羅治奇

(核工業(yè)天津工程勘察院,天津 301800)

中放廢液處置場(chǎng)強(qiáng)自然造斜地層鉆進(jìn)的防斜糾斜

羅治奇

(核工業(yè)天津工程勘察院,天津 301800)

核廢液的永久性處置是一個(gè)世界性難題,其技術(shù)和安全可靠性要求極高,因此,對(duì)處置場(chǎng)的勘察和鉆探技術(shù)質(zhì)量要求極嚴(yán)。我國(guó)某壓裂場(chǎng)是強(qiáng)自然造斜地層,其場(chǎng)地勘察和監(jiān)測(cè)井的鉆探施工孔斜是關(guān)鍵難題。在處置場(chǎng)的勘察和γ監(jiān)測(cè)井的鉆探施工中,通過(guò)采取相應(yīng)的防斜糾斜工藝和技術(shù)方法,取得了良好的防斜糾斜措施,達(dá)到了勘察和監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo),保證了勘察和鉆探施工質(zhì)量。

核廢液處置場(chǎng);造斜地層;防斜;糾斜;螺桿鉆

0 前言

放射性廢液的永久性處置對(duì)環(huán)境和安全要求極高,否則將對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。我國(guó)某中放廢液處置場(chǎng)采用水力壓裂水泥固化法處置中放廢液,即將中放廢液壓入一個(gè)穩(wěn)定的、與周?chē)Ω艚^的地質(zhì)體中永久存放,使之與生物圈隔絕。因此,對(duì)處置場(chǎng)的選址要求極高,對(duì)勘察和鉆探施工的技術(shù)、質(zhì)量也要求極嚴(yán)。

1 場(chǎng)地勘察和監(jiān)測(cè)井鉆井對(duì)孔斜的要求

在處置場(chǎng)老井場(chǎng)地和新井場(chǎng)地2個(gè)壓裂場(chǎng)地的水文地質(zhì)勘察和γ監(jiān)測(cè)井的鉆探施工和水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)、物探測(cè)井中,除要求查明場(chǎng)地的地質(zhì)狀況和水文地質(zhì)條件外,對(duì)其它各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)要求極高極嚴(yán)。在此強(qiáng)自然造斜地層中要求孔斜<1°/100 m,以使各勘察井和γ監(jiān)測(cè)井所處的空間位置離注射井相對(duì)準(zhǔn)確,能準(zhǔn)確測(cè)定圈出漿液注射后中放廢液漿片的分布范圍和深度,起到準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)作用,從而保證壓裂處置廢液的安全。

2 場(chǎng)區(qū)地層與自然造斜情況

處置場(chǎng)場(chǎng)地地層主要為志留系馬溪統(tǒng)(S1)、泥盆中統(tǒng)(D2)及第四系(Q)地層,巖層主要為泥質(zhì)頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、粉沙質(zhì)泥巖;場(chǎng)區(qū)地層走向?yàn)楸睎|—南西向,巖層傾角40°～60°。

由于頁(yè)巖和泥巖的各向異性差異極大,加之地層產(chǎn)狀較陡,使得場(chǎng)地地層自然造斜十分嚴(yán)重,地層的走向、傾角直接影響鉆孔的頂角和方位的變化,尤其以巖層傾角在40°～60°造斜最為嚴(yán)重,是勘察和鉆探施工對(duì)質(zhì)量指標(biāo)影響最突出的技術(shù)難題。原在該老場(chǎng)區(qū)勘察施工的單位,施工鉆孔的平均孔斜15.98 m/100 m,最大孔斜達(dá)28.5 m/100 m,孔斜嚴(yán)重程度由此可見(jiàn)一斑。因此,在該場(chǎng)地的勘察和鉆探施工中,要突出解決的是孔斜問(wèn)題。

3 預(yù)防孔斜的工藝技術(shù)措施

根據(jù)對(duì)前人在該場(chǎng)地初期鉆探施工資料的分析和我們的初步鉆探施工進(jìn)行分析研究,發(fā)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)鉆孔均朝120°～150°方位偏斜,其偏斜方位有規(guī)律可尋。根據(jù)場(chǎng)地地層的自然造斜規(guī)律,采用相應(yīng)的工藝技術(shù)方法預(yù)防,收到了較好的防斜效果。

3.1 根據(jù)地層造斜規(guī)律,反方位安裝鉆機(jī),預(yù)留提前量

根據(jù)場(chǎng)地鉆孔均朝向120°～150°方位跑斜的規(guī)律,在修建機(jī)場(chǎng)和安裝鉆機(jī)時(shí)盡可能將機(jī)場(chǎng)和鉆機(jī)走向方位調(diào)到(120°～150°)±90°,鉆機(jī)立軸朝向310°～330°之間,將鉆機(jī)立軸鉆桿頂角調(diào)到50′～1°,使鉆孔開(kāi)孔向地層自然造斜反方位鉆進(jìn),輔之以合理的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù),使鉆孔在一定深度內(nèi)難以回到垂直和轉(zhuǎn)向自然造斜方位跑斜,確保開(kāi)孔階段朝反向鉆進(jìn)。

