北京地震臺(tái)白家疃觀測(cè)井鉆探施工技術(shù)

譚春亮， 宋殿蘭， 岳永東， 王政敏

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

1 工程概況

北京白家疃地震臺(tái)擬在臺(tái)址內(nèi)安裝一款GTSM三分量鉆孔應(yīng)變儀，該型儀器是當(dāng)前用于地震前兆觀測(cè)最有潛力的對(duì)地觀測(cè)儀器[1]。通過招投標(biāo)的方式，安裝應(yīng)變儀的鉆孔由我單位實(shí)施。按照協(xié)議要求：儀器放置在鉆孔底部裸孔段，要求裸孔段位于完整基巖層、無(wú)裂紋、孔壁平滑且不小于10 m；孔深200 m±20 m(以滿足儀器放置的地層要求為終孔標(biāo)準(zhǔn))；口徑≮150 mm(滿足儀器放置的尺寸參數(shù)要求)；鉆孔斜度<5°；穿透覆蓋層后取心，采取率>90%；孔口至裸孔段套管護(hù)壁、固井。臺(tái)址內(nèi)先前施工的鉆孔多在20世紀(jì)80年代初期，原始資料已遺失，缺乏可供參考的詳細(xì)地層資料。鉆孔為非常規(guī)地質(zhì)鉆探孔，鉆探涉及到取心、測(cè)井、成孔、固井、通井、洗井等多道工序，施工中鉆遇松散層、夾泥層、裂隙、巖溶等復(fù)雜地層，通過調(diào)整方案、工藝組合滿足了設(shè)計(jì)要求。

2 地質(zhì)概況

北京白家疃地震臺(tái)位于北京市海淀區(qū)溫泉鎮(zhèn)白家疃村南，占地約100畝(66660 m2)。地質(zhì)資料表明：臺(tái)址位于北京西山九龍山-香峪向斜西北翼[2]，是現(xiàn)今盆山結(jié)合帶的位置，大地構(gòu)造上處于華北克拉通內(nèi)部太行山構(gòu)造帶與燕山構(gòu)造帶的交匯部位。覆蓋松散堆積物中碎屑分選差，以棱角狀—次棱角狀為主，成分以火山巖、灰?guī)r和白云巖為主，反映了近緣堆積特征；基巖為奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖地層，以青灰色紋帶灰?guī)r和砂屑灰?guī)r為主，受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候條件的綜合影響，裂隙、溶洞在該地區(qū)較發(fā)育。由此，鉆探施工技術(shù)難點(diǎn)為：

(1)覆蓋層由50～60 m的松散堆積物構(gòu)成，厚度較大，且淺層地下水富集，不利于孔壁穩(wěn)定，易發(fā)生孔壁坍塌、縮徑掉塊等問題；

(2)覆蓋層之下的基巖以灰?guī)r為主，受地質(zhì)斷裂及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，裂隙、巖溶發(fā)育，換層頻繁，軟硬夾層易引起鉆孔偏斜、泥漿漏失、卡鉆埋鉆等事故；

(3)施工涉及小口徑取心、測(cè)井、擴(kuò)孔、下套管、固井、通井等多道工序，目的層(裸孔段)直徑≮150 mm,孔底、孔壁光滑，需采用金剛石取心、平底鉆頭磨底等，工藝過程復(fù)雜。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具級(jí)配選型

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)要求可知，該鉆孔既不同于一般的地質(zhì)巖心鉆探，又不同于水文水井鉆探，但在某些方面又與二者有一定的相近之處。首先，采用巖心鉆機(jī)穿透覆蓋層后全孔取心，掌握地層沉積序列，確定儀器的安放位置(裸孔段)。再，根據(jù)地層復(fù)雜程度，設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)(參見圖1和表1)，其中預(yù)留一級(jí)套管(?183 mm)備用應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況，充分發(fā)揮大徑控斜和套管護(hù)壁的作用：采用?219 mm跟管鉆進(jìn)(鉆頭直徑230 mm)穿透覆蓋層→?180 mm普通潛孔錘(鉆頭直徑193 mm)鉆至裸孔段上端→測(cè)井→下?168 mm套管→起拔?219 mm套管→固井(水泥封固?168 mm套管與孔壁環(huán)狀間隙)→通井(?150 mm)鉆進(jìn)至終孔(裸孔段深度>10 m)→洗井→放置儀器。

圖1 鉆孔井身結(jié)構(gòu)

