深部巖鹽取心鉆探技術(shù)

靳紅兵

(河南省地礦局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南鄭州 450045)

深部巖鹽取心鉆探技術(shù)

靳紅兵

(河南省地礦局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南鄭州 450045)

利用水井鉆機(jī)鉆探，開展巖鹽深孔取心，采用合理鉆孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)化鉆具組合，并配以適宜的飽和鹽水鉆井液和取心鉆探工藝，成功地實(shí)施了連續(xù)巖鹽取心，收到了良好的效果。結(jié)合濮陽(yáng)巖鹽普查項(xiàng)目，介紹了深部巖鹽取心鉆探技術(shù)。

巖鹽;鉆探;飽和鹽水泥漿;取心筒;取心

濮陽(yáng)巖鹽普查項(xiàng)目由河南省國(guó)土資源廳下達(dá)給我隊(duì)實(shí)施。該項(xiàng)目位于濮陽(yáng)縣文留鎮(zhèn)和王稱堌鄉(xiāng)境內(nèi)。設(shè)計(jì)鉆孔一個(gè)，孔深2700 m。設(shè)計(jì)從2200 m開始取心，礦層及礦層頂、底板采取率＞75%。從地表到礦層頂板不要求取心。巖心直徑≮90 mm。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

普查區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)華北坳陷南部，東明斷陷北段，所處地質(zhì)單元西鄰內(nèi)黃凸起，北接臨清凹陷，南鄰開封凹陷。主要受北北東和北東向構(gòu)造體系所控制。對(duì)本區(qū)有影響的構(gòu)造均為隱伏構(gòu)造，以斷裂為主，按其切割的深度和規(guī)模分為深大斷裂和局部斷裂2種類型。

普查區(qū)內(nèi)新生界沉積厚度巨大，最深6000 m左右(東南角)，最淺3500 m左右(西北角)，普查區(qū)內(nèi)地層有第四系、新近系、古近系。巖性以泥巖、砂巖為主。

2 鉆探工藝論證分析

該鉆孔深度為2700 m，鉆孔較深，并且要求從2200 m取心，巖心直徑≮90 mm，所以用常規(guī)的巖心鉆探工藝不能滿足要求;繩索取心鉆具由于受鉆桿扭矩和拉力的限制，不能采用;單管鉆具由于沖洗液容易沖刷巖心，難以保證巖心的采取率。經(jīng)綜合分析，選用單動(dòng)雙管鉆具較為合適。由于巖鹽的主要成分為氯化鈉，極易溶于水，不能用常規(guī)沖洗液，故采用飽和鹽水泥漿。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)該礦區(qū)的地層情況，本鉆孔采用的鉆孔結(jié)構(gòu)是:一開使用φ445 mm鉆頭鉆進(jìn)至95 m;二開使用φ311 mm鉆頭鉆進(jìn)至1140 m左右;三開使用φ216 mm鉆頭鉆進(jìn)至2271 m，進(jìn)入礦層頂板改用φ215 mm取心鉆頭進(jìn)行取心，穿透礦體層，直至進(jìn)入沙二2675 m處。

用φ445 mm口徑三牙輪鉆頭開孔，鉆穿第四系松散層約厚95 m后，下入φ339.7 mm套管并固井。用φ311 mm三牙輪鉆頭和PDC復(fù)合片鉆進(jìn)到1140 m左右，下φ245 mm套管并固井。井身結(jié)構(gòu)見圖1。

4 設(shè)備選擇與鉆具級(jí)配

施工主要設(shè)備為:TST300/445型鉆機(jī)，HS37－130鉆塔，3NB－350型泥漿泵，φ89 mm摩擦焊鉆桿。

鉆具級(jí)配:

