于 磊,趙大軍,孫友宏,張永勤,郭 威,賈 瑞,段會(huì)軍

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長春 130026;2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000)

漠河凍土地區(qū)天然氣水合物鉆探施工技術(shù)

于 磊1,趙大軍1,孫友宏1,張永勤2,郭 威1,賈 瑞1,段會(huì)軍1

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長春 130026;2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000)

天然氣水合物是一種清潔的潛在資源,漠河凍土地區(qū)為天然氣水合物的形成提供了有力的條件。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和水合物勘探開發(fā)的技術(shù)要求,確定相應(yīng)的鉆孔結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù),合理選擇了鉆探設(shè)備。鉆進(jìn)過程中運(yùn)用低溫泥漿、泥漿冷卻技術(shù)、大直徑繩索取心鉆進(jìn)工藝,快速獲得巖心,從而減少水合物的分解,為以后該地區(qū)天然氣水合物的勘探提供了經(jīng)驗(yàn)。闡述了漠河凍土地區(qū)天然氣水合物鉆探施工中的鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)。

天然氣水合物;鉆探設(shè)備;泥漿制冷;大直徑繩索取心鉆進(jìn);漠河

天然氣水合物是一種可以取代石油煤炭的清潔能源,因而也是一種重要的潛在未來資源,且其儲(chǔ)量巨大[1]。研究表明,其資源量相當(dāng)于全球煤、石油和天然氣資源量和的 2倍[2]。我國國土資源部門已將天然氣水合物的調(diào)查與評價(jià)列入了“十五”計(jì)劃及 2015年規(guī)劃[3]。漠河盆地年平均氣溫低,地溫梯度為 1.9℃,凍土發(fā)育,并有充足的氣源形成天然氣水合物,為水合物的形成提供了有利條件[4]。該地區(qū)地層以砂巖為主,在砂巖地層中,豎向裂隙發(fā)育,其中,5.80～22.60 m為粉砂巖和泥巖互層,227.20～232.15 m為泥巖,345.65～368.20 m為泥質(zhì)粉砂巖。

1 鉆進(jìn)工藝方法

1.1 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具級配

鉆孔結(jié)構(gòu)見圖 1。開孔使用 “174 mm硬質(zhì)合金鉆頭減壓鉆進(jìn)至 9.70 m,下入 “168套管 10.0 m,更換 “127 mm繩索取心鉆具,鉆頭直徑為 133.5 mm,在鉆具上加焊導(dǎo)正環(huán)鉆進(jìn) 1.5 m后再正常鉆進(jìn)至114.50 m。而后將 “127 mm鉆桿作為套管,換成“108 mm繩索取心鉆具,鉆頭直徑為 112.5 mm,鉆進(jìn)至 500.10 m。

圖 1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

繩索取心鉆進(jìn)參數(shù)包括軸向壓力、轉(zhuǎn)速、沖洗液量,影響的參數(shù)主要為鉆進(jìn)巖石的性質(zhì)、鉆頭的種類與結(jié)構(gòu)、鉆孔直徑、鉆進(jìn)設(shè)備和鉆具性能等。綜合以上因素和鉆進(jìn)實(shí)際效果,選擇的鉆進(jìn)參數(shù)見表 1。

表 1 鉆進(jìn)參數(shù)選擇表

2 鉆探設(shè)備選擇

選用 HXY-6A型鉆機(jī),主要技術(shù)參數(shù):轉(zhuǎn)速102～994 r/min,鉆進(jìn)深度為 800～2200 m,立軸最大起重力 200 kN,最大加壓力為 150 kN,單繩最大提升力為 85 kN。該鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊,布局合理,質(zhì)量適中,拆卸方便,便于搬運(yùn)。

選用 HBW-320型泥漿泵,該泵為三缸單作用泵,最大流量為 320 L/min,最大壓力為 10 MPa。鉆塔為 HCX18型鉆塔,是四角直斜兩用的管式鉆塔,名義高度 18 m,層高 1.7 m,4根 3 m長的繩索取心鉆桿立根可靠放,底座占地面積小,適于山區(qū)使用。

泥漿制冷系統(tǒng)為單獨(dú)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。主要由載冷劑制冷、沖洗液冷卻和溫度檢測 3部分組成。泥漿降溫過程如圖 2所示,井內(nèi)返出的泥漿,進(jìn)入泥漿池凈化后進(jìn)入冷卻系統(tǒng),冷卻后再回到泥漿池,最后由泥漿泵注入井內(nèi)?，F(xiàn)場布置見圖 2。

