張慶盟，邢向渠，趙普輝，吳富政，張文龍

(1.河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州450001;2.河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州450053)

1 項(xiàng)目概況

1.1 地質(zhì)概況

該區(qū)地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為:第四系、新近系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系等。

第四系主要巖性為粘土、細(xì)砂互層。新近系巖性以粘土為主，夾灰白色砂質(zhì)泥灰?guī)r，半膠結(jié)中細(xì)砂。

二疊系:以灰、灰綠、深灰色灰?guī)r，灰、紫灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖，灰黃、橙黃色中、細(xì)粒砂巖互層，下部有薄層煤層，該層厚度較大。

石炭系(C):下部以燧石層、煤線和泥質(zhì)粉砂巖為主;中部為中粗粒石英砂巖、含黃鐵礦顆粒和團(tuán)塊;上部為灰色泥質(zhì)細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖;中間夾薄層煤。

奧陶系:該區(qū)富集有多種組分，年代由老到新均有分布，上部以不同顏色的灰?guī)r、白云巖、頁(yè)巖為主，下部則為磚紅色細(xì)砂巖，粉砂質(zhì)泥(粉)晶白云巖。

寒武系:該區(qū)深部為中元古界五佛山群馬鞍山組。主要巖性為紫紅、淺肉色厚層石英巖狀砂巖，底部為礫巖。

1.2 地層特點(diǎn)

該地?zé)峋_(kāi)采段地層自上而下為:石炭系、奧陶系、寒武系灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及部分泥頁(yè)巖等，其特點(diǎn)是地層堅(jiān)硬、脆，間夾脈狀、條帶狀石英，巖石研磨性強(qiáng)，對(duì)鉆進(jìn)工作不利。含水層特點(diǎn)是含條帶狀、斜層狀、細(xì)微裂隙，局部可能有小型溶洞。

1.3 采用的鉆探方法

根據(jù)以上地層巖性特征，我們選用泥漿正循環(huán)常規(guī)鉆探方法鉆進(jìn)，為加快鉆進(jìn)速度，項(xiàng)目后期引入螺桿鉆+PDC復(fù)合鉆具鉆進(jìn)技術(shù)，提高了鉆進(jìn)效率。

1.4 洗井抽水情況

在成井工作完成后，根據(jù)鉆井結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)先后進(jìn)行了物理透孔、潛水泵大降深、空氣、酸化洗井，在每一次洗井工作完成后，都用潛水泵抽水以驗(yàn)證洗井效果。

從抽水情況看，采取有針對(duì)性的洗井方法，每一種洗井工藝之后水量均較之前有所增加，最終出水量達(dá)到21 m3/h，出口水溫38℃。

2 主要問(wèn)題及分析

該地?zé)峋啃〉脑虼笾驴梢詺w納為以下幾點(diǎn)。

2.1 地層原因

開(kāi)采層段為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、頁(yè)巖，質(zhì)地均一、穩(wěn)定，含水層是含有少量的條帶、傾斜及微裂隙，地層富水性差。

2.2 采用的鉆進(jìn)方法

為泥漿正循環(huán)方法鉆進(jìn)成孔，為了孔壁穩(wěn)定，使用優(yōu)質(zhì)低固相不分散泥漿體系，其良好的性能可以順利完成鉆探工作，但對(duì)于以取水為目的的地?zé)峋畞?lái)說(shuō)十分不利，泥漿中的高分子處理劑及優(yōu)質(zhì)粘土吸附在孔壁上，并有部分鉆井液滲透到裂隙內(nèi)，很難排除。

2.3 事故處理

在鉆井工程后期，因?yàn)榘l(fā)生了粘附卡鉆事故，為處理事故安全，項(xiàng)目又加大了對(duì)泥漿方面的投入，事故處理前后歷時(shí)28天，因此對(duì)于洗井工作帶來(lái)了極大的不便。

3 洗井方法及效果

洗井方法的選定在地?zé)嵯淳酗@得尤其重要，經(jīng)協(xié)商確定洗井的具體方法包括:物理透孔方法、潛水泵大降深洗井、空氣洗井、酸洗井等，逐步增大出水量，以達(dá)到預(yù)期的目的。

3.1 物理透孔

即通過(guò)物理方法將粘附于鉆孔壁上的泥皮、處理劑除掉。成井工作結(jié)束后，先后下入刷孔器和自制高壓噴水器針對(duì)含水層位進(jìn)行徹底的清洗。之后下入220 m揚(yáng)程、20 t/h出水量的潛水泵進(jìn)行試抽，從抽水的情況來(lái)看，出水量只有7 m3/h，出口水溫26℃，動(dòng)水位在潛水泵上部。

3.2 空壓機(jī)(即空氣)洗井

第二步采用的是英格索蘭XHP－1070型空壓機(jī)洗井，性能為出風(fēng)量30.6 m3/h，額定壓力2.6 MPa。其原理:通過(guò)高壓空氣將鉆孔內(nèi)的水排出，形成負(fù)壓，在此負(fù)壓作用下，將滯留在孔壁上的泥皮、巖屑、孔底沉淀以及儲(chǔ)存在裂隙內(nèi)的部分鉆井液殘留物從孔內(nèi)返出，達(dá)到洗井的目的。