φ445 mm鉆具級(jí)配:φ445 mm鉆頭+φ178 mm鉆鋌+φ159 mm鉆鋌+φ89 mm鉆桿+主動(dòng)鉆桿。

圖1 井身結(jié)構(gòu)示意圖

φ311 mm鉆具級(jí)配:φ311 mm鉆頭+φ178 mm鉆鋌+φ159 mm鉆鋌+φ89 mm鉆桿+主動(dòng)鉆桿。

φ216 mm鉆具級(jí)配:φ216 mm鉆頭+φ159 mm鉆鋌+φ89 mm鉆桿+主動(dòng)鉆桿。

鉆具組合結(jié)構(gòu)見表1。

表1 各孔段鉆具組合結(jié)構(gòu)表

5 取心工具的選擇

取心鉆具選用石油系統(tǒng)的CQX－172型單動(dòng)雙管取心筒，外筒尺寸φ172 mm×φ140 mm×16 mm，內(nèi)筒尺寸φ121 mm×φ108 mm×6.5 mm，長(zhǎng)度8 m，鉆頭用φ216 mm的PDC復(fù)合片鉆頭，該取心筒采用高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管加差值短節(jié)(穩(wěn)定器)作外筒，強(qiáng)度高，剛性好，有利于提高巖心采取率。

6 飽和鹽水泥漿的配置

進(jìn)入礦層頂板后，用如下方法將普通鉆井液轉(zhuǎn)化為飽和鹽水鉆井液:

(1)充分清理循環(huán)系統(tǒng)，往循環(huán)罐內(nèi)加入所需清水;

(2)在地面循環(huán)的同時(shí)，從混合漏斗加入如下成分處理劑(按配漿總量計(jì)):LV－CMC 0.5%、NH4HPAN 1%，并加入NaOH 0.2%和適量的鹽，循環(huán)均勻至充分溶解;

(3)將鉆具下入井內(nèi)，同時(shí)將所配膠液均勻混入，加鹽至Cl－含量為18萬(wàn)mg/L以上，并加重至設(shè)計(jì)密度;

(4)用上述處理劑調(diào)整好性能，性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求后方可鉆進(jìn)。

飽和鹽水泥漿性能見表2。

濾失量可用GK－97、LV－CMC或其高濃度的飽和鹽水膠液來(lái)控制，粘切力可用飽和鹽水膠液維護(hù)。維持Cl－含量＞18萬(wàn)mg/L。進(jìn)入目的層前將鉆井液濾失量控制在5 mL以下。全井使用好固控設(shè)備，使密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。完井前提前處理好鉆井液，維持性能均勻穩(wěn)定，一般情況不要作大型處理。起鉆前鉆井液循環(huán)不少于2循環(huán)周，充分清潔井眼。

表2 飽和鹽水泥漿性能表

7 取心鉆進(jìn)工藝

(1)在地面組裝取心工具，選用的卡箍巖心爪彈性適宜，敷焊的碳化鎢顆粒均勻、平整，巖心爪上下活動(dòng)無(wú)阻卡現(xiàn)象。

(2)嚴(yán)格檢查取心筒各部分聯(lián)接情況，配合間隙符合要求，水眼暢通，懸掛軸承保證轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，組裝后吊在井口用手能轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)筒。

(3)內(nèi)外筒之間清潔無(wú)異物，巖心爪完好、尺寸相符。巖心爪座底面與鉆頭內(nèi)臺(tái)肩的縱向間隙為疏松地層7～8 mm，致密地層10～12 mm。

(4)先不裝鋼球，待下鉆完畢，循環(huán)泥漿沖洗內(nèi)筒后，從鉆桿水眼處投入鋼球，球落座后開始取心鉆進(jìn)。

(5)下鉆操作平穩(wěn)，杜絕猛剎、猛放，控制下放速度，嚴(yán)防蹾鉆。下鉆距離井底一個(gè)單根深度時(shí)提前開泵循環(huán)，下放鉆具清潔井底。