3.2 把好開(kāi)孔、換徑關(guān)

開(kāi)孔時(shí)采用輕壓慢轉(zhuǎn),鉆進(jìn)5 m后測(cè)斜,保證頂角在50′～1°、方位角在310°～330°之間,否則要修正鉆孔。鉆進(jìn)孔深到2 m后換用較長(zhǎng)粗徑鉆具,保證其較好的導(dǎo)向性。見(jiàn)完整基巖下好套管后,換徑時(shí)帶導(dǎo)正器,采用高轉(zhuǎn)速、小鉆壓鉆進(jìn),防止粗徑孔段孔壁間隙大、鉆桿彎曲而導(dǎo)致孔斜。小徑基孔鉆進(jìn)10 m后方可取掉導(dǎo)正器,進(jìn)行正常鉆進(jìn)。基孔鉆至設(shè)計(jì)孔深后擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)孔徑。

3.3 合理選用鉆具和鉆進(jìn)方法

選用“75 mm小口徑金剛石繩索取心鉆具進(jìn)行小徑基孔鉆進(jìn)。因?yàn)椤?5 mm繩索取心鉆具剛性好,鉆桿不易彎曲,鉆桿與孔壁的環(huán)狀間隙小,可減小鉆孔孔斜。此外,使用繩索取心鉆具還可提高鉆進(jìn)效率和巖心采取率,巖心的質(zhì)量好,能準(zhǔn)確反映出地層的真實(shí)情況。

3.4 選用適宜的鉆進(jìn)參數(shù),控制鉆進(jìn)效率

觀察發(fā)現(xiàn),在此場(chǎng)地鉆進(jìn)時(shí),只要鉆進(jìn)壓力較大,進(jìn)尺速度過(guò)快,其孔斜就明顯增大很快,甚至難以控制孔斜。如ZK10-11孔40～90 m孔段,孔深40 m時(shí)頂角45′,方位角85°,當(dāng)時(shí)機(jī)臺(tái)未控制鉆壓和進(jìn)尺速度,每臺(tái)班鉆進(jìn)8～10 m,到孔深95 m時(shí),頂角增至2.2°,方位角轉(zhuǎn)到135°,只好進(jìn)行糾斜。因此,在小徑基孔鉆進(jìn)中合理選用鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù),適當(dāng)控制進(jìn)尺速度十分重要。正常情況下應(yīng)采用高轉(zhuǎn)速、小鉆壓鉆進(jìn),鉆進(jìn)參數(shù)為:轉(zhuǎn)速600～1000 r/ min,鉆壓8～10 kN,水量60～70 L/min,進(jìn)尺速度控制在不超過(guò)1 m/h,當(dāng)鉆孔彎曲有明顯增加趨勢(shì)時(shí),減小鉆壓并控制進(jìn)尺時(shí)效在0.8 m以?xún)?nèi),使孔斜逐漸減小直到符合要求,方可恢復(fù)正常參數(shù)鉆進(jìn)。

通過(guò)采用適宜的鉆進(jìn)工藝,收到了較好的防斜效果。

在老井場(chǎng)地ZK6-2孔,孔深260 m時(shí),鉆孔頂角0.9°,280 m時(shí)頂角1.2°,當(dāng)時(shí)未控制鉆壓和進(jìn)尺速度,鉆至孔深300 m時(shí)頂角增至1.7°、方位角135°,孔斜已超出設(shè)計(jì)要求。因280～300 m孔段孔斜增加趨勢(shì)明顯增大,方位角也轉(zhuǎn)到135°自然造斜最強(qiáng)方位,開(kāi)始采用控制鉆壓和進(jìn)尺速度的技術(shù)措施,采用減壓鉆進(jìn),控制小時(shí)進(jìn)尺速度在0.5～0.6 m,轉(zhuǎn)速765 r/min,鉆壓5～6 kN,鉆至孔深320 m,頂角減小到1.4°,用此鉆進(jìn)參數(shù)繼續(xù)鉆進(jìn)到孔深340 m,頂角減小到1.1°,方位角未變,然后恢復(fù)用正常參數(shù)鉆進(jìn),順利鉆到502.63 m設(shè)計(jì)孔深終孔,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。ZK6-6孔亦通過(guò)采用此方法把孔斜控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