開孔次數(shù)鉆頭直徑/mm井段/m套管尺寸/m厚度/mm套管下深/m開挖0～229982一開2302～10121910101二開193101～1681687168三開150168～190

4 鉆探設(shè)備與工藝

4.1 鉆探設(shè)備

鉆探包含兩部分內(nèi)容：一是小口徑取心，目的是掌握地層沉積序列，確定目的層(裸孔段)的位置；二是成孔，滿足儀器放置的尺寸參數(shù)要求。具體施工中，為提高套管的利用率、降低施工風(fēng)險(xiǎn)，要求跟管鉆進(jìn)每一級(jí)套管施工至最大深度，采用?299 mm作為開孔直徑。在鉆機(jī)具的選擇時(shí)(見表2)綜合考慮了孔深、工藝、開孔和終孔直徑等多種因素[3-4]。

表2 鉆探機(jī)具配置

4.2 鉆進(jìn)工藝

4.2.1 繩索取心鉆進(jìn)工藝+泥漿護(hù)壁技術(shù)

采用?91 mm硬質(zhì)合金鉆頭穿透覆蓋層鉆進(jìn)至基巖，下?89 mm套管隔離松散層;采用?75.5 mm金剛石鉆頭+?71 mm繩索鉆桿鉆進(jìn)至終孔。

鉆具組合：?75.5 mm繩索取心鉆頭+?76 mm下擴(kuò)孔器+繩索取心鉆具外管+?76 mm上擴(kuò)孔器+彈卡室+彈卡室擋頭+NQ(?71 mm)系列繩索取心鉆桿。為提高破碎層、夾泥層的巖心采取率，采用了底噴式PDC鉆頭及三層管繩索取心技術(shù)[5]，再配合優(yōu)質(zhì)的泥漿體系(1 m3水+3%膨潤(rùn)土+0.1%Na2CO3+3%SM+0.3%CMC+0.3%KHm+0.5%防塌劑)護(hù)壁，滿足了取心要求。

4.2.2 跟管鉆進(jìn)技術(shù)

跟管鉆進(jìn)技術(shù)是解決松散層、破碎層等復(fù)雜地層的一種有效的鉆進(jìn)方法[6-7]，包括偏心跟管鉆進(jìn)與同心跟管鉆進(jìn)兩種類型(見圖2、圖3)，適用于不同的地層、不同的工況(參見表3)。

通過對(duì)比兩種跟管鉆具類型，結(jié)合地層情況，確定選用同心跟管鉆具進(jìn)行擴(kuò)孔。

鉆具組合：?230 mm中心鉆頭+三翼瓣?duì)钽@頭+管靴(導(dǎo)向器)+?219mm套管(沖擊器+?76mm鉆桿)。

圖2偏心跟管鉆進(jìn)

圖3 同心跟管鉆進(jìn)

跟管類型鉆 具 特 點(diǎn)適 用 地 層優(yōu) 點(diǎn)偏心跟管鉆進(jìn)開孔、擴(kuò)孔鉆頭與沖擊臺(tái)階不在同一中心線上,螺旋形鉆進(jìn),排渣效果較好依靠慣性力與摩擦力回收,適用于巖性均一、穩(wěn)定的地層同等級(jí)的套管,內(nèi)通徑較大;單只鉆頭進(jìn)尺多,成本低同心跟管鉆進(jìn)包括兩種類型(見圖3),開孔鉆頭、擴(kuò)孔鉆頭與沖擊臺(tái)階在同一中心線上,對(duì)中性好適用于松散、風(fēng)化、軟硬互層,特別是鉆遇架空層、漂石、孤石等復(fù)雜地層鉆柱穩(wěn)定性好,鉆孔質(zhì)量較高;對(duì)復(fù)雜地層的處理能力較強(qiáng)

扭矩傳遞：鉆機(jī)—鉆桿—沖擊器—中心鉆頭凹槽—環(huán)形鉆頭凸肩+同心鉆頭。

5 施工效果與關(guān)鍵技術(shù)

5.1 施工效果

5.1.1 取心鉆進(jìn)