(6)避免用取心鉆頭劃眼，下鉆最大阻力≯30 kN，否則立即加方鉆桿循環(huán)鉆井液起鉆。

(7)取心鉆進(jìn)前循環(huán)處理好鉆井液，并清潔井底，取心鉆進(jìn)時(shí)輕壓(10～20 kN)起動(dòng)，仔細(xì)取心鉆進(jìn)，巖心進(jìn)尺0.5 m。正常鉆進(jìn)加壓50～60 kN，送鉆均勻，不停泵，不提鉆、溜鉆，防止憋、跳鉆，做好鉆時(shí)錄井，細(xì)心注視機(jī)械參數(shù)的變化(鉆速、泵壓扭矩)，準(zhǔn)確判斷井下情況，一旦堵心立即起鉆。

(8)割心操作:根據(jù)地層情況，盡量選擇巖性較致密、膠結(jié)較好的地層作為割心地層，鉆完進(jìn)尺后加壓70 kN(使最后進(jìn)入的巖心變粗便于拔斷后托住筒里的巖心)，停止送鉆，旋轉(zhuǎn)15 min左右，上提鉆具一般增加懸重50～150 kN又立即消除，證明巖心被拔斷。如果懸重一直不降，停止上提鉆具，保持巖心受拉狀態(tài)，增加泥漿循環(huán)，直至巖心被拔斷。割心后上提鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)不同方向，慢慢下放以試探井底有無(wú)余心及余心的長(zhǎng)度。起鉆使用液壓大鉗卸扣。

(9)取心鉆進(jìn)時(shí)，要注意觀察鉆速、泵壓的變化。泵壓逐漸升高，機(jī)械轉(zhuǎn)速隨之下降，上提鉆具，泵壓恢復(fù)，一般是鉆頭磨損，應(yīng)割心起鉆。泵壓明顯升高，機(jī)械轉(zhuǎn)速明顯下降，一般是進(jìn)入軟地層，鉆頭“吃入”過深或鉆頭泥包，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整鉆壓。泵壓升高，機(jī)械轉(zhuǎn)速基本不變，上提鉆具，泵壓不降，應(yīng)是鉆頭水眼堵塞，應(yīng)割心起鉆。泵壓降低，機(jī)械轉(zhuǎn)速明顯下降，或無(wú)進(jìn)尺，一般是卡心，應(yīng)割心起鉆。泵壓明顯下降，可能是鉆具刺漏引起，應(yīng)割心起鉆。

8 施工中出現(xiàn)的問題與對(duì)策

8.1 鉆孔縮徑

在施工中經(jīng)常出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，表現(xiàn)形式為下鉆困難，在鉆進(jìn)過程中泵壓升高以及起鉆阻力大等現(xiàn)象。我們采取的對(duì)策是加強(qiáng)泥漿的管理，嚴(yán)格控制泥漿的失水量(失水量控制在5 mL)。同時(shí)嚴(yán)格規(guī)定每鉆進(jìn)50 m，一定要短起進(jìn)行劃眼，使縮徑的地方鉆具上下鉆順利為止。

8.2 井身質(zhì)量控制措施

(1)由于地層傾向上下較為一致，基本向東南傾，因此要使位移不超標(biāo)，只能從控制井斜著手，100～200 m必須測(cè)斜，即時(shí)監(jiān)控井眼軌跡的變化。

(2)一開開眼，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤、輕壓吊打，防止起步井斜，整個(gè)一開加壓都不超過鉆鋌質(zhì)量的70%，這樣一開井斜控制在1°之內(nèi)。

