中國(guó)南海珊瑚島礁鉆探技術(shù)

宋繼偉，李 勇，班金彭

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一二地質(zhì)大隊(duì)，貴州 安順561000；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州貴陽(yáng)550081；3.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一五地質(zhì)大隊(duì)，貴州貴陽(yáng)551400）

0 引言

珊瑚礁在我國(guó)南海有著廣泛的分布，是我國(guó)在南海唯一的陸地國(guó)土［1］，在維護(hù)祖國(guó)領(lǐng)土完整、行使國(guó)家主權(quán)和海洋資源供給等方面都發(fā)揮著重要作用。針對(duì)南海珊瑚礁的研究主要集中在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)、氣候變化、軍事海洋學(xué)、資源（魚類、油氣和水合物等）和島礁工程等領(lǐng)域［2-5］。

2013—2017年，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所和南海海洋研究所聯(lián)合在南海諸島礁開展珊瑚礁科學(xué)研究項(xiàng)目。貴州省地礦局一一五地質(zhì)大隊(duì)作為鉆探施工單位參與了研究過程，根據(jù)研究需要前后實(shí)施各類型科研鉆井?dāng)?shù)百口，完成各類鉆探工作量1萬余米，配合實(shí)施各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)，取得重大成果，獲得中國(guó)科學(xué)院高度贊揚(yáng)。

本文即闡述該系列工程主要工作內(nèi)容和形成的鉆探技術(shù)成果要點(diǎn)。

1 南海島礁介紹

南海島礁分為天然島礁和人造島礁2類。

1.1 天然島礁

島礁是由珊瑚生長(zhǎng)、堆積形成的礁體（圖1）。島礁是人類在海上活動(dòng)的支撐點(diǎn)。南沙群島有230多個(gè)島、洲、礁、沙、灘，但露出水面的極少，僅50個(gè)左右，因此，研究、保護(hù)珊瑚礁至關(guān)重要。

圖1 天然島礁Fig.1 Natural reef

1.2 人造島礁

除了保護(hù)已有的天然島礁，我國(guó)還在南海開展另外一項(xiàng)工程：人工造島。所使用的技術(shù)就是：吹填（圖2）。

圖2 吹填造島示意Fig.2 Schematic diagram of island r eclamation

南沙填海，以前采用從大陸運(yùn)輸材料。由于填海所需要材料數(shù)以億萬立方米計(jì)，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸極端困難，費(fèi)用極其高昂，因此造島效率極低。越南和菲律賓等國(guó)目前仍采用該方法，所造陸地基本可以忽略。

南海有大面積的淺水礁盤，周圍有更大面積的淺灘，淺灘里有大量海砂，吹填就是將這些砂子吹到礁盤內(nèi)堆積成島。

我國(guó)南海吹填造島是由一艘“天鯨號(hào)”挖泥船完成的，該船能以每小時(shí)4500 m3的速度將海砂、海水的混合物排放到最遠(yuǎn)6 km外，每天吹填的海砂達(dá)10多萬立方米。裝備是亞洲最強(qiáng)大的挖掘系統(tǒng)，絞刀功率達(dá)到4000 k W，使其不會(huì)被礁盤上的珊瑚礁損壞而影響工作。

2 研究目的

珊瑚島礁科學(xué)鉆探主要目的：

（1）利用鉆探巖心和井內(nèi)試驗(yàn)，揭示珊瑚島礁形態(tài)、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能，建立島體空間模型；

（2）研究島礁內(nèi)淡水生成規(guī)律；

（3）研究珊瑚礁生長(zhǎng)和島礁發(fā)育演變規(guī)律，為珊瑚島礁保護(hù)提供依據(jù)。

3 項(xiàng)目概況

2013—2017年，貴州省地礦局一一五地質(zhì)大隊(duì)先后3次為中國(guó)科學(xué)院在南海諸島礁實(shí)施科學(xué)鉆探（表1）。

3.1 中國(guó)南海北部珊瑚礁本底調(diào)查鉆探施工

施工地點(diǎn)在西沙群島之琛航島，施工1口1500 m直井，定名為“琛科1井”，目標(biāo)為鉆穿珊瑚礁進(jìn)入基巖，全井取心、鉆孔攝像。琛科1井原設(shè)計(jì)為1口井，施工結(jié)束后，因?yàn)闉a湖砂層巖心綜合采取率極低，僅8%，導(dǎo)致全井巖心綜合采取率僅49.3%，遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期要求。經(jīng)研究決定補(bǔ)鉆1口井，將原設(shè)計(jì)井定為“琛科1井-1”，補(bǔ)鉆井定為“琛科1井-2”。最終成果：2口井鉆深均千米以深，都鉆穿珊瑚礁進(jìn)入基巖，琛科1井-2巖心質(zhì)量良好，滿足科研需要。

“琛科1井”是我國(guó)第一口成功鉆穿珊瑚礁并實(shí)現(xiàn)全井取心的鉆井。

表1 南?？茖W(xué)鉆探項(xiàng)目簡(jiǎn)況Table 1 Brief introduction of the South China Sea drilling projects

3.2 某島礁鉆孔抽水試驗(yàn)與鉆探取心

在南沙群島2號(hào)、5號(hào)、7號(hào)點(diǎn)實(shí)施18口深200 m井，數(shù)百口抽水試驗(yàn)及傳感器埋設(shè)井。通過鉆井資料建立島礁200 m深度內(nèi)空間模型；通過抽水試驗(yàn)研究島礁滲透率及淡水生成規(guī)律；通過傳感器對(duì)島礁地層進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)和變形監(jiān)測(cè)。

