唐山曹妃島大酒店縮徑軟層地?zé)嵘罹O(shè)計(jì)與施工

宋 濤，陳志海，張樹(shù)寶，武樹(shù)懷，劉 磊

（河北水文工程地質(zhì)勘察院，河北石家莊 050021）

唐山曹妃島大酒店縮徑軟層地?zé)嵘罹O(shè)計(jì)與施工

宋 濤，陳志海，張樹(shù)寶，武樹(shù)懷，劉 磊

（河北水文工程地質(zhì)勘察院，河北石家莊 050021）

唐山曹妃島大酒店位于沿海第四系軟層的工程地質(zhì)施工區(qū)，針對(duì)第四系縮徑軟層地?zé)嵘罹@井技術(shù)難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)施工中采取了低失水量、高密度鈉土泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)、控制泵量等工藝技術(shù)措施，效果顯著?？偨Y(jié)了一眼縮徑軟層地?zé)嵘罹@井和成井施工技術(shù)。

地?zé)嵘罹?縮徑軟層;泥漿護(hù)壁

1 工程概況

為滿足唐山曹妃島大酒店供暖及洗浴等方面的需求，需要興建一眼地?zé)峋?/p>

1.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

蓋層為第四系平原組的結(jié)構(gòu)松散、呈不等厚互層的松散堆積物，巖性由灰黃、棕黃、黃棕、棕色、雜色亞砂土、亞粘土、粘土和灰黃、灰白色粉細(xì)砂、中細(xì)砂、細(xì)砂、粉砂組成。熱儲(chǔ)層為:（1）上第三系明化鎮(zhèn)組，由黃褐、棕褐、棕紅帶紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖和灰綠、淺灰、深灰色細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖、細(xì)礫巖、中粗砂巖、中砂巖、粉砂巖組成，呈不等厚互層，結(jié)構(gòu)松散～疏松，水敏性特別強(qiáng)，遇水易膨脹、坍塌和縮徑;（2）上第三系館陶組棕紅、紫紅色泥巖與棕黃、灰白、灰綠、灰色細(xì)砂巖、細(xì)礫巖、粉細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖、粉砂巖不等厚互層，結(jié)構(gòu)較疏松。

本熱儲(chǔ)分布廣泛，區(qū)域穩(wěn)定，是本區(qū)理想的熱儲(chǔ)層之一。

1.2 成井結(jié)構(gòu)及要求

井斜角＜3°，含砂量＜0.2‰。

成井結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆孔成井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 縮徑軟層地?zé)嵘罹┕るy點(diǎn)分析

施工區(qū)位于海濱、河流相等地層地帶，一些巖土為強(qiáng)度低、壓縮性較高的軟弱土層，多數(shù)還含有一定的有機(jī)物質(zhì)。由于軟土層強(qiáng)度低、含水量高和較大的空隙率，液性指數(shù)0.75～1的軟塑或液性指數(shù)＞1流塑狀態(tài)，鉆探中容易縮徑。

本地?zé)峋┕るy點(diǎn)主要是鉆孔圍巖中的軟縮巖土層及松散砂層。軟縮巖土層與松散砂層主要分布在本地?zé)峋?000 m以深的第四系平原組及上第三系明化鎮(zhèn)組中的泥頁(yè)巖孔段。此孔段的鉆孔圍巖特性在施工過(guò)程中極易出現(xiàn)縮徑塌孔等孔內(nèi)事故，進(jìn)而造成埋鉆等孔內(nèi)事故的發(fā)生?？s徑軟層鉆進(jìn)中存在滲水、涌水、涌砂、孔徑縮小甚至導(dǎo)致鉆孔的坍塌、埋鉆的現(xiàn)象。

3 鉆井方案設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備的選擇

依據(jù)本井施工合同要求，結(jié)合本地的地?zé)岬刭|(zhì)條件，采用 TSJ-2000型鉆機(jī)，TBW-850/50型泥漿泵，備用110、195 kW電動(dòng)機(jī)各一臺(tái)。開(kāi)孔鉆具選用450 mm鋼齒長(zhǎng)齒牙輪鉆頭，在縮徑軟層選用鋼齒244.5 mm石油三牙輪鉆頭。配置159、127 mm鉆鋌，配置420、220 mm扶正器，選用89 mm鉆桿。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