按照鉆孔設(shè)計(jì)，覆蓋層(52 m以淺)不取心，采用?91 mm硬質(zhì)合金鉆頭+?89 mm套管隔離松散層，再采用?76 mm繩索取心鉆進(jìn)。其間82.85～86.40 m鉆遇溶洞，鉆柱空放，146.55～165.15 m為泥沙礫石填充的裂隙層，后進(jìn)入完整基巖層，鉆至184.85 m，鉆取19.7 m完整巖心段，滿足儀器放置要求，停鉆。取心工作期間由于夾層、裂隙、巖溶的存在，多次出現(xiàn)全孔漏失、卡鉆、斷鉆桿等事故。分別采用了套管隔離、泥漿護(hù)壁堵漏，水泥漿封堵等[8-10]技術(shù)，累計(jì)鉆取巖心110.10 m，除兩層溶洞空放11.85 m無(wú)巖心外，自52～184.85 m，取心率達(dá)到91%，取心質(zhì)量良好，滿足設(shè)計(jì)要求。圖4、圖5為采取的巖心情況。

5.1.2 成孔鉆進(jìn)

項(xiàng)目組通過取心鉆進(jìn)，掌握了鉆孔的地層結(jié)構(gòu)，并及時(shí)調(diào)整了成孔工作方案。采用?219mm跟管鉆進(jìn)工藝穿透覆蓋層(52 m以淺)及82.85～86.40 m的巖溶層，然后在?219 mm套管內(nèi)，采用?180 mm潛孔錘鉆進(jìn)，成孔后下?168 mm套管(內(nèi)徑154 mm)、固井等，具體施工過程如下。

圖4 軟硬交互層巖心情況

圖5 基巖巖心情況

(1)0～101 m：采用?219 mm同心跟管鉆具(成孔直徑230 mm)+套管跟管鉆進(jìn)至101 m，?219 mm套管(內(nèi)徑199 mm)下入孔內(nèi)。

(2)101～153 m：采用?180 mm潛孔錘鉆進(jìn)，其間，鉆至紅泥填充的夾層、裂隙層卡鉆，提鉆處理，測(cè)井顯示井深120～137 m偏斜。

(3)水泥漿封固：采取分段灌注水泥，投注粘土球、廢麻繩等惰性材料，封固至108 m。

(4)糾斜：采用?190 mm鉆頭+?185 mm單管鉆具+扶正器(?76～219 mm)+?76 mm鉆桿，自孔深108 m處開始糾斜施工，輕壓慢鉆。其間，取出月牙形巖心兩段，每段長(zhǎng)約300 mm，后測(cè)井表明糾斜成功。

(5)108～168 m：繼續(xù)采用?190 mm鉆頭+?185 mm單管鉆具+扶正器(?76～219 mm)+?76 mm鉆桿，鉆進(jìn)至168 m，進(jìn)入完整基巖層3 m，停鉆。

(6)下?168 mm套管至168 m后，起拔?219 mm套管，灌注水泥漿、下固井膠塞、替漿，水泥漿由?168 mm套管外壁與孔壁環(huán)狀間隙上返至地表，靜凝、固井。

(7)168～190.60 m，采用?150 mm PDC鉆頭+?146 mm單管鉆具+扶正器(?76～168 mm)+?76 mm鉆桿通井至190.60 m，取完整巖心22.60 m，金剛石平底鉆頭磨底，終孔、洗井。

5.1.3 測(cè)井

采集的測(cè)井參數(shù)有電阻率、自然伽馬、井溫、井徑和井斜，對(duì)鉆孔進(jìn)行了測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集和解釋，所有測(cè)井方法均采用0.05 m連續(xù)采樣，終孔直徑150 mm,實(shí)測(cè)井深190.45 m；鉆孔的放射性異常強(qiáng)度值較小，無(wú)天然放射性異常層存在。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比巖心表明：粘土層、砂層和礫石層在測(cè)井曲線上均有不同的數(shù)值體現(xiàn)。計(jì)算鉆孔的井斜偏斜距，滿足設(shè)計(jì)要求；井溫?cái)?shù)據(jù)顯示地層溫度隨深度較均勻增加，地溫正常，井下水位為57.88 m。

5.2 關(guān)鍵技術(shù)

5.2.1 跟管鉆進(jìn)技術(shù)

