墾利東興地區(qū)深層鹵水普查井鉆井技術(shù)

王勇軍，趙長亮，張明德，鄭宇軒

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東德州253017)

1 項目來源

2012年我院與山東大學合作，參與國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)黃河三角洲深層鹵水高效開采關(guān)鍵技術(shù)項目，2012年9月山東省國土資源廳以《關(guān)于下達2012年度省地質(zhì)勘查項目計劃的通知》(魯國土資發(fā)［2012］112號)文批準開展“山東省墾利縣東興地區(qū)開展深層地下鹵水資源普查”工作，并以魯勘字［2012］48號文下達到我院，我院承擔該勘探井施工任務(wù)。

2 工程概況

2．1 地理位置

工作區(qū)位于山東省東營市墾利縣東南10 km東興地區(qū)，南與東營城區(qū)相連、東通東營機場、面積30.67 km2，拐點極值坐標為東經(jīng) 118°38'30″～118°43'00″，北緯 37°30'30″～37°33'00″，區(qū)內(nèi)地理位置優(yōu)越，交通網(wǎng)絡(luò)四通八達，交通便利。

2．2 地質(zhì)概況

工作區(qū)在大地構(gòu)造單元上屬華北陸塊、華北拗陷、濟陽坳陷區(qū)、東營潛斷陷、東營凹陷(潛)的次級構(gòu)造單元——民豐洼陷范圍內(nèi)，北以北部陡坡帶相接，南以辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶毗鄰、東以青城子凸起為鄰、西與利津洼陷相通。深層鹵水賦存在古近紀始新世—漸新世的湖相沉積物中，賦存層位為古近紀沙河街組三段和四段，鹵水層巖性為砂巖、粉砂巖、含礫砂巖、粗砂巖、細砂巖等，鹵水層埋深2000～2500 m，鹵水層累計厚度約200～300 m，鹵水層涌水量300～400 m3/d。從上至下地層依次為:第四系平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組、沙河街組。

2．3 鉆探技術(shù)要求

(1)設(shè)計孔深:2500 m。

(2)設(shè)計完鉆層位:沙河街組三段。

(3)孔斜要求:百米孔斜 ＜1°，0～1000 m 孔斜＜3°，終孔孔斜 ＜5°。

(4)設(shè)計取水段:1914～2490 m(沙河街二段、沙河街三段上)。

(5)止水方法:1900 m處橡膠傘止水，上部采用水泥戴帽固井止水。

3 鉆孔設(shè)計及鉆探設(shè)備

3．1 井身結(jié)構(gòu)及鉆具組合

根據(jù)鉆探技術(shù)要求，結(jié)合工區(qū)地質(zhì)資料及我單位在該地區(qū)多年施工的經(jīng)驗，為實現(xiàn)安全高效鉆進，本井設(shè)計為二開結(jié)構(gòu)，井身結(jié)構(gòu)及鉆具組合見表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)及鉆具組合

3．2 鉆探設(shè)備

工程所使用主要鉆探設(shè)備見表2。

表2 主要鉆井設(shè)備

4 主要工藝技術(shù)措施

4．1 鉆頭及鉆進參數(shù)

充分分析工區(qū)的地質(zhì)資料，結(jié)合我單位多年來在東營地區(qū)地熱井鉆井施工的經(jīng)驗，為了實現(xiàn)高效鉆進的目標，鉆頭及鉆進參數(shù)見表3。

表3 鉆頭及鉆進參數(shù)

4．2 鉆井液設(shè)計

4．2．1 鉆井液性能參數(shù)

結(jié)合本工程的特點、地區(qū)地層資料及我單位在該地區(qū)鉆井施工經(jīng)驗，我們分井段設(shè)計了鉆井液，鉆井液性能參數(shù)見表4。

4．2．2 鉆井液基本配方

施工使用鉆井液配方見表5。

4．2．3 鉆井液處理及維護

(1)開鉆前選用優(yōu)質(zhì)膨潤土配制鉆井液，預(yù)水化24 h，并加入一定量的CMC堿液、腐植酸鉀調(diào)節(jié)鉆井液性能［1］，由于表層多為粉砂、粉土等地層，造漿性能差，鉆孔孔徑又較大，所以在表層鉆進中要加強鉆井液的除砂工作，同時要適當?shù)匮a充配制好的預(yù)水化膨潤土鉆井液，提高鉆井液的攜帶能力。

