通地-1井繩索取心鉆探施工技術(shù)

馬秀春

(黑龍江省第一地質(zhì)勘查院， 黑龍江 牡丹江 157000)

0 引言

油氣勘探孔采用小口徑繩索取心鉆探施工，近幾年在我國(guó)逐漸增多。為了保護(hù)環(huán)境、降低施工成本，逐漸實(shí)現(xiàn)綠色勘查，采用小型化、輕便化巖心鉆機(jī)進(jìn)行鉆探施工。尤其是油氣勘探孔，以往采用大口徑、大型鉆機(jī)進(jìn)行鉆探施工，占地面積大、施工成本高。采用小口徑鉆探施工，可先鉆探勘察，后鉆探成井，顯然有科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性[1-6]。本文通過(guò)通地-1井鉆探施工實(shí)踐過(guò)程，介紹了油氣田勘探采用小口徑深孔鉆探施工的情況，供從事油氣鉆探施工的同行們參考。

1 工程概況

1.1 礦區(qū)交通位置

通地-1井位于吉林省通化盆地內(nèi)的通化縣英額布鎮(zhèn)大倒木村西1200 m。通化盆地呈底邊平行于柳河地塹的倒置的梯形，兩者以太古代地壘相隔，最近距離約20 km。它北起三源浦，南至通化縣大泉源鄉(xiāng)，西至汪清門(mén)，東抵通化市。面積約1500 km2，區(qū)內(nèi)交通有梅(河口)—集(安)鐵路縱貫?zāi)媳保瑖?guó)道G201和高速G11公路貫穿全境。

1.2 地層概況

礦區(qū)地貌呈盆狀，內(nèi)有蜊蛄河及二密河等渾江支流交織成網(wǎng)，基底巖性為前中生界各類(lèi)古老變質(zhì)巖，海相沉積巖以及同時(shí)期的花崗巖，基底最大埋深8000 m，屬斷陷型盆地。鉆遇地層如下：

三顆榆樹(shù)組底部：為流紋質(zhì)、石英粗面質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂質(zhì)、礫巖、砂巖、粉砂巖、隱晶狀安山巖；

亨通山組：熔結(jié)凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r、黑色泥巖、油頁(yè)巖、含礫粗砂巖、細(xì)砂巖夾粉砂巖；

下樺皮甸子組：黑色頁(yè)巖夾砂巖、沉凝灰?guī)r、黑色泥巖、油頁(yè)巖、深灰色細(xì)砂巖、粉砂巖；

林子頭組：火山集塊巖、火山角礫巖、凝灰質(zhì)頁(yè)巖、致密安山巖、黃綠色砂巖夾粉砂巖；

鷹嘴砬子組：粗礫巖、凝灰質(zhì)砂巖、沉凝灰?guī)r、泥巖、礫巖、砂巖夾粉砂巖、黑色泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖；

果松組上部地層：凝灰?guī)r、致密安山巖。

主要目的層位為亨通山組-鷹嘴砬子組。

巖石可鉆性級(jí)別為4～8級(jí)，巖石平均可鉆性級(jí)別為5級(jí)左右。地層較為穩(wěn)定。

2 施工要求

2.1 工作量

(1)實(shí)施油氣調(diào)查孔，設(shè)計(jì)深度1500 m，終孔直徑≥75 mm。

(2)全孔取心。

(3)鉆孔施工過(guò)程中，取全、取準(zhǔn)各項(xiàng)原始資料及數(shù)據(jù)，填寫(xiě)好各種原始記錄。

(4)全孔地質(zhì)編錄、測(cè)井、熒光錄井、氣測(cè)錄井。

(5)鉆前青苗補(bǔ)償、井場(chǎng)平整、道路修理和鉆后井場(chǎng)修復(fù)、巖心搬運(yùn)。

(6)開(kāi)展鉆孔的單孔評(píng)價(jià)工作。

2.2 技術(shù)和質(zhì)量要求

2.2.1 鉆探要求[7-10]

鉆探工程施工質(zhì)量參考《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程(DZ/T 0227-2014)》中的六項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)確定，嚴(yán)格按照具體指標(biāo)要求執(zhí)行。

(1)鉆前開(kāi)始孔位驗(yàn)證，鉆孔類(lèi)型為直孔，進(jìn)尺為1500 m，孔斜<5°，終孔直徑≥75 mm，確保測(cè)井工作可以正常進(jìn)行。

