張子彬
(安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì),安徽 宿州 234000)
當(dāng)前,傳統(tǒng)的煤田地勘單位正面臨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的任務(wù),需要立足于煤炭資源勘查主業(yè),逐步向能源地質(zhì)勘查如煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)能源勘查領(lǐng)域擴(kuò)展業(yè)務(wù)。近年來越來越多的煤田地勘單位開展了一些煤層氣、頁巖氣調(diào)查井的鉆井工程實(shí)踐,并獲得成功。這些鉆井工程不僅口徑大、井深結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且勘探深度也大大加深,較之以往煤炭勘查工程施工難度大大提高。以往的煤炭資源勘探工程最大深度僅在1500m左右,而由于我國頁巖氣賦存的獨(dú)特條件,其勘探目標(biāo)層系普遍埋藏較深,多在2000m以深。對于這些超2000m深的鉆井工程,有必要對鉆探工藝及參數(shù)進(jìn)行探討和總結(jié)。
皖旗地1井為頁巖氣調(diào)查參數(shù)井,鉆井工程位于安徽省馬鞍山市含山縣環(huán)峰鎮(zhèn)境內(nèi),地處下?lián)P子陸塊沿江坳陷巢含褶皺帶構(gòu)造位置,位于巢含褶皺帶的梅山背斜構(gòu)造部位上。設(shè)計(jì)目的層為志留系高家邊組、奧陶系五峰組,完鉆層位為奧陶系寶塔組,井深超過2000m。本井鉆井取芯進(jìn)尺約80m,要求取目的層志留系高家邊組下段、奧陶系五峰組。
一開:311.2mm鉆頭鉆入高家邊組中段上部,井深約1000m,下244.5mm套管固井,封固墳頭組-高家邊組中部上部。
二開:215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深,中途根據(jù)顯示情況進(jìn)行取芯作業(yè),鉆穿湯頭組進(jìn)入寶塔組灰?guī)r50m后完鉆。
本井設(shè)計(jì)鉆深2000m,依據(jù)鉆機(jī)負(fù)荷的選擇原則、井控配套的要求,同時考慮到井深的不確定性,設(shè)計(jì)選擇TSJ重型3000型鉆機(jī)。
各開次鉆具組合見表1。其中取芯鉆進(jìn)時鉆具參數(shù)見表2。
表1 鉆具組合表
表2 取芯參數(shù)表
取芯鉆進(jìn)參數(shù):鉆壓40~60kN,轉(zhuǎn)速60~80 r/min,排量16~22 L/s。先單筒試取芯,若收獲率較高,為縮短周期,后續(xù)采用雙筒取芯工藝。對極硬地層,取芯采用孕鑲金剛石鉆頭。
取芯前保證井底暢通無落物,調(diào)試好取芯器,保證懸掛軸承旋轉(zhuǎn)靈活,減少鉆進(jìn)時產(chǎn)生離心力,防止離心力過大使巖芯破碎造成堵芯。
(1)下鉆技術(shù)措施
下鉆時取芯筒外筒按規(guī)定緊扣,切勿咬扁筒身,下放鉆具要平穩(wěn),遇阻不得強(qiáng)行下鉆,更不得墩、竄,不得用取芯鉆頭長井段劃眼強(qiáng)下,下鉆到距井底一個單根時接方鉆桿充分循環(huán)洗井液。下鉆具至孔底1m處減速下放,在保證鉆頭不接觸井底的情況下,上下活動鉆具或轉(zhuǎn)動鉆具,并開泵循環(huán)鉆井液2周,充分沖洗取芯器內(nèi)筒,清潔井底沉沙或坍塌物,轉(zhuǎn)動鉆具的同時下放鉆具,嚴(yán)禁猛烈反轉(zhuǎn),防止倒開安全接頭,校對懸重后卸開主動鉆桿,投球(Φ31.7mm),合車,3-5min后開泵循環(huán)鉆井液,鋼球堵住取芯器內(nèi)管水眼,使鉆井液從取芯器內(nèi)外管間環(huán)狀間隙流過,如孔內(nèi)殘留巖芯超過0.5m,應(yīng)專門打撈。
(2)取芯技術(shù)措施
樹芯:緩慢下放鉆具,讓鉆頭接觸井底,采用低轉(zhuǎn)速(40~60r/min),低排量(10~15L/S)、輕鉆壓(5~10kN)鉆進(jìn)0.2~0.3m。
取芯鉆進(jìn):送鉆均與,增加鉆壓要緩慢,鉆進(jìn)8.50m左右,實(shí)鉆中必須根據(jù)地層情況隨時調(diào)整鉆壓,盡可能做到連續(xù)鉆進(jìn),不上提鉆具,做到不溜鉆、不頓鉆,不停泵,不停轉(zhuǎn)盤。實(shí)鉆中必須注意泵壓變化,發(fā)現(xiàn)變化要及時分析處理。每鉆進(jìn)0.5m記錄一次鉆時,如鉆時突然變慢要及時分析原因并妥善處理,如遇泵壓突然增高,不能恢復(fù)到正常范圍應(yīng)立即上鉆檢查取芯器內(nèi)外筒,鉆時較快時應(yīng)適當(dāng)減壓,否則造成巖芯無法順利進(jìn)入取芯器內(nèi)筒。