表4 鉆井液性能參數(shù)

表5 鉆井液基本配方

(2)二開鉆開表層套管固井水泥塞后，首先添加 NaCHO3及 Na2H2P2O7進行除鈣處理［8］，同時加強機械除砂工作，除鈣工作結(jié)束后，加入一定量的預(yù)水化膨潤土鉆井液，并加入火堿、CMC、腐植酸鉀、水解聚丙烯晴銨鹽及磺化瀝青調(diào)節(jié)鉆井液的性能至設(shè)計值，鉆進過程中及時補充濃度為1%的處理劑溶液，同時加強機械除砂工作，維護鉆井液的性能。

(3)鉆進至1600 m后，首先向鉆井液中加入一定量的抗鹽共聚物，然后加入鹽、加入一定量的火堿及鐵鉻鹽調(diào)節(jié)鉆井液的pH值和粘度，最后加入降失水劑調(diào)節(jié)鉆井液失水量［3］，所有處理劑均配制成水溶液，再加入鉆井液中，攪拌均勻。

(4)鉆進至1900 m后，逐漸向鉆井液中加入抗鹽共聚物、鹽、鐵鉻鹽、淀粉、重結(jié)晶抑制劑火堿、磺化瀝青、腐植酸鉀、水解聚丙烯晴銨鹽等處理劑調(diào)節(jié)鉆井液性能至設(shè)計值［9］，鉆進中及時補充濃度為1%的處理劑溶液，維持鉆井液性能。

4．3 完井及洗井

完井:根據(jù)石油部門在該地區(qū)的經(jīng)驗結(jié)合本工程的實際情況，本井采用鉆孔篩管襯網(wǎng)完井。

洗井:首先采用高壓水流噴射沖洗，然后采用空壓機洗井，最后采用深井泵抽水洗井的聯(lián)合洗井方案。

5 施工中遇到問題及處理方案

5．1 石膏污染淡水鉆井液

5．1．1 問題

施工至1150 m時鉆井液開始變稠、失水量增加、泥餅增厚、pH值下降，返出巖屑中可見白色石膏痕跡，上提鉆具27 m后遇阻，逐根開泵劃眼上提至1050 m后，阻力減小，后采用反復(fù)上提下放的方式將鉆柱提出，起鉆后下鉆至1050 m再次遇阻?，F(xiàn)場分析為地層含有石膏，污染鉆井液造成鉆井液性能變差，失水量大增，含石膏地層縮經(jīng)垮塌造成起下鉆遇阻。

5．1．2 處理措施

現(xiàn)場分析決定調(diào)整鉆井液性能，采用鐵鉻鹽降低鉆井液粘度，使用CMC、腐植酸鉀、水解聚丙烯晴銨鹽、磺化瀝青降低鉆井液失水量、改善濾餅質(zhì)量，使用火堿調(diào)節(jié)鉆井液pH值。處理劑配比為:2%鐵鉻鹽+1%CMC(低粘)+1%磺化瀝青+2%腐植酸鉀+1%水解聚丙烯晴銨鹽+0.5%火堿。調(diào)節(jié)后鉆井液性能為:粘度42 s、密度1.18 g/cm3、失水量6 mL/30 min、pH值9、濾餅厚度1.0 mm。下鉆掃孔順利通過，至1150 m正常鉆進，同時加密短起次數(shù)，每鉆進16 h短起一次，連續(xù)短起兩次后，起下鉆再無阻力。后續(xù)鉆進中使用鐵鉻鹽、CMC、磺化瀝青、腐植酸鉀、水解聚丙烯晴銨鹽、火堿，按 2∶4∶2∶8∶4∶1的比例配制成濃度為2%的水溶液，以細水長流的方式加入鉆井液中［7］。

鉆進至1600 m轉(zhuǎn)換成低濃度鹽水鉆井液時再無同類事故發(fā)生，后續(xù)使用欠飽和鹽水鉆井液鉆進的過程中也再未出現(xiàn)過此類現(xiàn)象，膏泥巖地層縮徑垮塌的問題得到很好的解決。

5．2 鉆井液起泡影響循環(huán)