所施工抽水試驗(yàn)井是我國(guó)在島礁研究領(lǐng)域首例。

3.3 “南部鉆探”地質(zhì)勘查

在南沙群島某點(diǎn)施工1口3000 m直井，鉆穿珊瑚礁進(jìn)入基巖，全井取心。

完成的NK-1井最終井深2000余米，達(dá)到全部預(yù)期目的，目前是島礁鉆探世界第一。

4 島礁地層

4.1 吹填層

吹填層為珊瑚砂、珊瑚斷枝、貝類，特性類似于陸地上的碎石土（圖3）。

4.2 天然島體地層

地層總體分3個(gè)系，8個(gè)地層單元，分別是第四系、上新統(tǒng)南沙組、永興組、中新統(tǒng)永樂組、宣德組、西沙組、風(fēng)化殼，完井于前寒武系上統(tǒng)［6-9］。地層巖性則主要分為4類：

（1）第四系：松散微弱風(fēng)化、無膠結(jié)珊瑚砂、珊瑚斷枝、貝類；

（2）石灰?guī)r：生物砂屑、礫屑、藻粘結(jié)灰?guī)r、碎屑灰?guī)r、泥?；?guī)r，膠結(jié)松散，沉積變質(zhì)程度低，為較軟松散巖—較軟巖，可鉆性1～3級(jí)；

（3）白云巖：泥屑、灰砂、核形石、礁格架，膠結(jié)松散，沉積變質(zhì)程度極低，為較軟松散巖—較軟巖，可鉆性1～3級(jí)；

（4）基巖：某種巖，完整堅(jiān)硬致密。

其中（2）、（3）規(guī)律互層交替。

圖3 吹填層實(shí)物Fig.3 M aterial of the backfilled layer

4.3 依鉆探屬性地層分類

以上地層描述是從巖性角度來進(jìn)行的。從鉆探工程角度，根據(jù)地層物理力學(xué)性狀，將島礁地層層位粗略歸納為以下4大類：

（1）第四系覆蓋層：將吹填層和第四系合并稱為第四系覆蓋層［10-13］。包含珊瑚砂、珊瑚斷枝、貝類。

（2）瀉湖砂層：第四系覆蓋層以下基巖層以上，地層主要為無膠結(jié)或輕微膠結(jié)細(xì)粒珊瑚砂的均歸為此類。包含生物泥屑、砂屑、礫屑、灰砂等，巖心松散或手捏可散。

（3）礁坪層：第四系覆蓋層以下基巖層以上，除瀉湖砂層外的其它層位均歸為此類。包含藻粘結(jié)灰?guī)r、碎屑灰?guī)r、泥?；?guī)r、核形石、礁格架等［14］。巖石沉積膠結(jié)較緊密，有一定強(qiáng)度和硬度，巖心呈短柱狀或碎塊狀。

（4）基巖層。

5 工程難點(diǎn)

5.1 方案設(shè)計(jì)難題

受海島施工特殊地理環(huán)境影響，運(yùn)輸補(bǔ)給極端困難，根據(jù)預(yù)定設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)備物資登島后，即使發(fā)現(xiàn)技術(shù)方案和物資不適合也難以調(diào)整。

5.2 第四系覆蓋層取心及成井下管難題

根據(jù)研究要求，第四系覆蓋層除全段取心外（綜合采取率≥80%），還實(shí)施大批抽水試驗(yàn)井。之前中國(guó)科學(xué)院自購(gòu)鉆機(jī)使用常規(guī)鉆具取心并配合濃稠泥漿護(hù)壁成井，巖心采取率極低、污染嚴(yán)重，且地層過水通道全部被泥漿堵塞，無法抽水。本次施工采取何種工藝保證采取率，并能同時(shí)兼顧穩(wěn)定井壁和保護(hù)通道暢通是難題。

5.3 瀉湖砂層取心難題

島礁地下普遍存在多層厚層瀉湖砂層，單層厚度在十幾米至上百米不等，主要結(jié)構(gòu)為無膠結(jié)或輕微膠結(jié)的細(xì)粒珊瑚砂，擾動(dòng)、水沖即散，巖心采取極端困難。例如，受瀉湖砂層采取率低影響（該種層位采取率僅8%），“琛科1井-1”全井綜合采取率不足50%。

5.4 鉆探事故預(yù)防與處理難題

島礁主要地層均沉積變質(zhì)程度低，膠結(jié)松散或無膠結(jié)，溶蝕發(fā)育，鉆井全漏失，任何鉆井液基本都失去了護(hù)壁堵漏功效，僅能依靠套管穩(wěn)定井壁，但在下套管前裸眼鉆進(jìn)時(shí)，容易垮塌、超徑，卡埋鉆、斷鉆事故繁多，成井困難。比如，“琛科1井”共發(fā)生卡埋鉆事故10次；因鉆井超徑引起的斷鉆事故2次，鉆桿接頭彎曲、錯(cuò)位瀕斷2次；掉塊劃傷鉆桿140 m（劃成螺紋）；事故極度頻繁。