圖 2 泥漿及泥漿冷卻系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖

3 鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

針對現(xiàn)場的地層條件、選用的機(jī)械設(shè)備以及采取天然氣水合物的要求,鉆進(jìn)過程中運(yùn)用了泥漿制冷系統(tǒng)、大直徑繩索取心鉆具和對應(yīng)的泥漿體系。

3.1 泥漿制冷系統(tǒng)

天然氣水合物勘探開發(fā)中的關(guān)鍵問題是要阻止水合物到達(dá)地表前由于賦存條件的改變而發(fā)生分解。泥漿溫度在鉆進(jìn)過程中對水合物的分解有著很大的影響。泥漿溫度過高,在鉆進(jìn)和取心的過程中都會(huì)使水合物發(fā)生分解,因此采用低溫泥漿就有重要的意義[5]。由圖 5可以看出,一個(gè)大氣壓時(shí),溫度對水合物分解的影響特別大,如果可以把水合物的溫度保持在零度,就可以有效地減緩水合物的分解[6]。采用吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院研制的天然氣水合物泥漿冷卻系統(tǒng),可以使泥漿的溫度為 0～2℃,在水合物的鉆探過程中有著十分重要的作用。

圖 3 典型天然氣水合物壓力 -溫度平衡相圖

泥漿制冷系統(tǒng)的工作原理如下:制冷機(jī)組將乙二醇水溶液制冷,制冷后的乙二醇溫度可達(dá)到 -15℃,一般設(shè)為 -5℃。乙二醇輸送泵將其從載冷劑箱輸送到同軸套管式換熱器,同時(shí),BW-160型泵將泥漿池內(nèi)泥漿也輸送至同軸套管式換熱器,在換熱器內(nèi)通過逆向流動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱交換,冷卻泥漿,使泥漿出口、入口溫差為 2℃,冷卻后的泥漿回到泥漿池內(nèi),從而能夠?qū)崿F(xiàn)在鉆井過程中泥漿溫度始終在低溫狀態(tài)。同時(shí),通過溫度檢測部分,檢測系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度,保證進(jìn)井溫度低于 5℃,一般低于 2℃。制冷后的泥漿可能會(huì)低于 0℃,為防止管內(nèi)泥漿被凍結(jié),在泥漿里加入 NaCl,保證泥漿制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為保證制冷系統(tǒng)的正常使用,需注意以下事項(xiàng):(1)制冷機(jī)組啟動(dòng)開始,由于載冷劑箱溫度初始溫度高,可能導(dǎo)致制冷機(jī)組停機(jī),這時(shí),關(guān)閉制冷機(jī)組,按氟利昂壓力復(fù)位按鈕,然后再啟動(dòng)制冷機(jī)組;(2)溫度巡檢儀和溫度顯示儀表需要在零度以上溫度條件下工作,不可置于戶外低溫環(huán)境;(3)關(guān)閉系統(tǒng)時(shí),必須先關(guān)閉載冷劑箱泵,待泥漿與乙二醇溫度相同時(shí),才能關(guān)閉泥漿泵。

漠河地區(qū)現(xiàn)場晝夜溫差大,可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器工作不正常,需要實(shí)時(shí)檢查,確保正常運(yùn)行。氣溫也對泥漿的溫度影響明顯,圖 4是泥漿入口溫度和出口溫度的時(shí)間曲線。從圖 4可得出以下結(jié)論。

(1)入井溫度始終低于 5℃,滿足鉆進(jìn)要求,而7∶00左右因關(guān)閉制冷,導(dǎo)致出井溫度較高,經(jīng)過一段時(shí)間的循環(huán),出井溫度恢復(fù)至4.5℃左右。故在鉆進(jìn)過程中,應(yīng)盡量保持制冷系統(tǒng)常開,保證孔內(nèi)溫度低于 5℃,避免溫度過高,若有天然氣水合物,可能會(huì)產(chǎn)生大量分解。