5．2．1 問題

在鉆進至1600 m將淡水鉆井液轉(zhuǎn)換為低濃度鹽水鉆井液后，鉆進中返出鉆井液中出現(xiàn)大量氣泡，并伴有油氣顯示，影響鉆井液的流動，地面設(shè)備泵送困難，影響鉆井液的循環(huán)。經(jīng)現(xiàn)場綜合分析出現(xiàn)大量氣泡的原因為:(1)地層中油氣侵入鉆井液中產(chǎn)生氣泡;(2)鹽的加入使鉆井液中產(chǎn)生了氣泡;(3)在地層油氣及鹽的影響下，鉆井液pH值降低，鉆井液中的鐵鉻鹽在低堿的環(huán)境中起發(fā)泡［2］。

5．2．2 處理措施

現(xiàn)場分析后決定采用2項措施:(1)提高鉆井液的pH值(由原來的8提高至10.5);(2)使用消泡劑消泡。

經(jīng)處理后鉆井液中雖然還含有氣泡，但已不影響地面設(shè)備的泵送，鉆進至1750 m后，鉆井液中氣泡逐漸減少，直至到終孔再未出現(xiàn)鉆井液起泡過多影響施工的現(xiàn)象。

5．3 沙河街組泥巖進尺緩慢

5．3．1 問題

鉆進至1800～1819.5 m井段進尺緩慢，平均進尺僅為0.57 m/h，無憋鉆、跳鉆現(xiàn)象，上返巖屑顆粒極小，巖性為深灰色泥巖，起鉆檢查鉆頭，鉆頭完好。

經(jīng)現(xiàn)場綜合分析認為進尺緩慢的原因為深層泥巖地層塑性、研磨性較強，現(xiàn)使用鉆頭不能有效地刻取巖石顆粒，進而進尺緩慢。而現(xiàn)所使用的三翼PDC鉆頭復(fù)合片較大，不適應(yīng)塑性、研磨性高的沙河街組泥巖地層。

5．3．2 處理措施

改用吉林大學研制的仿生PDC鉆頭，其利用仿生非光滑技術(shù)把土壤動物的體表非光滑形態(tài)應(yīng)用到PDC復(fù)合片結(jié)構(gòu)設(shè)計上，以此來減輕PDC復(fù)合片切削的粘附性、改善PDC排屑環(huán)境、降低PDC復(fù)合片的摩擦阻力、提高PDC復(fù)合片的壽命和切削率(見圖1)［5］。鉆頭的布齒結(jié)構(gòu)采用了奇偶齒交錯分布的設(shè)計，奇齒切削出巖石的峰和谷正好被偶齒的谷和峰所切削，從而增加巖石的體積破碎。在松原油頁巖礦區(qū)對研制的PDC仿生爪趾鉆頭進行了鉆進試驗，結(jié)果表明在夾有白云巖的致密性泥頁巖地層，PDC仿生爪趾鉆頭鉆進效率較高，平均機械鉆速為2.82 m/h［4］。同時對鉆進參數(shù)進行了修改，適當調(diào)低了鉆進壓力(4～6 kN)、提高鉆進速度(采用最高轉(zhuǎn)速144 r/min)［6］，加強固相控制工作，降低鉆井液的密度(由1.30 g/cm3降低到1.25 g/cm3)。

圖1 仿生PDC鉆頭

調(diào)整后鉆進速度有所提高，在此類泥巖地層平均進尺達到0.86 m/h，至2500 m終孔，時有孔段進尺緩慢，泥巖地層進尺緩慢的問題仍未得到很好的解決。

2013年11月該井順利鉆進至設(shè)計孔深2500 m，終孔。

6 結(jié)語

(1)本工程采用二開成井井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鉆進參數(shù)、鉆井液性能，有效地規(guī)避了風險、提高了鉆井效率。

(2)鉆井過程中使用鐵鉻鹽、腐植酸鉀、CMC、磺化瀝青、火堿等處理劑配制的鉆井液有效解決了含石膏泥巖地層鉆進問題，使用欠飽和鹽水鉆井液順利地通過了儲層。

(3)通過優(yōu)選鉆頭類型，一定程度上提高了在深部泥巖地層的鉆進速度。

(4)今后還要加強對不同地層鉆頭類型選擇、鉆井液的研究，解決深層泥巖鉆進速度慢的問題，使鉆井效率得到進一步提高。

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