6 鉆探工程概況

針對(duì)上述島礁施工難題，認(rèn)真研究解決方案和技術(shù)措施，確保施工順利完成。

6.1 施工環(huán)境

（1）進(jìn)出場(chǎng)：人員、設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)只有乘坐軍艦一個(gè)途徑，而且體檢、政審等手續(xù)極復(fù)雜。

（2）氣候：酷熱、空氣高鹽、暴雨、臺(tái)風(fēng)頻繁、蚊蟲肆虐。2013年，“琛科1井-2”施工期間，臺(tái)風(fēng)“蝴蝶”經(jīng)過，樹倒船翻，漁民傷亡慘重，鉆機(jī)被刮移位1 m。

（3）生活：不準(zhǔn)攜帶任何智能電子設(shè)備（相機(jī)、手機(jī)），只能使用老人機(jī)（不帶攝像頭的），基本與世隔絕。無電視，無任何娛樂。生活艱苦，缺乏淡水和蔬菜。

6.2 設(shè)備選型

6.2.1 抽水試驗(yàn)井、200 m井、1500 m井鉆井設(shè)備

（1）該種地層穩(wěn)定性差，孔壁極易垮塌，長(zhǎng)孔段裸眼鉆進(jìn)非常危險(xiǎn)，因此要大量使用跟管鉆進(jìn)技術(shù)，機(jī)械傳動(dòng)立軸式鉆機(jī)行程短，難以滿足跟管要求，故選用長(zhǎng)行程全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)。

（2）該項(xiàng)目大口徑抽水試驗(yàn)井，鉆進(jìn)需要扭矩很大，小型號(hào)鉆機(jī)難以滿足，需使用大型號(hào)鉆機(jī)“大馬拉小車”。

綜合上述2條因素，結(jié)合單位已有設(shè)備情況，最終選擇使用了1臺(tái)YDXD-1800型便攜鉆機(jī)和2臺(tái)YDX-1800型履帶全液壓鉆機(jī)。

6.2.2 3000 m井鉆井設(shè)備

3000 m深井工程浩大，時(shí)間漫長(zhǎng)，同時(shí)針對(duì)該地區(qū)高溫、高濕、高鹽和高腐蝕條件特點(diǎn)，所采用設(shè)備除滿足施工能力需求外，應(yīng)盡可能具有故障率低、易維護(hù)、操作簡(jiǎn)單、勞動(dòng)強(qiáng)度小、控制性預(yù)見性強(qiáng)等性能。

國(guó)內(nèi)鉆探設(shè)備滿足施工需求的主要有XY-8（9）DB型立軸鉆機(jī)、HXY-9型立軸鉆機(jī)、XD-30（40）DB型電動(dòng)頂驅(qū)鉆機(jī)。最終權(quán)衡項(xiàng)目技術(shù)需求、行動(dòng)突然性、經(jīng)費(fèi)等綜合因素，選用了XY-8DB型鉆機(jī)，使用效果良好。

6.3 設(shè)備材料維修加工

島上沒有居民和其它設(shè)施。島上施工期間所有設(shè)備損壞維修，正常鉆進(jìn)及處理事故用所有特殊工具、材料，都要自行解決。出發(fā)前充分考慮了該問題，登島后搭建了簡(jiǎn)易車間，能完成除金屬熱處理之外的所有維修和加工，比如修康明斯柴油機(jī)、加工鉆桿螺紋等均可實(shí)現(xiàn)。參與該項(xiàng)目施工的所有鉆探人員基本都掌握多技術(shù)工種。

6.4 鉆探用水

沒有淡水，只有海水，但是也不能直接從海里抽水過來使用，主要原因：

（1）漲退潮對(duì)水泵在海里的安裝位置影響巨大；

（2）近海岸波浪激動(dòng)對(duì)鋪設(shè)在海底的電纜和管路損害嚴(yán)重；

（3）臺(tái)風(fēng)隨時(shí)會(huì)把安裝在海里的所有抽水設(shè)備物資卷走；

（4）島上正在建設(shè)，公路縱橫、車輛如流、開挖頻繁，引水管路需要根據(jù)島上施工需求隨時(shí)調(diào)整或拆除，疲于應(yīng)對(duì)。

解決措施：主井旁邊直接鉆探施工一口小井做供水井（圖4）。島體與大海聯(lián)通，水量補(bǔ)給充足。

圖4 供水井實(shí)景Fig.4 Water supply well

6.5 鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證鉆井工程順利實(shí)施的重要因素。島礁地層特殊復(fù)雜，研究?jī)?nèi)容要求繁多，因此采用合理的井身結(jié)構(gòu)確保鉆井成功更是尤為關(guān)鍵。以3000 m深井為例，該井設(shè)計(jì)5開6級(jí)結(jié)構(gòu)，具體如表2所示。

設(shè)計(jì)說明：如果準(zhǔn)備S76施工至3000 m，根據(jù)這個(gè)地層的情況，S96至少應(yīng)施工至2000～2500 m，S122至少應(yīng)施工至1000～1500 m。目前的核心問題是該井地層極其不穩(wěn)定，無任何把握能直接把S122施工至1000～1500 m，上部孔段使用單管普通鉆具根本不可能施工太深，所設(shè)計(jì)普通鉆具到100 m都是克服困難希望達(dá)到的比較理想狀態(tài)。這一級(jí)普通鉆具之后，必須再通過一級(jí)變徑下套管護(hù)壁，即所設(shè)計(jì)?150 mm一級(jí)。該級(jí)施工時(shí)，使用普通鉆具已行不通。因此該級(jí)是該井鉆進(jìn)的一個(gè)重點(diǎn)問題，當(dāng)時(shí)考慮2種方案。