在新井場(chǎng)地ZK10-5孔,鉆機(jī)安裝方位為30° (因機(jī)場(chǎng)受地形條件限制,鉆塔底座已不能再調(diào)整方位了),立軸方位朝向300°,頂角提前量調(diào)到1°開(kāi)孔,由于鉆進(jìn)參數(shù)合理,每小時(shí)進(jìn)尺控制在0.8 m內(nèi),鉆到孔深160 m時(shí)頂角仍為1°,方位角298°,孔深197 m時(shí),頂角仍保持1°,方位角280°,230 m時(shí)頂角0.8°,方位角280°,直到孔深300 m時(shí),頂角才回到0.2°,孔深338 m時(shí),方位角已轉(zhuǎn)到110°,頂角0.5°,此時(shí)采用進(jìn)一步減小鉆壓和減慢進(jìn)尺速度,到380 m孔深,頂角0.7°,方位角135°,到500 m孔深,頂角1.8°,方位角137°,控制進(jìn)尺速度直到550 m孔深后,其孔斜已完全有把握不超過(guò)1°/100 m的設(shè)計(jì)要求,方適當(dāng)增大鉆壓,提高進(jìn)尺效率,鉆到設(shè)計(jì)孔深600 m時(shí),頂角4.5°。

上述幾孔通過(guò)采用工藝和技術(shù)措施防斜,完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.5 加強(qiáng)測(cè)斜工作,指導(dǎo)鉆探施工

鉆進(jìn)過(guò)程中要加強(qiáng)指導(dǎo)性測(cè)斜工作,隨時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔軌跡的變化,正常情況下每25 m測(cè)斜一次,當(dāng)孔斜變化增大時(shí),每10 m測(cè)斜一次,為指導(dǎo)鉆進(jìn)參數(shù)的選用提供依據(jù),指導(dǎo)鉆探施工。

通過(guò)采用適宜的工藝技術(shù),選用適宜的鉆進(jìn)參數(shù),使防斜取得了好的效果,使在此兩場(chǎng)地施工的70%以上的鉆孔孔斜均得到了有效控制,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,其孔斜情況見(jiàn)表1。

4 糾斜器具和工藝技術(shù)方法

當(dāng)采用預(yù)防工藝技術(shù)措施未能控制鉆孔的彎曲度,發(fā)生孔斜超過(guò)設(shè)計(jì)要求時(shí),采用糾斜方法來(lái)保證鉆孔孔斜達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.1 水泵和糾斜器具的選用

糾斜選用LG75型螺桿鉆糾斜器具,HSZ-54型孔內(nèi)定向儀。水泵的選用既要滿(mǎn)足正常鉆進(jìn)的需要,又能滿(mǎn)足螺桿鉆糾斜對(duì)其水量和壓力的要求,以免機(jī)臺(tái)多配用水泵,一般在500 m以?xún)?nèi)孔深段糾斜選用BW250/50、BW200/80型水泵可滿(mǎn)足要求。

表1 孔斜控制情況

4.2 螺桿鉆工作原理

用水泵提供高壓水做動(dòng)力,通過(guò)鉆桿和彎外管接頭(接頭管內(nèi)含定向裝置),將高壓水送至鉆頭上部的螺桿鉆泵體內(nèi),高壓水能驅(qū)動(dòng)螺桿鉆泵體內(nèi)轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)將高壓水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能帶動(dòng)螺桿鉆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)變徑接頭與鉆頭連接并回轉(zhuǎn),使鉆頭定向破碎和克取巖石,使鉆孔朝預(yù)定方位彎曲鉆進(jìn),從而達(dá)到糾斜(參見(jiàn)圖1)。

圖1 鉆具糾斜工作示意圖

4.3 糾斜步驟

糾斜時(shí),在地表先實(shí)驗(yàn)好螺桿鉆運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常,定向儀是否準(zhǔn)確,然后將螺桿鉆與鉆桿連接好(各絲扣部位要密封好)下到離孔底10 cm處,再把定向儀接頭通過(guò)鉆桿內(nèi)下放到螺桿鉆上部的定向接頭管內(nèi)進(jìn)行定向,定好向后將孔內(nèi)鉆桿與立軸鉆桿連接好,連接時(shí)注意孔內(nèi)鉆桿不能轉(zhuǎn)動(dòng),把立軸由導(dǎo)管專(zhuān)用卡夾固定,保證鉆具在糾斜鉆進(jìn)過(guò)程中因螺桿鉆的反扭矩力作用不能轉(zhuǎn)動(dòng)而只能上下移動(dòng),使之不偏離定好的糾斜方位。

4.4 糾斜工藝技術(shù)

糾斜定位時(shí),將糾斜方位定在鉆孔偏斜的反方位上,如鉆孔偏斜方位135°,糾斜則定位為135°+ 180°=315°。

為避免糾斜彎曲過(guò)大過(guò)急,形成“狗腿”,造成以后鉆進(jìn)該處斷鉆桿,一般選用2°～2.5°的彎接頭,控制其造斜強(qiáng)度在0.35°/m以?xún)?nèi)。