割芯:加壓至80~90kN,迅速上提0.1~0.2m,轉(zhuǎn)速減至50 r/min,排量不變,轉(zhuǎn)動3~5min磨芯,然后緩慢上提割芯。(軟地層停泵增加鉆壓10kN,鉆進(jìn)2~4min上提割芯)若懸重不增加或增加后又下降, 則上提鉆具 2~3m,慢慢下放到井底,如無遇阻顯示則表明割心成功,可以起鉆。若上提懸重增加 100kN 以上仍不下降,則說明巖心未拔斷,此時可在巖心受拉力的情況下啟動轉(zhuǎn)盤割心,若仍不行可上提 200~300kN 采取拉力割心方式拔斷巖心。若以上措施仍無效則可再鉆進(jìn)0.1~0.2m后,按上述要求進(jìn)行割心。
仔細(xì)觀察取出的巖芯直徑,如巖芯直徑過細(xì)或過粗,說明卡簧內(nèi)徑與鉆頭內(nèi)徑不匹配,必須進(jìn)行調(diào)整,卡簧內(nèi)徑比鉆頭內(nèi)徑小3~5mm。
(3)上鉆技術(shù)措施
關(guān)泵上鉆,上鉆要操作平穩(wěn),不猛剎、猛放、猛墩,不能用鉆盤轉(zhuǎn)動鉆具,防止鉆具劇烈擺動,不能用錘敲擊,防止巖芯脫落,起鉆過程中要及時向井內(nèi)灌鉆井液。鉆具提至井口卸方鉆桿時,應(yīng)鎖住轉(zhuǎn)盤,保證井下鉆具不轉(zhuǎn)動。
(4)合理選擇鉆進(jìn)參數(shù)
鉆進(jìn)參數(shù):本孔在1305~1322m處取芯鉆進(jìn),根據(jù)實(shí)鉆總結(jié)鉆壓40~60kN、排量20~25L/S、轉(zhuǎn)速50~60r/ min最佳,1945~1991m、2045~2058m處取芯鉆進(jìn)鉆壓控制在50-60kN、排量18~20L/S、轉(zhuǎn)速50~75r/m最佳。本孔在2044.57~2052.50m取芯鉆進(jìn)時,鉆壓控制在60kN,轉(zhuǎn)速75r/min,排量20 L/S,鉆時30min/m,增加鉆壓至80kN時,進(jìn)尺緩慢,鉆時70min/m。實(shí)鉆中鉆壓過大,鉆時反而增大;轉(zhuǎn)速過快,易造成巖石機(jī)械破碎,排量過大時鉆進(jìn)泥頁巖及破碎地層時,造成巖芯收獲率降低。
軟巖層:鉆壓10~20kN,排量10~20L/S,轉(zhuǎn)速40~60r/min,卡箍底部與鉆頭內(nèi)腔臺肩間隙為10~12mm;
硬巖層:鉆壓50~60kN,排量20~30L/S,轉(zhuǎn)速60~80r/min,卡箍底部與鉆頭內(nèi)腔臺肩間隙為15~20mm;
破碎地層:鉆壓20~30kN,排量10~15L/S,轉(zhuǎn)速35~50r/min,卡箍底部與鉆頭內(nèi)腔臺肩間隙為10mm。
(5)鉆井液性能鉆井液應(yīng)具有良好的潤滑性、抑制性和攜帶巖屑性能,具有低密度、低粘度、低含砂量、低失水量、適當(dāng)?shù)那辛?。本孔在取芯鉆進(jìn)井段采用水基低固相聚合物鉆井液,鉆井液密度1.07~1.10g/cm3,粘度29~30S,含砂量0.1~0.2%,失水3.9~4.1ml,終切力5.5~9.2Pa。
本井在井深1305.68m~1322.1m(高加邊組中段),1945.00m~1991.30m(高加邊組中段),2044.57m~2058.80m(奧陶系五峰組-灘頭組-寶塔組)三段分別進(jìn)行了取芯鉆探(見圖1),取芯率分別達(dá)到98.54%、91.96%、92.62%,超過設(shè)計(jì)要求取芯率標(biāo)準(zhǔn)。
本工程根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)要求,合理選擇鉆機(jī)型號及各種鉆具組合,通過現(xiàn)場精心組織安排施工,特別是在取芯鉆進(jìn)過程中科學(xué)選擇取芯鉆進(jìn)工藝流程及參數(shù),最終成功完成深井取芯鉆進(jìn),提高了工作效率。原本合同工期125d,實(shí)際僅用93d完成鉆井任務(wù),最終井深2081.68m,圓滿完成了設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)指標(biāo),為頁巖地層深井鉆探工作積累了寶貴經(jīng)驗(yàn),對于今后類似工程具有實(shí)際指導(dǎo)意義。
圖1 取芯段巖芯照片