圖 4 泥漿入井和出井溫度 -時(shí)間曲線

(2)白天在保持相同制冷功率的情況下,入井和出井溫度在 14∶00左右達(dá)到峰值,符合當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓?。為保證入井溫度和出井溫度滿足要求,需要調(diào)節(jié)冷卻后的乙二醇的溫度。一般,6∶00～12∶00,制冷后的乙二醇溫度設(shè)為 -15℃;12∶00～18∶00,制冷后的乙二醇溫度設(shè)為 -10℃;18∶00～06∶00,制冷后的乙二醇溫度設(shè)為 -5℃。

3.2 大直徑繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)

天然氣水合物存在于低溫高壓的地區(qū),在常溫常壓的環(huán)境中就會(huì)分解,無法保持水合物的形態(tài)。鉆進(jìn)過程中,由于鉆頭產(chǎn)熱,水合物的溫度在鉆進(jìn)過程中會(huì)有所升高,而隨著水合物由地下到地上,其壓力不斷的降低,這樣水合物就會(huì)分解,無法得到水合物的準(zhǔn)確信息。因此水合物的勘探和開發(fā)過程中的鉆進(jìn)工藝與常規(guī)的鉆進(jìn)工藝有所不同?，F(xiàn)在國際上通常采用保壓取樣,但是其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。采用大直徑繩索取心鉆進(jìn)方法,取心直徑大,含有的水合物較多,在鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的熱量,以及鉆進(jìn)過程中壓力降低所造成水合物的分解,只會(huì)影響到樣品的表面,在內(nèi)部還會(huì)有水合物保存下來;能把巖心迅速提出地面,實(shí)現(xiàn)連續(xù)取心,減低成本,縮短巖心在孔內(nèi)的停留時(shí)間,樣品可以把溫度以及壓力的影響時(shí)間降到最低,使水合物能夠更多的保存下來[8]。2009年,在青海木里盆地使用大直徑繩索取心鉆進(jìn)成功鉆獲了水合物樣品。

為達(dá)到快速取心的目的,規(guī)定每個(gè)回次鉆進(jìn)深度為 1.5 m,在鉆孔深度為 400 m時(shí),每個(gè)回次最長時(shí)間為 1 h。使用 “127 mm繩索取心鉆具和 “108 mm繩索取心鉆具,巖心直徑大,拔斷巖心力比常規(guī)小徑繩索取心要大得多,卡簧需滿足以下要求:卡簧自由內(nèi)徑比鉆頭內(nèi)徑小 0.3～0.4 mm,卡簧座底端距鉆頭內(nèi)臺(tái)階 3～4 mm,卡簧與卡簧座錐度一致[9]。實(shí)際鉆探時(shí),孔內(nèi)往往有殘留巖心,鉆進(jìn)完整巖心時(shí),曾有巖心全部殘留在孔內(nèi),主要原因是:(1)卡簧內(nèi)徑稍大,需多配幾種內(nèi)徑的卡簧,在每次下鉆前,用上次的巖心檢驗(yàn)卡簧;(2)用 PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí),換新鉆頭時(shí),應(yīng)適當(dāng)減小卡簧的內(nèi)徑;(3)卡簧活動(dòng)范圍為 25 mm,行程較大,現(xiàn)場有時(shí)使用雙卡簧,靠近鉆頭的卡簧直徑較小,上部卡簧主要目的是減少下部卡簧的活動(dòng)距離,增強(qiáng)取心效果;(4)采用的卡簧剛度不同,剛度低的卡簧卡取巖心的能力弱,使用的壽命也僅為 3 m左右,采用剛度高的卡簧,取心效果良好,壽命可達(dá) 12 m。

由于 “127 mm和 “108 mm鉆具直徑較大,考慮加工精度及配合程度,將內(nèi)管簡化設(shè)計(jì)為:內(nèi)管沒有到位報(bào)信機(jī)構(gòu)和巖心堵塞報(bào)警機(jī)構(gòu),在懸掛環(huán)上下位置分別設(shè)置 4個(gè)對稱的水眼,作為沖洗液經(jīng)過懸掛機(jī)構(gòu)的通道。鉆進(jìn)過程中,下內(nèi)管前檢查好軸向間隙,確保彈卡收縮自由。因?yàn)闆]有到位報(bào)信機(jī)構(gòu),需要提拉內(nèi)管,通過聲音辨別內(nèi)管總成是否下到位,或是在卷揚(yáng)鋼絲繩上作標(biāo)記,觀察內(nèi)管是否下到位[10]。