方案1：使用S150繩索取心鉆具直接鉆進(jìn)；

方案2：使用S122繩索取心鉆具取心后，換用高強(qiáng)度?139 mm鉆桿配合小外出刃擴(kuò)孔鉆頭大泵量、高轉(zhuǎn)速跟管擴(kuò)孔。

最終使用方案2鉆進(jìn)至預(yù)期井深。

表2 3000 m深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Table 2 Structural design data of the 3000m deep well

6.6 鉆井液

珊瑚島礁地層鉆進(jìn)，都是全井全漏失，根本沒有堵漏返水的可能性。因?yàn)殂@井液消耗量太大，粘土粉用量巨大，運(yùn)輸、搬運(yùn)困難，配制勞動(dòng)強(qiáng)度太高，在這種施工條件下根本不適合使用粘土粉。

在該區(qū)域鉆井主要考慮使用高分子處理劑配置無固相鉆井液，加量少、運(yùn)輸輕松。高分子處理劑往往水解困難，所以盡可能采用速溶處理劑，同時(shí)做好提前連續(xù)發(fā)酵。所謂速溶也是相對(duì)的，比常規(guī)材料水解速度稍快一點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)提前發(fā)酵也無法滿足用量，因此主要采取現(xiàn)攪的方式。攪拌機(jī)攪高分子處理劑效果并不好，因此主要以高速水沖為主，但是處理劑性能發(fā)揮不充分。

海水對(duì)鉆井液性能會(huì)有影響，但在珊瑚礁鉆探中，全井全漏失，鉆井液都是一次性消耗，沒有連續(xù)使用的可能性，所以海水對(duì)鉆井液材料影響可以忽略。這種情況下鉆井液的主要作用就是在鉆頭新破碎地層、克取巖心時(shí)能起到短暫、臨時(shí)性保護(hù)，當(dāng)然也不用再考慮鉆井液性能的維護(hù)問題，只需重視鉆井液的初始性能即可。

雖然不返水，但是不存在上部井段干孔摩阻大的問題。因?yàn)殂@井井口在海拔1 m左右，井內(nèi)水位是海平面，所以水位基本在井口，沒有干井段。純海水潤(rùn)滑效果不好，因此輔以油脂潤(rùn)滑，本項(xiàng)目使用噴涂式二硫化鉬，既潤(rùn)滑又兼顧管材防腐。

6.7 鉆井成果

在南海西沙群島和南沙群島諸島礁前后共完成千米深井2口、3000 m深井1口、200 m深度取心井18口、其它包括抽水試驗(yàn)井在內(nèi)的各類型用途淺井300余口，總工作量16000余米，鉆井成果基本滿足中國(guó)科學(xué)院所有研究需求。

7 核心鉆探技術(shù)

7.1 珊瑚島礁第四系覆蓋層鉆探取心及抽水試驗(yàn)成井下管技術(shù)

珊瑚島礁第四系覆蓋層既要取心，又要成井進(jìn)行抽水試驗(yàn)，結(jié)合該要求針對(duì)地層特性開展研究，提出“長(zhǎng)行程液壓鉆機(jī)+套管跟進(jìn)”鉆進(jìn)方法，形成“套管連續(xù)跟進(jìn)干鉆取心技術(shù)”。該工藝方法經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證效果真實(shí)可行，取心質(zhì)量合格，優(yōu)質(zhì)完成抽水試驗(yàn)?！疤坠苓B續(xù)跟進(jìn)干鉆取心技術(shù)”要點(diǎn)為4個(gè)操作步驟。

第一步：普通鉆具干鉆取心鉆進(jìn)，鉆具裝滿后輕壓，提鉆取心。此步關(guān)鍵點(diǎn)：鉆具直徑不宜過大也不宜過小（控制在108～168 mm為宜）、單回次進(jìn)尺不宜過長(zhǎng)（控制在1 m以下）。鉆具直徑過大、單回次進(jìn)尺過長(zhǎng)時(shí)，松散巖心容易在張力和重力作用下脫落；鉆具直徑過小時(shí)，巖心容易塞死，不易退出。不開水干鉆，可防止巖心被沖散；略微輕壓對(duì)于防止巖心掉落有重要幫助。

第二步：干鉆取心一段距離后，井壁出現(xiàn)垮塌，采用大一級(jí)套管跟進(jìn)至原井深，此時(shí)垮塌及大徑切削下來的巖土體堆積在套管內(nèi)。此步關(guān)鍵點(diǎn)：總結(jié)該地層規(guī)律，第一步一般鉆進(jìn)3 m即會(huì)發(fā)生垮塌，所以應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)套管。

第三步：套管內(nèi)下入之前取心所使用小徑鉆具，開泥漿泵循環(huán)排出套管內(nèi)松散巖土體，直至原井底。此步關(guān)鍵點(diǎn)：循環(huán)液中加入聚丙烯酰胺（PHP）效果極好，加量為6～8 kg/m3。

第四步：從新鮮井底重新開始普通鉆具干鉆取心鉆進(jìn)。此步關(guān)鍵點(diǎn)：采用第一步方式連續(xù)短回次取心鉆進(jìn)，總的超前掏心深度為2.5～3 m之間，不可淺也不可深，深度過淺（＜2.5 m）會(huì)造成套管跟不下去，深度過深（＞3 m）會(huì)造成小徑鉆具頂端離開套管保護(hù)后被垮塌埋鉆。