(2)要求鉆孔平均巖心采取率≥80%。礦化帶重要標(biāo)志層、圍巖接觸帶3～5 m范圍內(nèi)巖心采取率≥85%。

(3)將取出的巖礦心清洗干凈后依次自上而下的安全裝箱，巖心箱按編號(hào)擺放，嚴(yán)禁顛倒或任意拉長(zhǎng)巖心。

(4)方位角偏差不超過(guò)勘探網(wǎng)1/3～1/4。

(5)每鉆進(jìn)50 m測(cè)一次頂角和方位。終孔測(cè)斜地質(zhì)編錄員應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

(6)每班至少測(cè)量孔內(nèi)水位1～2次，每次觀測(cè)應(yīng)在提鉆后、下鉆前各測(cè)量1次，間隔時(shí)間>5 min。

(7)鉆進(jìn)時(shí)遇有涌水、漏水、溶洞等現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)記錄孔深。

(8)以100 m為單位在進(jìn)出礦層、終孔后要進(jìn)行孔深測(cè)量，誤差>1‰時(shí)必須修正。校正時(shí)，相應(yīng)人員應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

(9)班報(bào)表要在現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)、準(zhǔn)確、齊全的填寫(xiě)，負(fù)責(zé)人要親筆簽字，終孔后裝訂留存。

(10)鉆孔封孔要用325號(hào)以上未過(guò)期的水泥、水灰比要符合設(shè)計(jì)要求。

(11)孔口立水泥標(biāo)樁，并保證其質(zhì)量。

2.2.2 原始資料要求

提交鉆孔工程施工設(shè)計(jì)和鉆孔工程地質(zhì)報(bào)告，涉及項(xiàng)目各項(xiàng)工作所取得的全部原始資料(包括鉆孔施工組織設(shè)計(jì)、原始班報(bào)、簡(jiǎn)易水文觀測(cè)、泥漿錄井記錄、氯離子滴定記錄、遲到時(shí)間記錄、鉆具丈量記錄、巖屑鑒定記錄、巖心鑒定本、取樣送樣記錄、鉆孔竣工驗(yàn)收表、套管數(shù)據(jù)表、測(cè)井曲線(xiàn)等)及項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的各類(lèi)文件等資料。

2.2.3 提交成果要求

安全順利完成鉆探工程，獲得目標(biāo)層段泥頁(yè)巖巖心和含氣量等參數(shù)。

包括：按設(shè)計(jì)取得相應(yīng)的全套的巖心實(shí)物資料。提交單孔地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)報(bào)告、鉆孔終孔報(bào)告、鉆孔綜合柱狀圖、測(cè)井報(bào)告、測(cè)井曲線(xiàn)等。

3 鉆探設(shè)備、工藝選擇及鉆孔結(jié)構(gòu)確定

3.1 鉆探設(shè)備的配備

本次鉆探施工的鉆探設(shè)備配置情況見(jiàn)表1。

3.2 鉆具及工藝的選擇

根據(jù)物探提供的地層分布圖和相鄰地區(qū)以往鉆探施工資料，初步預(yù)測(cè)從上到下可能鉆遇的地層，結(jié)合巖石的鉆進(jìn)特性和國(guó)內(nèi)的工藝措施[11-14]，確定繩索取心與普通雙管、普通單管鉆進(jìn)相結(jié)合的鉆探施工方案。鉆探工具配備見(jiàn)表2。

表2 鉆具配備Table 2 Drilling tools

注：?60 mm外絲鉆桿普通單管鉆進(jìn)方法在繩索取心鉆進(jìn)效果較差的情況下啟用。

3.3 鉆孔結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)地層情況，結(jié)合繩索取心鉆進(jìn)工藝要求，確定該鉆孔采用4級(jí)成孔。

一開(kāi)采用?155.5 mm鉆頭穿過(guò)第四系和強(qiáng)風(fēng)化層，下入?146 mm套管10～20 m(根據(jù)地層情況確定)。

二開(kāi)采用?125.5 mm鉆頭，單管鉆具穿過(guò)不穩(wěn)定層。下入?114 mm套管，把套管坐落在凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r地層。該層套管的主要目的是隔離漏失層，長(zhǎng)度120～150 m(根據(jù)地層情況確定)。

三開(kāi)采用?95 mm繩索取心鉆具，穿過(guò)塑性泥巖、頁(yè)巖地層，下入?95 mm反絲套管，主要隔離塑性地層，并做技術(shù)套管用。長(zhǎng)度約300～350 m，套管坐落在完整地層[7]。

四開(kāi)采用CHD-75型繩索取心鉆具完成剩余工作量。

鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of borehole structure

4 沖洗液選擇與維護(hù)

根據(jù)地層巖性，選擇不同類(lèi)型的沖洗液。開(kāi)孔第四系粘土、亞粘土、砂礫石層,30～150 m為流砂層，鉆孔坍塌嚴(yán)重。選擇密度較大、固相含量較高的普通細(xì)分散泥漿。沖洗液配方：1 m3水+3%～5%粘土+0.3%火堿+3～5 kg CMC+3～5 kg聚丙烯酸鉀。

