東北某盆地天然氣水合物鉆探施工實踐

趙寶軍，馬秀春

(齊齊哈爾礦產(chǎn)勘查開發(fā)總院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

1 工程概況

天然氣水合物被譽為21世紀(jì)潛在的新型能源。在地球海洋中，天然氣水合物的總量換算成甲烷氣體，其含碳量是目前世界已知石油、天然氣、煤炭的2倍。陸地凍土天然氣水合物廣泛分布在永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境。近幾年，我國開始勘探陸地凍土天然氣水合物。其中東北漠河地區(qū)由于構(gòu)造沉降形成的某盆地，存在多年凍土，同時其中充填大量的中生代沉積，為油、氣資源的形成提供了物質(zhì)來源，成為凍土水合物勘查的首選目標(biāo)之一。為此，在該區(qū)域部署了少量鉆探工程，探求該盆地可燃冰的賦存及深部的地質(zhì)情況。

1.1 凍土天然氣水合物鉆孔技術(shù)要求

(1)設(shè)計深度:1600 m(全孔取心)±100 m。

(2)巖心采取率≥80%，礦心及疑似礦心的采取率≥90%。

(3)鉆孔傾角度:頂角≤2°/100 m，每鉆進50 m測斜一次。

(4)巖心直徑:終孔直徑≮65 mm。

(5)取心長度:堅硬完整無異常地層2.5～3.0 m;破碎帶異常地層小于或等于1.5 m。

(6)回次鉆進時間:堅硬完整無異常地層無具體要求;破碎帶異常區(qū)地層小于或等于1 h。

(7)泥漿進孔溫度:堅硬完整無異常地層0～5℃;破碎帶異常區(qū)地層0～2℃。溫度測量以泥漿泵出口端進井溫度為準(zhǔn)。

1.2 以往鉆探揭露地層情況

地層有沉積巖和變質(zhì)巖2類。巖石以糜棱巖、板巖、砂巖為主。地表為沼澤地，開鉆遇到近20 m厚的卵礫石，下部有近110 m厚的糜棱巖，夾有石英巖，堅硬打滑。

在鉆孔深度172、253、261、321、447 m處有5層破碎帶，鉆孔深度172 m處坍塌、掉塊嚴(yán)重。

1.3 鉆塔地基制作

該地區(qū)地表為沼澤地，每年11月中旬到第二年5月初為凍結(jié)狀態(tài)，隨著夏季的到來慢慢開始融化呈松散狀態(tài)。因此，鉆塔地基制作顯得非常重要，為此提出如下技術(shù)要求:

(1)地基極限承載≮1100 kN，且地基應(yīng)坐在巖性均勻的地層上，保證鉆機平臺可均勻沉降。

(2)為預(yù)防井噴，在地表加裝防噴器(電動液壓);要求機場做硬地坪處理。

(3)鉆塔底梁用型鋼“牛腿”支撐離地2.3 m高，形成鉆探操作平臺。鉆塔地基要做預(yù)埋螺栓并做準(zhǔn)確定位。

按8.5 m×8.5 m制作正方形地基，以鉆孔中心向兩側(cè)均布?？拥鬃龀辽皦|層10 cm。鉆塔基礎(chǔ)厚度按1.5 m。綁扎鋼筋籠(12 mm為主筋，6 mm為繞筋)按保護層10 cm制作。為上下3層，埋設(shè)地腳螺絲焊接在鋼筋籠上，尺寸按現(xiàn)場實測確定?；炷良墑eC30以上現(xiàn)場攪拌，并做好養(yǎng)生保溫工作。環(huán)境溫度較低時可搭塑料棚保溫。

圖1為鉆塔及底座示意圖。

圖1 鉆塔升高示意圖

2 鉆探設(shè)備、機具選擇及鉆孔結(jié)構(gòu)

2.1 鉆機及主要設(shè)備選擇(見表1)

2.2 鉆探工具

表2 各種鉆具規(guī)格組合 /mm

繩索取心鉆桿是深孔取心鉆進非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，直接影響深孔鉆探施工的安全和成敗，對鉆探工期和經(jīng)濟效益亦有重大影響。我們從材質(zhì)和螺紋強度上都提出嚴(yán)格的要求。另外，配套的夾持器等也進行了重新計算和設(shè)計。各種鉆具規(guī)格組合見表2，使用的主要鉆柱及工具主要有如下這些。