上述4個(gè)步驟循環(huán)重復(fù)，交替鉆進(jìn)，又稱之為“四步法”［15］。使用該工藝取得以下良好的效果：

（1）實(shí)現(xiàn)巖心采取率達(dá)到95%以上，且基本保持了巖心原狀性；

（2）不使用泥漿，巖心干凈無污染；

（3）地層過水通道不會(huì)被任何外來物體堵塞；

（4）鋼制濾水管連續(xù)跟進(jìn)下入，同時(shí)滿足了保護(hù)井壁和抽水試驗(yàn)2項(xiàng)要求。

7.2 珊瑚島礁瀉湖砂層鉆探取心技術(shù)

瀉湖砂層是珊瑚島礁的主要層位，約占到所鉆工作量的1/3～1/2。該種地層取心極其困難，表現(xiàn)為采取率不足，巖心原狀性差。投入如此巨大資金和人力進(jìn)行科學(xué)鉆探工作的核心最主要就是為獲取巖心，因此良好合理的取心工藝是鉆進(jìn)的重點(diǎn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)確定該種地層總體采取率保證措施為：

（1）繩索取心工藝精確控制鉆進(jìn)參數(shù)；

（2）合理選用鉆具組合；

（3）重視鉆井液性能。

7.2.1 鉆進(jìn)參數(shù)

瀉湖砂層鉆探取心鉆進(jìn)參數(shù)控制原則為：輕鉆壓、慢轉(zhuǎn)速、小泵量。

鉆壓：因?yàn)闉a湖砂層幾乎沒有膠結(jié)壓入硬度，不需要壓力輔助碎巖，只需回轉(zhuǎn)碎巖就可以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)，所以應(yīng)采用極低鉆壓，能保證跟隨回轉(zhuǎn)碎巖進(jìn)尺速度實(shí)現(xiàn)同步給進(jìn)即可。避免高壓力和瞬間壓力造成超壓、超前而擠壓破壞地層和巖心。

轉(zhuǎn)速：因?yàn)闉a湖砂層幾乎沒有膠結(jié)強(qiáng)度，可鉆性極強(qiáng)、研磨性極弱，不需要鉆頭高速回轉(zhuǎn)大頻次研磨，只需慢速回轉(zhuǎn)刮削即可實(shí)現(xiàn)快速碎巖進(jìn)尺。必須杜絕為追求鉆速而盲目開高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，避免高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生高頻震動(dòng)、重復(fù)研磨破碎巖心。

泵量：因?yàn)槭褂玫蛪?、慢轉(zhuǎn)，所以鉆頭部位不會(huì)產(chǎn)生高溫，冷卻問題不是考慮的重點(diǎn)，泵量只需配合鉆探進(jìn)尺速度能實(shí)現(xiàn)有效排砂保持井底干凈即可。因進(jìn)尺速度受到控制較慢，所以采取小泵量。堅(jiān)決杜絕大泵量在井底造成高速射流、紊流、串流沖刷破壞巖心。

綜上分析，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)摸索試驗(yàn)，最終確定瀉湖砂層鉆探取心鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓＜2 k N，轉(zhuǎn)速100～200 r/min，泵量30～40 L/min。

鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量應(yīng)通過控制相互匹配，鉆壓實(shí)現(xiàn)隨進(jìn)尺勻速給進(jìn)，泵量實(shí)現(xiàn)隨進(jìn)尺清潔排砂，即是最合理鉆進(jìn)效果。

在控制以上3個(gè)鉆進(jìn)核心參數(shù)之外，還要注意短回次、勤提鉆、慢提升等輔助操作細(xì)節(jié)。

7.2.2 鉆具組合

瀉湖砂層鉆探取心合理鉆具組合要點(diǎn)為：防沖刷鉆頭、大口徑繩索取心鉆具、半合管襯管。

鉆頭：使用常規(guī)鉆頭，鉆井液會(huì)直接沖刷巖心，瀉湖砂層會(huì)直接被沖散而取不到巖心。琛科1井-1施工中因?yàn)槭孪葻o法掌握地層具體性狀，采用普通鉆頭鉆進(jìn)，導(dǎo)致該層巖心采取率極低。琛科1井-2、NK-1井在初步了解瀉湖砂層性狀的基礎(chǔ)上，采用底側(cè)噴鉆頭、超前底側(cè)噴鉆頭，有效避免了鉆井液直接沖刷巖心，明顯提高了巖心采取率。

繩索取心鉆具：通過琛科1井-1、琛科1井-2、NK-1井3口井鉆井實(shí)踐探索證明，瀉湖砂層鉆探取心，大口徑繩索鉆具取心效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于小口徑繩索取心鉆具。

琛科1井-1因?qū)Φ貙硬涣私?，上部地層過早地出現(xiàn)較多事故，技術(shù)口徑提前使用完，最終導(dǎo)致絕大部分井段僅能使用NQ（76 mm口徑繩索取心鉆具）鉆進(jìn)，瀉湖砂層巖心綜合采取率僅8%。吸取經(jīng)驗(yàn)后，琛科1井-2、NK-1井施工中，對(duì)于上部地層可能出現(xiàn)的問題做了充分準(zhǔn)備，確保開始設(shè)計(jì)的技術(shù)口徑基本鉆到了預(yù)期深度。琛科1井-2主體井段采用HQ（96 mm口徑繩索取心鉆具），瀉湖砂層巖心綜合采取率達(dá)到83%，但原狀性略差；NK-1井主體井段采用PQ（122 mm口徑繩索取心鉆具），瀉湖砂層巖心綜合采取率達(dá)到96%，且原狀性極好。