150 m以深多為炭質(zhì)泥巖、砂巖，地層較完整，沖洗液主要以潤(rùn)滑、攜粉為主，選擇無(wú)固相聚合物乳化沖洗液。沖洗液配方：1 m3水+3～5 kg PHP干粉+10 kg皂化油液體+3～5 kg CMC+3～5 kg聚丙烯酸鉀。

不同開(kāi)次沖洗液的維護(hù)要點(diǎn)及性能控制要求見(jiàn)表3。

表3 沖洗液維護(hù)要點(diǎn)及性能控制要求Table 3 Maintenance points and performance control requirements of drilling fluids

根據(jù)鉆孔實(shí)際情況，可選擇是否使用膠液形式補(bǔ)充維護(hù)沖洗液性能。沖洗液循環(huán)的布置方案為：

長(zhǎng)2 m×寬1.5 m×深1.7 m沉淀池1個(gè)；

長(zhǎng)2 m×寬2 m×深1.7 m吸水池1個(gè)；

長(zhǎng)2 m×寬2.5 m×深1.7 m廢漿池1個(gè)；

長(zhǎng)25 m×寬0.4 m×深0.3 m循環(huán)槽1套；

長(zhǎng)2 m×寬1.5 m×高1.1 m膠液箱1個(gè)；

長(zhǎng)1 m×寬1 m×高1.1 m配漿箱(帶攪拌設(shè)備)1個(gè)。

為保持孔內(nèi)清潔，維護(hù)沖洗液性能，必須對(duì)沖洗液進(jìn)行固相控制。本工程采用以下方法進(jìn)行固相控制：

(1)設(shè)置足夠橫斷面積和長(zhǎng)度的沖洗液循環(huán)溝槽和沉淀池；

(2)選用高效包被劑除砂。

作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還配備了以下沖洗液試驗(yàn)儀器：密度計(jì)；漏斗粘度計(jì)；中壓失水儀；含砂量測(cè)定儀；pH試紙。

5 現(xiàn)場(chǎng)操作技術(shù)要點(diǎn)及鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

(1)鉆進(jìn)總體要求采用低鉆壓、慢轉(zhuǎn)速，確保鉆孔質(zhì)量，預(yù)防孔內(nèi)事故發(fā)生。

(2)鉆進(jìn)中，要準(zhǔn)確記錄鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量、鉆速等相關(guān)數(shù)據(jù)，優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)。

(3)保證內(nèi)管投放到位，可通過(guò)聽(tīng)取孔內(nèi)回聲來(lái)判斷內(nèi)管是否到位，無(wú)法聽(tīng)到回聲的情況下，可按每100延米2 min計(jì)算。也可用絞車(chē)將打撈器送下去判斷，在前一次打撈巖心時(shí)標(biāo)記位置。杜絕繩索取心打空管導(dǎo)致提鉆情況。

(4)檢查卡簧、卡簧座的磨損情況，預(yù)防脫落巖心導(dǎo)致的提鉆、巖心質(zhì)量事故發(fā)生。

(5)注意觀察泵壓的變化情況，當(dāng)泵壓突然大幅度上升或下降時(shí)，第一時(shí)間查找原因，需要提鉆時(shí)，禁止下?lián)泼瑩迫?nèi)管，防止撈矛卡在孔內(nèi)或鋼絲繩掉入孔內(nèi)，引發(fā)孔內(nèi)事故[15]。

(6)嚴(yán)格檢查鉆桿絲扣、管體等的磨損情況，杜絕損壞、變形、磨損超差等有問(wèn)題的鉆桿下入孔內(nèi)。提下鉆時(shí)要認(rèn)真檢查每一個(gè)立根的連接情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)整改。

(7)每一次提鉆后都要認(rèn)真檢查、測(cè)量鉆頭、擴(kuò)孔器尺寸和磨損情況，做到鉆頭排隊(duì)使用。

(8)提下鉆時(shí)要?jiǎng)蛩俾?，?jiān)持回灌沖洗液保持孔內(nèi)壓力平衡，嚴(yán)禁猛提快下產(chǎn)生壓力激動(dòng)造成孔內(nèi)掉塊、孔壁失穩(wěn)。

(9)開(kāi)孔套管下完后，要進(jìn)行水泥漿回灌(固井)處理，二層套管要做隔水，三層套管螺紋采用反絲，并在各連接處采用專(zhuān)用膠密封防止倒扣脫節(jié)。

鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)Table 4 Drilling parameters