鉆進(jìn)中使用了柱形 PDC鉆頭、尖頭 PDC鉆頭和平底孕鑲金剛石鉆頭,每個(gè)鉆頭在孔內(nèi)的鉆進(jìn)深度如表 2所示。從該地區(qū)的地層條件和鉆頭的使用壽命中可以發(fā)現(xiàn),隨著鉆探工作的進(jìn)行,砂巖硬度增加,可鉆性級別增大,對鉆頭的磨損非常嚴(yán)重,PDC鉆頭的壽命減小,后改用平底孕鑲金剛石鉆頭,鉆進(jìn)速度為 1.5 m/h,每個(gè)金剛石鉆頭使用深度如表 2所示,提高了鉆探效率,保證了鉆探質(zhì)量。而對于泥質(zhì)砂巖地層,金剛石鉆頭的鉆進(jìn)效率低,特別是新的金剛石鉆頭,沒有出露金剛石顆粒,鉆進(jìn)速度只有0.12 m/h,故需要用已使用過的金剛石鉆頭或者尖頭 PDC鉆頭。

表 2 鉆頭鉆進(jìn)深度表

3.3 泥漿及堵漏護(hù)壁問題

泥漿對鉆進(jìn)的正常進(jìn)行及孔內(nèi)安全有著至關(guān)重要的作用,鉆孔的泥漿配比見表 3。對于繩索取心鉆進(jìn),采用優(yōu)質(zhì)泥漿,可達(dá)到高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn),發(fā)揮金剛石鉆頭的效率,從而實(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)的目的[11]。

表 3 鉆進(jìn)過程泥漿配比表

開孔后,上部松散地層穩(wěn)定性差,泥漿護(hù)壁效果不佳,采用套管護(hù)壁。鉆進(jìn)至泥巖地層后,清孔,下入 “168 mm套管護(hù)壁,套管底部用護(hù)箍保護(hù)螺紋。鉆進(jìn)有陡立裂隙的砂巖地層,使用低固相泥漿進(jìn)行堵漏,效果并不理想。在鉆進(jìn)至 114 m左右時(shí),孔口基本不返漿,漏失量達(dá) 3.33 m3/h,為嚴(yán)重漏失。為解決漏漿問題,在孔內(nèi)下入 “127 mm套管進(jìn)行堵漏。繼續(xù)鉆進(jìn),卻出現(xiàn)隨鉆隨漏的問題,并在孔內(nèi)投粘土球 200 kg,兩層套管之間用麻繩封堵,防止漏漿。用撈矛頭將 “108 mm鉆桿底部堵塞,并用木塞將撈矛頭堵死,慢慢下入孔底,從而將泥漿壓入巖石裂隙中,給泵后,返漿量為一半左右。再在泥漿中加入鋸末 3 kg,泵入孔內(nèi),與泥漿球混合后,進(jìn)入巖石裂隙產(chǎn)生封堵。繼續(xù)鉆進(jìn),漏漿量為 0.83 m3/h,屬輕微漏[12]。而后繼續(xù)使用泥漿鉆進(jìn),在泥巖地層中,因地層能自然造漿,采用清水鉆進(jìn),并加入潤滑劑。在 80 m后,地層可能有天然氣水合物,在泥漿中加入 2%的 NaCl,一方面降低泥漿冰點(diǎn),另一方面可以改變水合物平衡條件,抑制水合物的再生成[13]。隨著鉆進(jìn)深度的增加,特別是在清水鉆進(jìn)時(shí),需要在鉆具上涂抹潤滑脂潤滑鉆具,保證高轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)碎巖。后期考慮到地層中的泥巖和泥質(zhì)砂巖,在泥漿中加入聚丙烯酰胺,防止掉塊或崩塌,并可以在鉆具和孔壁之間形成潤滑膜,減小摩擦阻力。本孔孔壁完整,只是部分泥質(zhì)砂巖地層發(fā)生了縮徑和掉塊現(xiàn)象,在起拔鉆具時(shí)要把內(nèi)管置于孔外,減少泥漿對孔壁的擾動(dòng),但在下鉆具時(shí),應(yīng)先將內(nèi)管置于鉆具中,緩慢鉆透該地層。