分析原因認(rèn)為，瀉湖砂層擁有一定的堆積壓實(shí)強(qiáng)度及部分膠結(jié)，巖心越粗，整體性越好。使用NQ鉆具，巖心直徑僅46 mm，鉆進(jìn)過程中震動(dòng)、沖刷、剝蝕等作用于如此之細(xì)的巖心上，極易造成巖心斷裂、破碎、磨蝕，而HQ鉆具所采巖心直徑為64 mm、PQ鉆具所采巖心直徑為84 mm，大直徑巖心抗震動(dòng)、沖刷、剝蝕能力更強(qiáng)，在經(jīng)受鉆進(jìn)過程中的上述破壞之后，仍能保持較好的“芯柱”。

使用大口徑繩索取心鉆具是瀉湖砂層巖心采取率和原狀性實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍的核心關(guān)鍵。今后在珊瑚島礁鉆探工程中，應(yīng)該充分考慮，留出更多技術(shù)空間，盡可能使用大口徑繩索取心鉆具。

半合管：半合管繩索取心鉆具又稱為三套管繩索取心鉆具，其原理是在常規(guī)繩索取心鉆具基礎(chǔ)上再增加一層由兩半圓拼合的內(nèi)管，該設(shè)計(jì)有3個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是提高了內(nèi)管的單動(dòng)性，二是能有效避免巖心被鉆井液沖刷，三是“剖開式退心”方式能更好地確保巖心原狀性?；谶@些，使用半合管繩索取心鉆具（配合超前底側(cè)噴鉆頭、植物膠沖洗液）是目前保證巖心采取質(zhì)量最好的技術(shù)措施。琛科1井-2、NK-1井瀉湖砂層使用半合管繩索取心鉆具井段，巖心采取率達(dá)到99%。

半合管繩索取心鉆具雖然取心效果極好，但缺點(diǎn)也非常突出，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)精密、極易損壞、消耗高昂、取心速度較慢等，因此，半合管繩索取心鉆具僅適合在巖心極端難以采取情況時(shí)采用。

7.2.3 瀉湖砂層鉆井液

鉆取瀉湖砂層這種松散地層，對(duì)于鉆井液性能要求是：為保證循環(huán)通暢、攜砂干凈，要選擇適中粘度，過高則循環(huán)阻力大、過低則排砂能力不足；為保證不浸泡侵入破壞地層及巖心，要選擇極低失水量。

基于上述條件，瀉湖砂層鉆探取心選用鉆井液材料主要有：聚丙烯酰胺（PAM）、高粘羧甲基纖維素（CMC）、水解聚丙烯腈銨（NH4-HPAN）、降濾失劑、SH（或SM）植物膠、廣譜護(hù)壁劑、高效潤(rùn)滑劑。以上材料均選用速溶產(chǎn)品。

基礎(chǔ)配方為：1 m3海水+2 kg PAM+3 kg CMC+2 kg NH4-HPAN（或降濾失劑）+1 kg植物膠+20 kg廣譜護(hù)壁劑+2 kg高效潤(rùn)滑劑。

鉆井液核心性能參數(shù)為：粘度控制在22～35 s，濾失量≤5 mL/30 min。

該無固相鉆井液，對(duì)巖心保護(hù)效果很好，取出的巖心外表形成一層均勻透明的保護(hù)膜，整體性強(qiáng)（圖5）。

圖5 使用專用鉆井液取心效果Fig.5 Cor es with special drilling fluid

鉆井液性能一旦不合格，取心效果會(huì)急劇下降（圖6），因此，使用過程中必須嚴(yán)格保證鉆井液性能，認(rèn)真測(cè)定鉆井液參數(shù)，發(fā)現(xiàn)性能參數(shù)不滿足要求時(shí)，立即調(diào)整。

圖6 鉆井液性能不合格情況取心效果Fig.6 Cores with poor performance drilling fluid

綜合來說，“超前底側(cè)噴鉆頭+大口徑繩索取心鉆具+S系列植物膠鉆井液體系+精確控制鉆進(jìn)參數(shù)”是瀉湖砂層取心效果較好、鉆進(jìn)速度最快、機(jī)具壽命最長(zhǎng)的合理技術(shù)組合。

7.3 珊瑚島礁鉆探事故預(yù)防與處理技術(shù)

7.3.1 事故預(yù)防技術(shù)

7.3.1.1 卡埋鉆事故預(yù)防

使用優(yōu)質(zhì)鉆井液短暫保護(hù)井壁，延長(zhǎng)裸眼穩(wěn)定期，精確控制鉆進(jìn)參數(shù)快速鉆進(jìn)穿過，及時(shí)下入套管封隔。

7.3.1.2 斷鉆桿事故預(yù)防

鉆井液并不能阻止井壁垮塌，始終會(huì)形成鉆井超徑，這就容易造成鉆桿斷裂，這種情況下，主要通過控制鉆進(jìn)參數(shù)來預(yù)防，即：降低鉆壓和轉(zhuǎn)速，減小鉆桿因較大壓力和回轉(zhuǎn)離心彎扭造成斷裂。