各項(xiàng)準(zhǔn)備工作做好后,即可進(jìn)行糾斜鉆進(jìn),開(kāi)泵送水待螺桿鉆運(yùn)轉(zhuǎn)正常后,將鉆具緩慢落到孔底,進(jìn)行糾斜鉆進(jìn)。糾斜鉆進(jìn)參數(shù)一般選用:鉆壓8～10 kN,泵量180～220 L/min,泵壓4～5 MPa。

一個(gè)糾斜段的糾斜工作完成后,采用低轉(zhuǎn)速、小鉆壓鉆進(jìn)1～2個(gè)臺(tái)班,使糾斜段、尤其是拐點(diǎn)磨得平滑一些,并使鉆孔朝糾斜后的方位延伸一段距離,然后恢復(fù)正常鉆進(jìn)。

ZK10-11孔因機(jī)場(chǎng)受地形條件限制,鉆機(jī)安裝方位角75°,頂角1°,鉆進(jìn)到孔深110 m時(shí),方位角已轉(zhuǎn)到150°,頂角2.4°,開(kāi)始進(jìn)行糾斜,使鉆孔頂角回落變小,該孔共進(jìn)行了6段次糾斜,終孔600 m處頂角4.4°,使孔斜達(dá)到設(shè)計(jì)要求,保證了鉆孔質(zhì)量。兩場(chǎng)地鉆孔糾斜效果見(jiàn)表2。

5 孔斜質(zhì)量效果

通過(guò)采取上述防斜、糾斜工藝技術(shù)方法,在老、新壓裂場(chǎng)地強(qiáng)自然造斜地層的勘察和γ監(jiān)測(cè)井的鉆探施工中,取得了良好的防斜糾斜效果,全部鉆孔孔斜均達(dá)到和小于設(shè)計(jì)要求,遠(yuǎn)小于其它單位在此場(chǎng)地施工的孔斜,也遠(yuǎn)小于美國(guó)同類(lèi)地層處置場(chǎng)的鉆探孔斜率(見(jiàn)表3),保證了鉆孔空間位置的精度和對(duì)漿片分布區(qū)間測(cè)定的需要,滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

6 結(jié)語(yǔ)

在強(qiáng)自然造斜地層鉆進(jìn),采用適宜的鉆探工藝和防斜、糾斜技術(shù)方法,可減小和防止鉆孔發(fā)生較大偏斜,使孔斜達(dá)到設(shè)計(jì)要求,保證鉆探質(zhì)量,特別是通過(guò)采取預(yù)防措施,防止孔斜超差,減少了糾斜時(shí)間,提高了施工效率,也降低了施工費(fèi)用,提高了經(jīng)濟(jì)效益。但不同地區(qū)地層產(chǎn)狀、巖性不同,其孔斜規(guī)律也不一樣,應(yīng)根據(jù)不同地層條件和偏斜規(guī)律,采用相適宜的預(yù)防措施和工藝技術(shù)方法,才能取得好的效果。

表2 糾斜成果表

表3 防斜糾斜成果

[1] 王扶志,張志強(qiáng),宋小軍.地質(zhì)工程鉆探工藝與技術(shù)[M].湖南長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2008.

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[3] 李鎖成,谷玉堂,奚廣春,等.新120-側(cè)平80井側(cè)鉆鉆井實(shí)踐[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(2).

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[5] 韓來(lái)聚,孫路新.大傾角地層防斜打直技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù), 2001,(4).

Deviation Prevention and Correction for Intermed iateLevelWasteL iquidD isposal Field in Strong Natural Whips-tocking Stratum Drilling/LUO Zhi-qi

(Tianjin Engineering Surveying Institute of Nuclear Industray,Tianjin 301800, China)

Because of very high requirements on the technique and safety,the permanent disposalof nuclearwaste liquid is a worldwide difficulty,and investigation on disposal field and drilling technology is strictly demanded.The paper introduced a fracturing field in China,which is in strong naturalwhipstocking stratum;the field investigation and hole deviation inmo2 nitoringwell drilling are important difficulties.Relative technologies of deviation prevention and correction were adopted for drilling construction in investigation of 2 disposal fields andγmonitoringwellwith good effect.

nuclearwaste liquid proposal field;whipstocking stratum;deviation prevention;deviation correction;screw drill

P634.7

A

1672-7428(2010)12-0009-04

2010-06-07;

2010-10-13

羅治奇(1951-),男(漢族),湖南人,核工業(yè)天津工程勘察院高級(jí)工程師,探礦工程專(zhuān)業(yè),從事地質(zhì)勘察與巖土鉆掘工作,天津市寶坻區(qū)36號(hào)信箱,lzq1953@126.com。