(3)鉆塔配用三輪六繩滑輪組。提引器加配重，以增加提引器的下落速度。

根據(jù)鉆探施工設(shè)計，結(jié)合地層變化因素，最終的鉆孔結(jié)構(gòu)如下。

開孔:鉆孔直徑219 mm，鉆進深度20.60 m，采用沖擊鉆進方法，下入168 mm孔口管。換徑，采用152 mm鉆頭繩索取心回轉(zhuǎn)鉆進至30.40 m，下入146 mm套管。

一開:鉆孔直徑135.5 mm，鉆孔深度477 m。采用繩索取心鉆進方法，下入114 mm套管477 m。

二開:鉆孔直徑98 mm(H規(guī)格繩索取心)，鉆孔深度1700.83 m，下入146 mm套管30.4 m。

該地區(qū)0～20 m為卵礫石層，卵石最大直徑20～30 cm，而且呈冰凍狀態(tài)，采用回轉(zhuǎn)鉆進、泥漿護壁，冰凍狀態(tài)會逐漸溶解，導(dǎo)致孔壁坍塌。強行鉆進會發(fā)生大徑卵石隨鉆頭下行導(dǎo)致鉆孔開偏，不利于下步施工。為此，采用沖擊鉆進，高粘度水泥泥漿護壁，選擇沖擊鉆頭進行往復(fù)沖擊鉆進，在大密度水泥泥漿護壁的情況下保證地層壓力平衡，保證套管下放順利。表層套管要進行水泥漿回灌為下一步安裝防噴器打下基礎(chǔ)。

3 鉆探技術(shù)措施

陸地凍土天然氣水合物鉆探與巖心鉆探要求有所不同:首先，回次進尺≯3 m，破碎地層≯1.5 m;第二，回次鉆進時間≯1 h，以防止天然氣水合物融化分解;第三，鉆進中，沖洗液進井溫度必須控制在0～2℃;第四，鉆進沖洗液必須有高效的潤滑性能，且不能產(chǎn)生氣泡和污染樣品。針對以上特殊要求，應(yīng)采取以下鉆進技術(shù)參數(shù)和工藝技術(shù)措施。

3.1 深孔段鉆進參數(shù)

孔段477～1700.83 m，鉆孔直徑98.5 mm，立軸轉(zhuǎn)速95～487 r/min，鉆壓10～20 kN，泵量120～160 L/s，泵壓40～90 MPa。

3.2 施工中的主要技術(shù)措施

(1)為防止鉆桿折斷事故的發(fā)生，應(yīng)在保持合適進尺速度的條件下，盡量采用低鉆壓、慢轉(zhuǎn)速。

(2)嚴(yán)格執(zhí)行倒桿拉伸制度，仔細觀察鉆參儀大鉤荷載數(shù)值。鉆參儀大鉤荷載數(shù)值應(yīng)大于孔內(nèi)鉆具的實際質(zhì)量，倒桿前剎緊卷筒，然后進行下一步操作。

(3)內(nèi)管到位的確定:認(rèn)真監(jiān)聽孔內(nèi)回聲。按每100延米2 min計算。必要時可采用繩索取心絞車送下去，即在前一次打撈巖心時做好標(biāo)記。防止“打空管”導(dǎo)致提鉆。

(4)認(rèn)真檢查卡簧、卡簧座的磨損情況，防止巖心脫落導(dǎo)致提鉆。

(5)當(dāng)班班長應(yīng)認(rèn)真觀察泵壓的變化情況，發(fā)現(xiàn)泵壓突然大幅度下降，應(yīng)及時尋找原因，防止鉆桿穿刺和折斷事故發(fā)生，如由于泵壓下降而提鉆時，禁止下?lián)泼瑩迫?nèi)管以防止撈矛卡在孔內(nèi)，鋼絲繩掉入孔中。