7.3.2 事故處理技術(shù)

7.3.2.1 卡埋鉆事故處理

（1）優(yōu)選能同時(shí)實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)頂、強(qiáng)扭、操作勞動(dòng)強(qiáng)度低”的鉆機(jī)；

（2）使用全自動(dòng)反打沖擊器，該裝置對(duì)于解決有震動(dòng)液化特性地層的卡埋鉆事故尤其有效；

（3）多重管交替沖洗井技術(shù)；

（4）水錘效應(yīng)震動(dòng)松卡。

其中（2）、（3）、（4）項(xiàng)是施工過程中總結(jié)獨(dú)創(chuàng)的方法。

7.3.2.2 斷鉆桿事故處理

（1）快速使用絲錐打撈；

（2）反絲鉆桿反??；

（3）直接放棄，繞障鉆進(jìn)，該地層極易實(shí)現(xiàn)。

7.3.3 核心技術(shù)簡(jiǎn)介

7.3.3.1 大鉆用自動(dòng)打吊錘裝置

該種地層最多發(fā)的就是卡埋鉆。這種地層的掉塊卡鉆不會(huì)形成威脅，因?yàn)閹r石強(qiáng)度低，一搓即碎，根本卡不住，所以核心的難題就是砂層垮塌埋鉆，解決好該問題鉆進(jìn)就非常容易。松散層尤其是砂層埋鉆，靜力起拔一般效果不好，鉆機(jī)油缸或者千斤頂?shù)男谐掏荒艿窒@柱系統(tǒng)的彈性變形，而且力量始終偏小。最好是能在強(qiáng)頂強(qiáng)扭到極限時(shí)再輔以震擊，根據(jù)動(dòng)量定理，震擊能產(chǎn)生瞬間巨大力，同時(shí)砂層有震動(dòng)液化重新排列的特性，所以會(huì)產(chǎn)生極好的效果。工程勘察用小鉆機(jī)“打吊錘”很普遍，大鉆機(jī)由于結(jié)構(gòu)和力學(xué)體系限制很難實(shí)現(xiàn)，如果能生產(chǎn)出配合大鉆機(jī)打吊錘的機(jī)具，基本可處理絕大多數(shù)埋鉆事故?；诖?，研究設(shè)計(jì)了可用于大鉆機(jī)的自動(dòng)打吊錘簡(jiǎn)易裝置，效果極好。

7.3.3.2 多重管交替沖洗井

巨厚的瀉湖砂層就是個(gè)砂子堆，經(jīng)常埋鉆。以某次事故處理為例：使用S96繩索取心鉆具正常鉆進(jìn)，被埋于360 m處，使用千斤頂及吊錘處理均無效；初步考慮換徑鉆進(jìn)，但是這個(gè)階段換徑一是太早再也沒有退路，二是消滅懸掛環(huán)和鉆頭胎體太困難；最后研究決定使用?73 mm繩索取心鉆桿變徑配合頭部開水口鑲硬質(zhì)合金的?50 mm普通鉆桿（?73 mm鉆桿通不過S96繩索取心鉆具懸掛環(huán)和鉆頭）開大泵量去沖掃井底，目的是希望?50 mm鉆桿能穿出?96 mm鉆頭端部沖刷及震動(dòng)使其松動(dòng)。實(shí)際效果良好，?50 mm鉆桿超出鉆頭2 m長(zhǎng)度后，連續(xù)通水低速轉(zhuǎn)動(dòng)2 h，?92 mm鉆桿終于松動(dòng)，事故處理成功。該3套鉆具配合交替前進(jìn)方法多次使用。

7.3.3.3 正循環(huán)大泵量異地層洗井

琛科1井-1井深540～591 m段51 m長(zhǎng)度范圍為礁格架夾砂，砂充填于珊瑚礁骨架內(nèi)，有輕微膠結(jié)。初鉆至該層時(shí)，取出樣品為骨架夾砂呈柱狀。鉆進(jìn)過程中，經(jīng)多次巖心內(nèi)管抽吸后，井眼周邊一定范圍內(nèi)珊瑚砂松動(dòng)從骨架進(jìn)入井內(nèi)又出現(xiàn)埋鉆。綜合研究，該層砂有一定膠結(jié)強(qiáng)度，不經(jīng)劇烈擾動(dòng)能保持穩(wěn)定，鉆井液在該層不漏失，而該層上部436～540 m處礁坪溶蝕嚴(yán)重，溶隙、溶洞繁多，因此決定使用具有護(hù)壁效果的“海水+聚丙烯酰胺無固相鉆井液”絮凝攜砂從上部地層排砂方法除凈該層段井壁鄰近區(qū)域珊瑚砂，同時(shí)嚴(yán)格控制失水量確保不再造成新的沖垮。連續(xù)通水半天時(shí)間后，通水及回轉(zhuǎn)再無阻力，確認(rèn)井內(nèi)已非常干凈。該層至完井再未產(chǎn)生過任何負(fù)作用。

