 3 Performance table of drilling fluid

表4 鉆井液配方表Table 4 Formula table of drilling fluid

2.4.2 孔斜控制

由于該地區(qū)地層比較松散，且鉆井有2000 m，在鉆進(jìn)過程中為了保證鉆孔的的孔心在同一條垂線上，在鉆孔施工過程中每鉆進(jìn)100 m 及終孔時(shí)均要測(cè)定鉆孔的傾角、方位角，且嚴(yán)格按照地?zé)徙@井規(guī)范要求，200 m 孔斜≤1°、1 000 m 孔斜≤3°、1 000 m 以上孔斜≤5°，全角變化率不大于2.25°/30 m，若超差則及時(shí)采取糾正措施。

2.4.3 固井施工技術(shù)措施

固井的質(zhì)量的好壞是地震監(jiān)測(cè)井施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要技術(shù)措施有：①優(yōu)選固井設(shè)備，采用2臺(tái)水泥車施工，控制好水泥漿密度，盡可能保證密度均勻；②水泥漿體系采用低失水常規(guī)水泥漿體系，水泥漿稠化時(shí)間：220 min/75 ℃；③采用高粘紊流前置液體系，提高頂替效率，保證固井質(zhì)量；④井隊(duì)備好水罐并提供足量的固井用水，必須做到水罐干凈，水質(zhì)無污染；⑤采用紊流頂替，提高水泥漿頂替效率；⑥由于替漿壓力較高，為提高頂替排量，保證施工安全，施工前配好1.50 g/cm3的重漿40 m3替漿時(shí)替入。

3 基于綜合測(cè)井的孔圍巖信息描述

四開鉆井上套管之前需采用綜合測(cè)井方法對(duì)鉆井圍巖的巖性進(jìn)行精確的劃分，圖5 為自然伽馬、聲波時(shí)差及自然電位等測(cè)井參數(shù)隨鉆進(jìn)深度的變化曲線。

圖5 地震監(jiān)測(cè)井綜合測(cè)井曲線Fig.5 Comprehensive logging curve of seismic monitoring well

基于圖5 分析可知，鉆井深度0～20 m 區(qū)間，巖性以灰黃色砂層及黏土層為主，淺層夾灰褐色風(fēng)化、半風(fēng)化玄武巖；在20～160 m 區(qū)間，巖性以灰色砂巖、礫巖為主，灰色砂巖與泥巖互層；在160～535 m 區(qū)間，巖性以灰綠色、灰黃色含礫細(xì)砂巖，灰色細(xì)砂巖、灰黃色砂礫巖分別與灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖呈不等厚互層；在535～998 m 區(qū)間，巖性以灰綠色、灰黃色砂礫巖為主，灰色細(xì)砂巖與砂質(zhì)泥巖呈不等厚互層；在998～1438 m 區(qū)間，巖性主要為砂礫巖夾砂質(zhì)泥巖；在1438～1726 m區(qū)間，巖性以淺灰黃色、灰白色砂礫巖與棕色泥巖呈不等厚互層；在1726～2000 m 區(qū)間，巖性以變質(zhì)砂巖為主。圖6為完工厚的含有地層信息的地震監(jiān)測(cè)井結(jié)構(gòu)示意圖，

圖6 2000 m地震監(jiān)測(cè)井結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of 2000 m seismic monitoring well

4 結(jié)論

（1）為了進(jìn)一步加強(qiáng)雷州半島和北部灣地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力，本文提出了利用國際頂尖的深井高溫電學(xué)和光學(xué)觀測(cè)設(shè)備對(duì)雷州半島和北部灣地區(qū)的構(gòu)造變形信息進(jìn)行長期觀測(cè)的方法，并詳細(xì)介紹了2000 m 四開地震監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)與施工方案，包括：鉆機(jī)鉆具優(yōu)選方案、孔口放噴、鉆井液配比優(yōu)選、孔斜控制及固井工藝等，該項(xiàng)目順利完工可為其它地震監(jiān)測(cè)深井施工提供了案例參考。

（2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件與施工情況，分析了2000 m 四開地震監(jiān)測(cè)井施工的技術(shù)難點(diǎn)，并依據(jù)相應(yīng)難點(diǎn)給出了鉆井液配比優(yōu)選、井斜控制和固井工藝等有效的應(yīng)對(duì)措施。

（3）在施工過程中采用自然伽馬、聲波時(shí)差、井溫、自然電位等綜合物理測(cè)井參數(shù)對(duì)鉆孔圍巖的巖性進(jìn)行了詳細(xì)的劃分。