3.3 井管及濾水

為保證地?zé)峋褂脡勖?，井管采用石油套管，變徑部位采用大小頭連接（鉻鉬鋼鍛制），不得焊制，大小頭內(nèi)壁必須平整光滑，無(wú)裂痕，無(wú)毛刺，無(wú)凹凸。濾水管采用177.8 mm石油套管制作，管體四周均勻鉆孔，縱向墊6根鋼筋，兩端加密封環(huán)，墊筋外橫向纏繞過(guò)濾絲，然后再繞絲外用銅焊固定繞絲，防止松散，管體四周鉆孔直徑一般應(yīng)為18～20 mm，濾水管孔隙度≮15%，纏絲間隙應(yīng)為1～1.5 mm。

4 鉆井工藝

針對(duì)縮徑軟層的地層特點(diǎn)，在鉆進(jìn)施工流程中要做好深鉆孔、軟層縮徑通病防治的工作。

4.1 鉆進(jìn)工藝

4.2 泥漿護(hù)壁工藝

4.2.1 泥漿控制原則

針對(duì)縮徑軟層，調(diào)控泥漿參數(shù)是鉆進(jìn)過(guò)程最主要關(guān)鍵點(diǎn)。泥漿的控制原則如下。

（1）粘度適中。由于粘度就是流體的流動(dòng)阻力，所以在鉆進(jìn)中粘度的重要意義就是要保持鉆井液一定的流動(dòng)性。粘度太高容易導(dǎo)致以下問(wèn)題:

①會(huì)降低泥漿泵的效率（粘度愈高，需要愈高壓力的泵來(lái)保持泥漿的循環(huán)流動(dòng)）;

②過(guò)濃的泥漿流動(dòng)性差，會(huì)造成鉆孔內(nèi)壓力過(guò)高;

③降低鉆進(jìn)速度。

（2）膠凝強(qiáng)度高。理想的泥漿必須具備碎屑的支撐、懸浮和運(yùn)載能力。當(dāng)泥漿相對(duì)于鉆孔地層處于靜態(tài)時(shí)，必須保持足夠的膠凝強(qiáng)度來(lái)懸浮被鉆下來(lái)的固體鉆屑，而且當(dāng)這些固體碎屑從鉆孔中排出來(lái)時(shí)，還要保持其懸浮狀態(tài)。如果泥漿不能懸浮鉆屑，鉆屑就會(huì)快速沉淀在鉆孔的底部，導(dǎo)致埋鉆。

（3）泥漿密度高。泥漿密度低，不但不能起到護(hù)壁的作用，還有可能造成鉆孔事故。一旦發(fā)現(xiàn)泥漿密度過(guò)低，必須采取下列措施來(lái)提高。

①盡快想辦法去除泥漿中的鉆屑固體，加大配比來(lái)提高泥漿的密度;

②降低鉆進(jìn)速度;

③如果時(shí)間允許，廢棄當(dāng)前泥漿，重新配置新的泥漿。

（4）濾失量低，濾餅薄且堅(jiān)韌、光滑。優(yōu)質(zhì)的泥漿濾失量低，形成的濾餅又薄又光滑、堅(jiān)韌并強(qiáng)度較高。泥漿濾失量越高，濾餅越柔軟并且越厚。濾餅厚度增加會(huì)減小鉆孔內(nèi)的環(huán)行空隙，鉆井液和碎屑在更窄的通道中輸送時(shí)需要的壓力更大。

在粘土地層中，因?yàn)檎惩寥菀子鏊磻?yīng)并膨脹，此時(shí)濾失量控制非常重要。但是要達(dá)到較低的濾失量，質(zhì)量?jī)?yōu)異的濾餅必不可少。在軟弱砂土層中，優(yōu)質(zhì)的濾餅更具有極其重要的意義。因?yàn)槿绻罅繛V液滲入地層會(huì)降低地層強(qiáng)度，使地層縮徑、坍塌。

濾餅最佳厚度應(yīng)該介于1/32～3/32 in（0.79～2.375 mm）之間。

（5）含砂量低。含砂量也是判斷泥漿是否優(yōu)良的重要標(biāo)準(zhǔn)。好的泥漿含砂量可控制在2% ～3%以內(nèi)。含砂量高對(duì)環(huán)流系統(tǒng)的效率存在不利影響，并會(huì)縮短泵送設(shè)備、泥漿馬達(dá)等裝置的壽命，也會(huì)降低鉆井液的效率。

（6）摩擦系數(shù)低，潤(rùn)滑性能好。在鉆進(jìn)施工過(guò)程中，如果泥漿摩擦系數(shù)低，潤(rùn)滑性能好，則會(huì)降低鉆孔與地層之間的摩擦阻力，從而有助于鉆孔的施工和后期井管的安裝。