7.3.3.4 水錘效應(yīng)震動(dòng)松卡

琛科1井-1井深720～839 m段為119 m砂層，有了上述2層砂的經(jīng)驗(yàn)，該層使用S76高胎體長(zhǎng)壽命鉆頭配合優(yōu)質(zhì)鉆井液一次性通過。但鉆穿后至855 m時(shí)因發(fā)生斷鉆事故反復(fù)起下大鉆4次，重新導(dǎo)致上部砂層發(fā)生垮塌擠死鉆具，千斤頂和吊錘同樣無效。此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)已無更小一級(jí)鉆具可通過?73 mm鉆頭。仔細(xì)分析地層發(fā)現(xiàn)，本層砂下部地層僅輕微滲漏水，鉆井液能開通但泵壓極高，同時(shí)考慮細(xì)砂具有震動(dòng)液化的特性，研究決定使用鉆機(jī)雙油缸400 kN升力全力上頂整套鉆具至極限，泥漿泵使用最大泵量5.3 L/s間歇通水，每次通水時(shí)間15 s，停頓10 s，靠水的反沖及蹩壓震動(dòng)鉆具，稱為水錘效應(yīng)，原理是希望依靠水錘產(chǎn)生多次的輕微震動(dòng)使砂發(fā)生液化重新排列。連續(xù)憋壓4 h，鉆具松動(dòng)上行，處理成功［16］。

總之，事故的預(yù)防與處理方式豐富多樣，以上所列內(nèi)容是經(jīng)過施工檢驗(yàn)，較適于該種地層的工藝。繩索取心工藝配合好上述措施，能夠保證在該種地層正常鉆進(jìn)，順利成井。

8 珊瑚島礁地質(zhì)鉆探施工體會(huì)

8.1 施工方案制定

受海島施工特殊地理環(huán)境影響，運(yùn)輸補(bǔ)給極端困難，設(shè)備物資一旦登島，總的施工方案難以再做調(diào)整。因此在該區(qū)域開展鉆探工作所設(shè)計(jì)施工方案必須正確合理、充分全面、針對(duì)性強(qiáng)。

8.2 無水干鉆重要性

對(duì)于吹填層和第四系覆蓋層，使用高密度、高粘度泥漿不能解決取心難題，而且會(huì)堵塞傷害地層，這一點(diǎn)對(duì)于抽水試驗(yàn)井影響更是突出，因此無水干鉆是最好的工藝。

8.3 巖心采取率保障

該種地層鉆探施工的一個(gè)主要難點(diǎn)就是地層膠結(jié)松散、沉積變質(zhì)程度低，巖心極其難以采取，因此周全適用的巖心采取工藝是實(shí)現(xiàn)鉆井效果的關(guān)鍵。

8.4 鉆井事故預(yù)防與處理

該種地層鉆探施工的另一個(gè)主要難點(diǎn)就是地層極其不穩(wěn)定，事故頻發(fā)，因此周密合理的事故預(yù)防與處理措施是鉆井成功的關(guān)鍵。

8.5 “準(zhǔn)、穩(wěn)、快、及時(shí)”原則

總結(jié)認(rèn)為珊瑚島礁鉆探應(yīng)該遵循“井內(nèi)情況判斷準(zhǔn)，操作穩(wěn)，鉆進(jìn)快速穿過，技術(shù)套管跟進(jìn)及時(shí)”的原則。

8.6 鉆探風(fēng)格原則

這種基本全井段以珊瑚礁為目的層的鉆井，有別于常規(guī)的陸地鉆探甚至是很多其他海上深井鉆探。巨厚層的珊瑚礁地層，以其極端的特殊性，鉆探過程有很多獨(dú)有的特點(diǎn)，很多情況與其它鉆探截然不同甚至是完全反常規(guī)的，因此其它的鉆井施工經(jīng)驗(yàn)可借鑒性較弱。這就要求：在這種地層鉆探，施工人員要有極強(qiáng)的思考創(chuàng)造力，不墨守成規(guī)，面對(duì)各種問題能臨機(jī)決斷，充分發(fā)揮鉆探行業(yè)“勢(shì)無定法、靈活多變、不拘一格”的特點(diǎn)。

9 結(jié)論

（1）“長(zhǎng)行程液壓鉆機(jī)+套管跟進(jìn)”鉆進(jìn)工藝是珊瑚島礁第四系覆蓋層穿越的合理方法，具有取心質(zhì)量高、保護(hù)井壁、防止過水通道堵塞的多重優(yōu)點(diǎn)?！八牟椒ā笔谴_保珊瑚島礁第四系覆蓋層巖心能取上、套管能跟下去的技術(shù)關(guān)鍵。

（2）在珊瑚島礁鉆探取心過程中，綜合研究鉆井液、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆具組合3個(gè)鉆探要素，總結(jié)出“超前底側(cè)噴鉆頭+大口徑繩索取心鉆具+S系列植物膠鉆井液體系+精確控制鉆進(jìn)參數(shù)”多要素組合鉆探取心技術(shù)，該技術(shù)能保證瀉湖砂層巖心采取質(zhì)量。

（3）大鉆用自動(dòng)打吊錘裝置、多重管交替沖洗井、正循環(huán)大泵量異地層洗井、水錘效應(yīng)震動(dòng)松卡等設(shè)備和技術(shù)能確保瀉湖砂層鉆進(jìn)安全。

（4）“珊瑚島礁松散珊瑚砂層抽水試驗(yàn)成井下管技術(shù)”、“珊瑚島礁第四系覆蓋層鉆探取心技術(shù)”、“珊瑚島礁瀉湖砂層鉆探取心技術(shù)”、“珊瑚島礁鉆探事故預(yù)防與處理技術(shù)”聯(lián)合形成了較完整的珊瑚島礁鉆探技術(shù)工藝體系。