同心跟管鉆進(jìn)技術(shù)是解決松散層、軟硬互層，特別是鉆遇架空層、漂石、孤石等復(fù)雜地層的有效技術(shù)手段之一。該鉆孔實(shí)現(xiàn)了?219 mm套管三翼同心跟管鉆具(鉆頭直徑230 mm)單級(jí)套管連續(xù)進(jìn)尺101 m的記錄，鉆穿52 m覆蓋層、溶洞裂隙層(3.5 m)、基巖層(45.5 m)。平均鉆進(jìn)效率達(dá)5 m/h，鉆進(jìn)速度快，鉆孔垂直度高，確保了鉆孔施工質(zhì)量及安全，工作中應(yīng)根據(jù)地層的復(fù)雜程度，合理匹配鉆具級(jí)差，且預(yù)留出處理孔內(nèi)復(fù)雜工況的備用口徑。

5.2.2 控斜技術(shù)

鉆孔地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能否順利通過夾泥層、裂隙層與巖溶層是施工的技術(shù)關(guān)鍵[11-12]。普通潛孔錘在軟硬互層與裂隙層鉆進(jìn)時(shí)易產(chǎn)生較大偏斜，且鉆桿(?76 mm)-鉆具(?185 mm)直徑極差大，鉆柱環(huán)空擺動(dòng)較大，因此，合理使用扶正器成為保證鉆孔質(zhì)量的關(guān)鍵，采用?190 mm鉆頭+?185 mm單管鉆具+扶正器(?76～219 mm)+鉆桿(?76 mm)的鉆具組合，每間隔10 m安裝一個(gè)扶正器(?76～219 mm)，保持最上端扶正器始終處于?219 mm套管中。一方面，提升了鉆柱的穩(wěn)定性，另一方面，確保了鉆柱的對(duì)中性，提高了鉆桿斷裂等事故的處理效率，試驗(yàn)表明這種組合方式控斜有效可行。鉆進(jìn)參數(shù)選擇“輕壓慢鉆”，減壓鉆進(jìn)“吊著打”，且合理控制轉(zhuǎn)速、沖洗液量，防止燒鉆。

5.2.3 固井技術(shù)

固井包含下套管和注水泥漿兩部分內(nèi)容，通過注水泥漿填充套管與井壁的環(huán)狀間隙，實(shí)現(xiàn)加固井壁、固定套管的目的。充分利用石油固井現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件，固井采用?168 mm水泥頭+變絲+?168 mm套管+變絲+6in(?168 mm)浮箍+浮鞋組合(見圖6)。下套管至設(shè)計(jì)深度后，注油井水泥漿(水灰比0.5，水泥漿密度為1824 kg/m3)，然后放置固井膠塞(見圖7)隔離、替漿，最后采用?150 mm PDC鉆頭鉆穿浮箍浮鞋、完成通孔、洗井。固井技術(shù)參數(shù)如下：套管程序采用?168 mm技術(shù)套管，鉆頭直徑190 mm，理論環(huán)空容積2.35 m3，井徑擴(kuò)大率10%，水泥漿返至地面，水泥塞面深度165 m，水泥等級(jí)G級(jí)，注水泥量4.4 t。

圖6浮箍浮鞋圖7固井膠塞

6 結(jié)論

(1)初步形成了一套適用于松散層、夾泥層、裂隙、巖溶等復(fù)雜地層特殊要求鉆孔的施工技術(shù)方法。通過取心確定目標(biāo)層位，掌握地層沉積序列，根據(jù)地層情況完善鉆孔設(shè)計(jì)方案，再根據(jù)設(shè)計(jì)方案、施工條件，選擇設(shè)備與工藝。

(2)潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)是一種解決第四系覆蓋層、破碎層、大小裂隙等復(fù)雜地層鉆進(jìn)成孔的有效方法，本次施工實(shí)現(xiàn)?219 mm單級(jí)跟管鉆進(jìn)101 m的記錄，效果明顯。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了偏心跟管鉆進(jìn)與同心跟管鉆進(jìn)的地層適用性分析，為相似工程復(fù)雜地層鉆進(jìn)方案設(shè)計(jì)、鉆具級(jí)配選擇提供了有益借鑒。

(3)特殊要求鉆孔應(yīng)注重地質(zhì)背景資料的收集利用。在廣泛準(zhǔn)確地收集、分析已有資料(地質(zhì)、物探、臨近鉆孔等)的基礎(chǔ)上，再確定工作方案，可有的放矢，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆探效率。

(4)特殊要求鉆孔的施工需要依據(jù)鉆孔的設(shè)計(jì)要求，對(duì)現(xiàn)有的鉆進(jìn)技術(shù)、成熟的標(biāo)準(zhǔn)器件進(jìn)行組合，匹配與集成創(chuàng)新，才能滿足多元的地質(zhì)工作需求。

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