(6)鉆桿入井前要嚴(yán)格檢查其絲扣、管體，發(fā)現(xiàn)絲扣損壞、管體變形、螺紋磨圓等問題要馬上更換，防止問題鉆桿入井。

(7)提下鉆時要認(rèn)真檢查每一個立根的連接情況，發(fā)現(xiàn)問題及時更換。

(8)每一次提鉆后都要認(rèn)真檢查、測量鉆頭、擴孔器尺寸和磨損情況，做到鉆頭排隊使用每次提鉆都要更換鉆頭、擴孔器并且仔細檢查彈卡室情況。

(9)提下鉆時要勻速慢提，注意回灌泥漿，保持孔壁穩(wěn)定，嚴(yán)禁猛提快下導(dǎo)致孔內(nèi)掉塊增加，在長距離掃孔時又造成鉆頭損壞而提鉆的惡性循環(huán)。

(10)開孔套管下完后，要進行水泥漿回灌處理，二層套管要做隔水，三層套管采用反絲扣，并在各連接處采用專用膠密封防止倒扣脫節(jié)。特別提出套管的機械性能要求。

(11)嚴(yán)格執(zhí)行交接班制度，交班班長要詳細介紹孔內(nèi)及地面設(shè)備運行情況，交班記錄員要認(rèn)真介紹地面準(zhǔn)備入井的鉆具、鉆桿、卡簧、卡簧座的使用和質(zhì)量情況。

(12)發(fā)現(xiàn)泵壓突然持續(xù)升高，應(yīng)將鉆具迅速提離孔底，分析出原因后方可開始正常鉆進。

(13)嚴(yán)禁用大錘敲擊鉆桿接頭，要使用高質(zhì)量的高壓密封脂涂抹鉆桿螺紋。

(14)機、班長每天要檢查鉆機主繩和絞車鋼絲繩的使用情況，發(fā)現(xiàn)問題及時更換。

3.3 鉆具的減震與潤滑

凍土天然氣水合物鉆探取樣，應(yīng)盡量減小鉆具的震動，達到回轉(zhuǎn)平穩(wěn)、進尺均勻。鉆具的抖動會導(dǎo)致摩擦熱不利于可燃冰取樣，借助鉆參儀可觀察到小時進尺數(shù)值的變化控制在1.8～3 m，進尺陡增到3 m/h以上并進尺在10 cm時，必須提鉆取樣。有時，鉆具的抖動導(dǎo)致鉆參儀很難準(zhǔn)確反應(yīng)進尺數(shù)值的變化，為達到這一要求我們采用在鉆具上部增加穩(wěn)定器3道，每隔3 m加一道的措施。穩(wěn)定器外徑與使用的擴孔器外徑一致并在穩(wěn)定器上銑出8～10個水口。

大直徑深孔繩索取心鉆探，鉆具潤滑非常關(guān)鍵，尤其是凍土天然氣水合物鉆探取樣既有回次進尺長度限制又有回次鉆進時間限制，而且還要達到應(yīng)有的經(jīng)濟效益和生產(chǎn)效率，既要保證取樣技術(shù)要求又要有較高的生產(chǎn)效率，就必須使鉆具有一定的轉(zhuǎn)數(shù)，滿足金剛石鉆探工藝的需求。我們除采用具有高潤滑性能的泥漿外，在鉆桿外側(cè)涂抹專用的潤滑脂，該涂抹脂是我們經(jīng)過反復(fù)試驗研制的，其性能特點是附著力強、潤滑性能好，制作、使用方便，效果好。涂抹方法下鉆時人工涂抹和專用的涂抹裝置。表4為潤滑脂配方表。

表4 潤滑脂配方 /%

3.4 鉆頭的使用情況

加大起鉆間隔可提高鉆探效率，但繩索取心鉆進的起鉆間隔受鉆頭使用壽命的直接影響。為此，我們對鉆頭工作層高度提出了15 mm的要求，盡量提高鉆頭的使用壽命，減少提鉆時間。同時，嚴(yán)格執(zhí)行排隊使用。

鉆頭平均壽命76.49 m。最高的202.5 m，最差的1.51 m，屬非正常使用，是在下鉆過程中遇掉塊掃孔造成的(詳見表5)。

3.5 低溫泥漿的配制、維護

3.5.1 低溫泥漿的配制

根據(jù)陸地凍土水合物鉆探特殊情況和以往千米以深深孔的施工經(jīng)驗，選用了3種泥漿配方:

(1)CMC+PAM+皂化溶解油+氯化鈉無粘土乳化泥漿。具有攜粉、潤滑、絮凝能力強的優(yōu)點，并具有一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是本次施工首選的主力類型，在正常施工中使用，它是通過調(diào)整CMC、PAM的含量來調(diào)節(jié)泥漿的性能，CMC膠液的比例要大于50%。氯化鈉的加入是為了有效的控制孔底水合物的分解。其加量是控制低溫泥漿冰點溫度的關(guān)鍵，通?？煽刂圃冢?0℃以下。

表5 鉆頭實際使用情況

(2)鈉土+CMC+改性石蠟?zāi)z液+防塌劑型低固相防塌泥漿。具有優(yōu)良的防塌降失水性能，還具有一定的潤滑減阻功能，在水敏地層、易垮塌地層、泥加石地層等復(fù)雜地層中使用，在孔壁形成泥皮后再視情況逐漸調(diào)整到第一種泥漿類型。

(3)CMC+PAM+皂化溶解油+氯化鉀。氯化鉀的添加量要少于氯化鈉就能達到泥漿冰點零下的要求。但是氯化鉀的價格要高于氯化鈉(約4倍)。

3.5.2 低溫泥漿維護

(1)施工現(xiàn)場配備了2個容積3 m3的攪拌罐和一個3 m3的配藥罐，常備高濃度CMC膠液2 m3。

(2)機臺設(shè)專職泥漿工1人，負責(zé)泥漿的維護和處理、常規(guī)性能的測試、泥漿處理劑的配制，并經(jīng)常檢測泥漿的入井溫度≯2℃。

(3)現(xiàn)場要儲備足量的CMC、PAM、改性石蠟?zāi)z液、NV－1土、皂化溶解油、防塌劑和磺化瀝青、FA－368、HA－樹脂等泥頁巖抑制劑。

(4)根據(jù)進尺和地層情況對泥漿進行及時調(diào)整，每進尺50 m要更換1/3的泥漿量。

(5)根據(jù)環(huán)境溫度及時調(diào)整泥漿的冷卻溫度。

3.5.3 循環(huán)系統(tǒng)的布置

泥漿從孔內(nèi)流出經(jīng)過防噴器上出口，再通過密封管道流向1號箱(3 m3)，1號箱設(shè)有氣體分離器通向氣體分析室，實時監(jiān)測泥漿中甲烷氣體的含量。并且還設(shè)有2PN水泵進行泥漿的除砂除泥處理。然后流向2號箱。在2號箱中設(shè)有BW150型污泥泵對沉淀的巖粉及時排除。在3號箱中對泥漿制冷然后進入孔內(nèi)，同時該箱泥漿的溫度≯2℃。1～3號泥漿箱上部要有遮雨棚，防止陽光直接照曬、雨水侵蝕造成泥漿性能的改變。設(shè)有攝像頭可在操作平臺上看到泥漿的流出。在每一個泥漿箱上都有紅外線測溫儀，鉆參儀上可準(zhǔn)確反映體積的變化。

4 結(jié)語

(1)對陸地凍土水合物鉆探而言，快速高效取出原樣是重中之重，雖然目前國內(nèi)巖心鉆探取樣工具基本能夠滿足取樣的要求，但更可靠、更準(zhǔn)確的取樣工具還要投入科技力量。比如:研究利用氮氣、干冰的揮發(fā)制冷性質(zhì)在地下直接將巖心凍結(jié)取出，做到更可靠、更準(zhǔn)確的取樣。

(2)甲烷氣體分離器報警系統(tǒng)是通過漫長的沖洗液流動攜帶和分離器分離輸送才能提示報警，不準(zhǔn)確、不及時。建議在鉆進到可燃冰地層時利用局部揮發(fā)的甲烷氣體及時地傳送到地表，做到及時取樣和準(zhǔn)確取樣。

(3)國外研制并使用過的取樣(心)器有:活塞巖心取樣器(APC)、保壓巖心取樣器(PCS或PCB)和恒溫巖心取樣器。雖然他們在實際使用中有不盡如人意的地方，可以利用長處、優(yōu)點改制成適應(yīng)凍土水合物鉆探取樣器。

(4)陸地凍土水合物鉆探施工不同于巖心鉆探，具有回次進尺短、鉆進時間短、鉆孔孔徑大、安裝防噴器、制造鉆井平臺、制冷系統(tǒng)耗電量大等特點。因此，應(yīng)該有單獨的施工規(guī)范和預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)。

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