（7）剪切稀釋性好。鉆進(jìn)泥漿的粘度隨剪切率的增加而降低，剪切稀釋性好的優(yōu)質(zhì)泥漿，可使鉆井液在靜止時(shí)成膠狀（半固體狀態(tài)），流動(dòng)時(shí)則呈液狀。

4.2.2 泥漿配制及性能

通過(guò)以上分析，設(shè)計(jì)了較為合理的泥漿配方及性能。

泥漿配方:40～50 kg/m3鈉質(zhì)土 +0.1% ～0.2%NaOH+0.2%K-PAM+0.5%HV-CMC。

K-PAM（聚丙烯酸鉀）的主要作用是加快巖屑沉淀，兼有降失水和潤(rùn)滑的作用。HV-CMC（羧甲基纖維素鈉）的主要作用是增加泥漿粘度，利于攜帶巖屑，降低濾失量，維持井壁穩(wěn)定。

性能指標(biāo):粘度25～30 s，密度1.02～1.15 g/cm3，失水量 ＜8 mL，泥餅厚度 ＜1.0 mm，含砂量 ＜2% ～3%。

4.2.3 鉆井中遇到的問(wèn)題及解決的方法

軟巖縮徑和孔斜是鉆井中遇到的主要問(wèn)題。為此，采用了如下措施:（1）水泥固井，上部段鉆進(jìn)后向孔內(nèi)注入水泥漿液，待孔內(nèi)水泥初凝后，將孔內(nèi)水泥掃至孔口，提鉆等待孔內(nèi)水泥達(dá)到72 h強(qiáng)度后，再進(jìn)行下步施工;（2）及時(shí)調(diào)整泥漿設(shè)計(jì)配比;（3）鉆速控制與調(diào)整，在鉆進(jìn)過(guò)程中，必須控制鉆進(jìn)速度，如發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)較慢情況，應(yīng)及時(shí)提鉆，分析原因;較快時(shí)，應(yīng)控制鉆進(jìn)速度，預(yù)防孔斜，使得鉆進(jìn)始終保持勻速狀態(tài);（4）提鉆、下鉆過(guò)程中，必須控制提下鉆速度，如出現(xiàn)提下鉆遇阻等情況，不能強(qiáng)拉、硬闖，應(yīng)在遇阻位置送漿、給轉(zhuǎn)反向劃孔，待鉆具能夠順?lè)€(wěn)通過(guò)為止。

5 成井工藝

5.1 下管工藝

5.2 止水固井工藝

表層套管下入后，進(jìn)行水泥固井。將井管（第一根管下部1 m處割3個(gè)返漿眼）絲扣擰緊，確保不漏水，下入井底后，在管內(nèi)下入鉆桿距離井底1 m，向井管內(nèi)注滿泥漿，將井管口環(huán)繞鉆桿加焊鋼板封死。通過(guò)鉆桿把泥漿壓入，泥漿通過(guò)返漿眼進(jìn)入鉆孔孔壁和套管間隙返至地面，正常循環(huán)后，將攪拌好的水泥漿（水灰比0.6∶1，密度1.8 g/cm3）用泥漿泵從鉆桿內(nèi)壓入孔內(nèi)，見(jiàn)孔口上返水泥漿時(shí)停止注入水泥漿，換用適量清水清洗鉆桿內(nèi)殘留水泥漿，候凝6～8 h，打開(kāi)管口密封鋼板，將鉆桿提出套管。使用42.5R 水泥 20 t。

技術(shù)套管下入時(shí)，根據(jù)物探測(cè)井結(jié)果計(jì)算出利用熱儲(chǔ)層頂板，在利用熱儲(chǔ)層上方技術(shù)套管上每隔10 m放置止水膠傘并安裝防脫落鋼箍，止水膠傘每段長(zhǎng)度控制在50～60 cm，不得少于5段。在技術(shù)套管頂部大小頭連接器與表套管底部大小頭連接器之間應(yīng)放置止水膠傘并安裝防脫落鋼箍。

5.3 沖孔洗井抽水工藝

下管封孔完畢后，先用鉆具帶一穿孔短節(jié)下入井底，用泥漿泵送清水循環(huán)替出井內(nèi)泥漿，然后在目的層部位自下而上逐段沖洗，每米沖洗時(shí)間≮10 min;然后提出鉆具，下入潛水泵進(jìn)行振動(dòng)式抽水洗井，至水清砂凈（含砂量≯0.2‰），靜水位10.42 m。

6 取得的效果

（1）嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，施工安全。施工中特別注意泥漿的配置和使用，確保其與鉆孔地層相適應(yīng)，成功維護(hù)了鉆井井壁的穩(wěn)定，使整個(gè)地?zé)峋@進(jìn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生一起鉆孔事故。