6 鉆孔防斜糾斜措施

6.1 控制鉆孔傾斜率的基本措施

(1)設(shè)備安裝必須周正、穩(wěn)固，塔基基礎(chǔ)牢固，保持均勻沉降，保證鉆塔持重狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生傾斜。

(2)800 m以?xún)?nèi)用?95 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn)，保證鉆桿的剛度，采用優(yōu)質(zhì)XJY-89 mm合金管材。800 m以深采用CHD-76 mm加強(qiáng)型繩索取心鉆桿，完成鉆孔施工任務(wù)。

(3)設(shè)計(jì)合理的鉆孔結(jié)構(gòu)，大口徑鉆具盡量鉆進(jìn)，可根據(jù)鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力確定鉆進(jìn)深度。

(4)無(wú)論采取何種鉆具必須加裝保直穩(wěn)定器，保證鉆桿在孔內(nèi)有良好的回轉(zhuǎn)同心度。減壓鉆進(jìn)時(shí)，孔底承受加壓部分的鉆桿全部加裝保直穩(wěn)定器，一般控制在6處左右[16]。

(5)使用先進(jìn)的數(shù)字測(cè)斜儀器，按50 m一個(gè)測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確掌握鉆孔軌跡(見(jiàn)表5)。做好鉆孔軌跡圖，隨時(shí)跟蹤鉆孔軌跡變化。

表5 通地-1井鉆孔頂角實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)Table 5 Measured inclination data of Well Tongdi-1

(6)現(xiàn)場(chǎng)配置校驗(yàn)臺(tái)，隨時(shí)校對(duì)測(cè)斜儀器的精度和準(zhǔn)確性，確保鉆孔軌跡真實(shí)，與地球物理測(cè)井基本一致。

(7)合理控制鉆進(jìn)參數(shù)，在頂角下垂控制范圍下限時(shí)采用較大壓力，孔底壓力控制在20～25 kN，在頂角上漂控制范圍上限時(shí)采用較小壓力，孔底壓力控制在10～15 kN。

6.2 鉆孔糾斜措施

鉆孔在施工過(guò)程中頂角發(fā)生下垂、上漂超差時(shí)，采取如下措施：

(1)利用連續(xù)造斜器進(jìn)行糾斜鉆進(jìn)，改變?cè)瓉?lái)的方位角、頂角，使鉆孔按設(shè)計(jì)軌跡延伸，最終滿(mǎn)足地質(zhì)要求。

(2)利用螺桿連續(xù)造斜器進(jìn)行可控造斜鉆進(jìn)，滿(mǎn)足地質(zhì)技術(shù)要求。

7 鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)成果

按設(shè)計(jì)順利完成了鉆探施工，終孔深度1502 m，臺(tái)月效率409.64 m；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收鉆孔各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均滿(mǎn)足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了地質(zhì)的目的。

以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目的為前提，與常規(guī)石油勘探井施工主要成本進(jìn)行比對(duì)分析(見(jiàn)表6)，此施工工藝具有占地面積小，油料、沖洗液材料消耗少的優(yōu)點(diǎn)，不但降低了石油勘探井資金投入的風(fēng)險(xiǎn),也大幅度降低了施工成本。

表6 裸眼施工直接成本對(duì)比Table 6 Direct cost comparison of open hole drilling

注：(1)工期計(jì)劃為90 d；(2)估算鉆探(井)主要成本非全成本，材料費(fèi)以市場(chǎng)價(jià)格為依據(jù)；(3)人工費(fèi)中含有附加費(fèi)用；(4)不包括成孔(井)管材、固井、測(cè)井等費(fèi)用；(5)參考本礦區(qū)石油勘探井成本概算。

8 結(jié)語(yǔ)

(1)通地-1井的鉆探施工取得了較好的地質(zhì)效果，成本未超預(yù)算范圍。實(shí)踐證明，小口徑鉆探技術(shù)可以滿(mǎn)足油氣田勘探的地質(zhì)技術(shù)要求，可以達(dá)到預(yù)期的目的。具有一定的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性，鉆探成本可顯著降低，有利于綠色勘查的實(shí)施。

(2)通地-1井小口徑鉆探施工獲取的各項(xiàng)地質(zhì)資料、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，為后期布設(shè)石油井(附近50 m)提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)。

(3)應(yīng)用小口徑鉆探施工油氣田地質(zhì)調(diào)查孔，還需進(jìn)一步完善防噴、固控、固井、氣錄井等設(shè)備配套。

(4)還需進(jìn)一步對(duì)小口徑繩索取心鉆探在沉積巖地層中鉆進(jìn)給壓方法、鉆遇水敏性和塑性地層沖洗液維護(hù)、建立沖洗液封閉式循環(huán)可利用系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探索。