(3)二開由于怕帶扶正器鉆水泥塞導(dǎo)致表套倒扣脫落，采用塔式鉆具組合吊打，打完一只鉆頭后，下入鐘擺鉆具(即18 m處加一扶正器)加PDC鉆頭，但由于井眼較大和PDC的保徑面較長(zhǎng)，導(dǎo)致從井深470到680 m，井斜由0.9°增至2.8°。經(jīng)計(jì)算認(rèn)為會(huì)造成位移超標(biāo)，必須立即將井斜降下來(lái)。因此仍下入鐘擺鉆具，改用牙輪鉆頭，處理好泥漿，控制井眼擴(kuò)大率。井段680～831 m，井斜降至1°，效果較為理想。但鉆至1100 m時(shí)，由于上部地層泥巖不穩(wěn)定，經(jīng)常有大掉塊，造成別鉆、憋泵，甚至將鉆桿別脹扣，此后一直采用塔式鉆具鉆至二開結(jié)束。

(4)由于三開后地層較為平緩，三開采用光鉆鋌鉆進(jìn)，加壓仍不超過鉆鋌質(zhì)量的70%，2675 m處井斜為3.33°，位移為15.37 m，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

8.3 鉆孔坍塌

二開鉆至720 m時(shí)，井壁垮塌嚴(yán)重，并有大石塊返出，最大的長(zhǎng)寬達(dá)7 cm×5 cm，導(dǎo)致井下別鉆、憋泵嚴(yán)重。為解決問題，我們首先強(qiáng)化泥漿性能，提高粘度，降低濾失量，使泥漿密度略高于地層壓力。其次采用KCl聚合物鉆井液體系，并加入防塌材料，經(jīng)處理后，掉塊減少，但不能充分抑制垮塌，仍需要我們?cè)诮窈蟮氖┕ぶ袑ふ矣行У姆椒ā?/p>

9 取心效果

該孔從2271.16 m開始取心鉆進(jìn)，2675.33 m取心結(jié)束，取心總進(jìn)尺404.17 m，取出巖心397.50 m，巖心采取率98.3%。鹽礦心采取率方面，礦體總厚度 153.34 m，礦心總長(zhǎng)度 149.83 m(純鹽心92.88 m)，采取率達(dá)到97.7%。

10 結(jié)語(yǔ)

該勘探孔采用水井鉆機(jī)，結(jié)合石油鉆探和巖心鉆探技術(shù)，成功地完成了鉆探工作，收到了較好的效果。但在取心鉆進(jìn)時(shí)期下鉆次數(shù)頻繁，占用了大量的時(shí)間，效率較低。今后鉆探類似鉆孔時(shí)，應(yīng)考慮加長(zhǎng)取心筒的長(zhǎng)度，以提高效率。

［1］張偉，王達(dá)，劉躍進(jìn)，等.深孔取心鉆探裝備的優(yōu)化配置［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(10):34 －38，41.

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

［3］李之軍，陳禮儀，賈軍，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號(hào)孔斷層泥孔段泥漿體系的研究和應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(12):13 －15，19.

［4］周亮.煤系地層護(hù)壁堵漏鉆井液配制技術(shù)探討［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2009，(9).

［5］張曉西.深部礦產(chǎn)資源勘探鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)問題分析［C］.海南?？?全國(guó)深部鉆探技術(shù)培訓(xùn)班，2008.

Coring Drilling Technology for Deep Rock Salt

JIN Hong-bing(No.1 Hydrogeology and Engineering Geology Team，Henan Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development，Zhengzhou Henan 450045，China)

Continuous coring drilling for rock salt was succeeded with good effect by using water well rig，developing rock salt coring drilling;taking rational borehole structure and optimizing drilling assembly with proper saturated saltwater drilling fluid and coring drilling technology.According to the rock salt survey project of Puyang，the paper introduced coring drilling technology for deep rock salt.

rock salt;drilling;saturated saltwater mud;coring barrel;coring

P634.5

A

1672－7428(2011)10－0010－03

2011－03－31;

2011－10－13

靳紅兵(1967－)，男(漢族)，河南新安人，河南省地礦局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)副隊(duì)長(zhǎng)、高級(jí)工程師，鉆探工程專業(yè)，從事地質(zhì)鉆探及研究工作，河南省鄭州市花園路86號(hào)，jhb3933@163.com。