（2）由于鉆進(jìn)參數(shù)合理，提高了鉆效，預(yù)防了孔斜。在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆鋌的重力都控制在100 kN左右，而孔底的鉆壓基本掌握在30～50 kN，轉(zhuǎn)速控制在68 r/min。另外，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)的組合，控斜措施好，鉆孔頂角保持在要求范圍內(nèi)，全孔最大頂角為1.7°，保證了套管的順利下入。

（3）在下入技術(shù)套管時(shí)，采用鉆桿絲扣連接送至預(yù)定孔深后，返開(kāi)提上鉆桿，易出現(xiàn)鉆桿不能從底部返開(kāi)的情況。本孔采用在技術(shù)套管頂部大小頭連接器上安置一根長(zhǎng)8 m的177.8 mm石油套管，并在套管頂部安置一與鉆桿絲扣連接的裝置，待技術(shù)套管放置預(yù)定孔深后往孔內(nèi)投適量小石子就能固定死下部技術(shù)套管，并輕松返開(kāi)鉆桿與技術(shù)套管的絲扣連接。

（4）固井止水質(zhì)量好。下管、固井均嚴(yán)格按照程序?qū)嵤?，?jì)算準(zhǔn)確，保證了固井質(zhì)量。

（5）洗井效果好。在鉆進(jìn)過(guò)程中注重基礎(chǔ)工作，記錄準(zhǔn)確，洗井的前期工作細(xì)致、周密。該井除進(jìn)行了高壓沖孔、大風(fēng)力壓風(fēng)機(jī)振抽到水清砂盡并用熱水泵振抽，在洗井過(guò)程中還采用大降深熱水泵方法的聯(lián)合洗井，達(dá)到很好的效果。水溫、水量均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)以上措施，該縮徑軟層地?zé)嵘罹┕じ鞣矫婢_(dá)到了設(shè)計(jì)要求，工程質(zhì)量?jī)?yōu)良。該井從開(kāi)鉆至終孔歷時(shí)80 d，鉆進(jìn)1800.23 m，該井為曹妃甸第一口熱水井，動(dòng)水位32.44 m，靜水位10.42 m，降深22.02 m，水量81.16 m3/h，單位涌水量3.633 m3/h，水溫71.5℃，屬熱水型低溫地?zé)豳Y源。

7 結(jié)語(yǔ)

本眼地?zé)峋某晒ψ钪饕氖侨Q于科學(xué)合理的設(shè)計(jì)思路，鉆探施工中遇到軟縮巖土層與松散砂層情況是經(jīng)常性的，在這樣的地層中施工沒(méi)有必要談之色變，只要我們遵循科學(xué)的規(guī)律，分析借鑒制定科學(xué)的預(yù)案，加之施工流程中的嚴(yán)格控制，就會(huì)降低在此類地層中的施工風(fēng)險(xiǎn)，取得好的經(jīng)濟(jì)效益。

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［3］ 吳隆杰，楊鳳霞.鉆井液處理劑膠體化學(xué)原理［M］.四川成都:成都科技大學(xué)出版社，1992.

［4］ 崔杰，趙金海，等.井壁穩(wěn)定性分析及應(yīng)用［J］.石油工業(yè)技術(shù)，2009，7（1）:16-20.

［5］ 李炎軍，蕭林，等.井壁穩(wěn)定技術(shù)在潿洲11-1油田的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，1999，9（6）:19-21.

Design and Construction of Hole Shrinkage Deep Geothermal Well in Soft Layer of Tangshan Caofei Island Hotel the Node

SONG Tao，CHEN Zhi-hai，ZHANG Shu-bao，WU Shu-huai，LIU Lei（Hebei Prospecting Institute of Hydrogeology and Engineering Geology，Shijiazhuang Hebei 050021，China）

Tangshan Caofeidao hotel is located in the Quaternary strata area along the coastal region.According to the drilling technical difficulties of deep geothermal well in Quaternary hole shrinkage soft layer，low fluid loss and high density sodium soil slurry and pump capacity control were adopted for wall protection drilling in the design and construction.The paper summed up the drilling and completion technologies of a deep geothermal well in hole shrinkage soft layer.

geothermal well;hole shrinkage in soft layer;mud protection

TE249

A

1672-7428（2012）07-0024-04

2012-05-08;

2012-06-07

宋濤（1975-），男（漢族），河北石家莊人，河北水文工程地質(zhì)勘察院工程師，探礦工程專業(yè)，從事鉆探技術(shù)工作，河北省石家莊市槐中路131 號(hào)，zsb630629@sina.com。