4 結(jié)論

鉆孔終孔深度為 500.10 m,從開孔到終孔用時(shí)1020 h,純鉆時(shí)間為 342.8 h,巖心采取率為 93.86%。在鉆進(jìn)過程中,使用泥漿制冷系統(tǒng),保證泥漿入井溫度為 2℃左右,孔內(nèi)泥漿溫度低于 5℃。采用大直徑繩索取心鉆具鉆進(jìn),取心直徑大,能快速取心,最大限度降低水合物的分解。對應(yīng)于制冷系統(tǒng),使用特殊泥漿,使制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行;針對該地區(qū)的漏失地層,運(yùn)用套管堵漏、投粘土球、加鋸末等方法,最后取得了良好的效果。在這次鉆探工作中采取了合理的工藝方法、鉆探設(shè)備、技術(shù)參數(shù),取得了良好的鉆進(jìn)成果,為以后在該區(qū)域天然氣水合物的勘探開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 劉廣志.天然氣水合物——未來新能源及其勘探開發(fā)難度[J].自然雜志,2005,27(5):258-263.

[2] 張凌,蔣國盛,寧付龍,等.國外天然氣水合物巖心處理分析技術(shù)綜述[J].地質(zhì)科技情報(bào),2009,28(1):123-126.

[3] 王達(dá),龐馨萍,李常茂.關(guān)于天然氣水合物開發(fā)問題的思考[J].探礦工程,2000,(4):1-3.

[4] 張永勤,孫建華,賈志耀,等.中國陸地永久凍土帶天然氣水合物鉆探技術(shù)研究與應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(S1):22-28.

[5] 白玉湖,葉長明,李清平,等.天然氣水合物開采模型進(jìn)展與展望[J].中國海上油氣,2009,21(4):251-256.

[6] L.Stern.Cicerone,S.Kirby,W.Durham.Temperature,pres-sure and compositional effects on anomalous or“self”preservation of gas hydrate[J].Canada Journal of Physics,2003,81:271-283.

[7] 郭威.天然氣水合物孔底冷凍取樣方法的室內(nèi)試驗(yàn)及傳熱數(shù)值模擬研究[D].吉林長春:吉林大學(xué),2007.

[8] 包貴全.繩索取心工具與工藝技術(shù)研究[J].地質(zhì)裝備,2008,(1):20-27.

[9] 張鴻飛.直徑 88mm繩索取心金剛石鉆進(jìn)的初步實(shí)踐[J].中國煤田地質(zhì),1998,10(S1):32-34.

[10] 陳小烽.應(yīng)用繩索取心鉆進(jìn)應(yīng)注意的一些問題[J].西部探礦工程,2002,(S1):283-284.

[11] 首照兵,章述,向昆明.繩索取心鉆進(jìn)沖洗液的性能控制技術(shù)[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2008,35(4):29-30,38.

[12] 靖向黨.巖土鉆孔工程學(xué)[M].北京.冶金工業(yè)出版,2003.

[13] 王勝.高原凍土天然氣水合物鉆探泥漿體系研究[D].四川成都:成都理工大學(xué),2007.

Drilling Construction Technology of Gas Hydrate in M ohe Permafrost Region

YU Lei1,ZHAO Da-jun1,SUN You-hong1,ZHANG Yong-qin2,GUO Wei1,JIA Rui1,DUAN Hui-jun1(1.College ofConstruction Engineering,JilinUniversity,Changchun Jilin 130026,China;2.The Institute of Exploration Techniques,CAGS,Langfang Hebei 065000,China)

Gas hydrate is a potential clean resource.There are strong conditions inMohe permafrost region for gas hydrate for mation.According to the local geological conditions and the technical requirements of hydrate exploration and develop-ment,the appropriate borehole structures and drilling parameterswere determined,and drilling equipmentswere rationally selected.Low-temperature drillingmud,drilling mud cooling technology and large diameter wire-line coring drilling were applied in drilling process for rapid coring to reduce the decomposition of gas hydrate.The paper described the key technol-ogies of drilling construction for gas hydrate inMohe per mafrost region.

gas hydrate;drilling equipment;mud cooling;large diameterwire-line coring;Mohe

P634

A

1672-7428(2011)06-0013-04

2011-02- 28;

2011-04-03

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“青藏高原凍土帶天然氣水合物調(diào)查評價(jià)”(1212010818055)

于磊 (1986-),男 (漢族),安徽亳州人,吉林大學(xué)碩士研究生在讀,地質(zhì)工程專業(yè),研究方向?yàn)殂@探工藝及機(jī)具,吉林省長春市吉林大學(xué)前衛(wèi)北區(qū) 3舍 521,466913850@qq.com。