3.2.1 空壓機(jī)正循環(huán)洗井

因?yàn)槭腔鶐r地?zé)徙@孔，地層穩(wěn)定，首先直接下入鉆桿，用鉆桿作為風(fēng)管，與方鉆桿、高壓管直接連接到空壓機(jī)上，開(kāi)動(dòng)空壓機(jī)待其工作穩(wěn)定后，向井內(nèi)送風(fēng)，初步下鉆深度為220 m，當(dāng)井內(nèi)的存水被吹出后，繼續(xù)加接鉆桿80 m后繼續(xù)吹風(fēng)，不斷增大鉆桿下入深度，最后鉆桿下至420 m持續(xù)送風(fēng)洗井，達(dá)到大降深空壓機(jī)洗井的目的。從洗井的效果來(lái)看，能夠初步達(dá)到洗井的目的，井水顏色從灰黑色變?yōu)榛尹S色，再變?yōu)榛野咨?、乳白色。?jīng)抽水檢測(cè):出水量為12 m3/h，出口水溫為28℃。

3.2.2 下入混合器洗井

從現(xiàn)場(chǎng)洗井情況看，出水量仍然沒(méi)有多大變化，為了增大洗井效果，通過(guò)向孔內(nèi)注入清水以彌補(bǔ)水量的不足，還能清除孔底沉渣。在經(jīng)過(guò)2天的洗井后，下泵抽水檢測(cè)洗井效果，出水量為15 m3/h，出口水溫34℃，靜水位為230 m。

3.3 酸化洗井

圖1 粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)形式

經(jīng)過(guò)上述洗井方法處理后，仍沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)及預(yù)定的目標(biāo)。而含水段地層多為泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等地層，確定采用酸化洗井，選用高濃度的鹽酸作為目的液體進(jìn)行灌注。

其作用原理:含水層位礦物主要為灰?guī)r，其本身就與鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以使本來(lái)不太發(fā)育的裂隙變寬變大;滯留在裂隙內(nèi)的鉆井液主要成分是優(yōu)質(zhì)粘土和處理劑，而粘土礦物結(jié)構(gòu)在一定條件下處于一種穩(wěn)定狀態(tài)，并具有一定的粘結(jié)力(圖1)，常規(guī)方法無(wú)法將其從裂隙中清除干凈。通過(guò)鹽酸的作用，負(fù)離子可以與粘土的Al3+、Ca2+、Mg2+、Fe3+等反應(yīng)形成可溶性產(chǎn)物和大量氣體，再通過(guò)空氣洗井中形成的負(fù)壓將其充分排出，進(jìn)一步疏通含水通道，達(dá)到洗井的目的［1］。

3.3.1 鹽酸灌注量的確定

在準(zhǔn)確比對(duì)有利含水層位置、深度及累計(jì)厚度后，根據(jù)鉆孔直徑及超徑系數(shù)計(jì)算鹽酸用量Q:

式中:r——鉆孔直徑;h——注酸段總長(zhǎng)度;k——超徑系數(shù)。

初步確定灌注鹽酸總長(zhǎng)度h為320 m，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式計(jì)算，可得出該孔鹽酸灌注量為13.5 m3，為確保鹽酸足夠的使用量，確定本次灌注量為15 m3。

3.3.2 頂替鹽酸量的計(jì)算

在鹽酸灌注完后，為將滯留在鉆具內(nèi)的鹽酸全部注入地層，應(yīng)采用清水加穩(wěn)定劑的混合物頂替鹽酸到鉆具與鉆孔的環(huán)隙。具體替漿量計(jì)算如下:

式中:Qt——替漿量;V1——鉆桿內(nèi)容積;V2——方鉆桿內(nèi)容積;V3——高壓管內(nèi)容積;V4——泥漿泵內(nèi)容積;V5——進(jìn)水管內(nèi)容積。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，替漿量為7.48 m3。

3.3.3 酸化洗井效果

在鹽酸洗井工作完成后，下入出水量為20 m3/h、揚(yáng)程為370 m的深井潛水泵進(jìn)行抽水洗井。經(jīng)過(guò)3天的洗井后，出水量達(dá)到21 m3/h，出口水溫38℃，達(dá)到了設(shè)計(jì)及項(xiàng)目預(yù)期的目的，獲得了較為滿(mǎn)意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

3.4 洗井效果對(duì)比

通過(guò)以上不同的洗井方法對(duì)該地?zé)峋M(jìn)行充分的清洗，逐步地增加了水量、水溫等，達(dá)到了預(yù)期的目的，具體見(jiàn)表1。

表1 不同洗井方法的效果

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

從整個(gè)地?zé)峋?xiàng)目的施工情況看，造成水量小的原因有:

(1)地層因素:主要由泥巖、砂巖、灰?guī)r地層組成，硬度大，研磨性強(qiáng)，且所含裂隙較小，多數(shù)發(fā)育程度差;

(2)鉆進(jìn)方法:施工采用常規(guī)泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，由于鉆井液的長(zhǎng)期使用形成泥皮附著，部分滲透到裂隙內(nèi);

(3)鉆孔事故:孔內(nèi)事故的處理使鉆井液滯留孔內(nèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，增加了洗井難度;

(4)施工周期長(zhǎng)。

項(xiàng)目根據(jù)施工情況，合理選用了物理、空氣、酸化洗井方法對(duì)該地?zé)峋M(jìn)行徹底的清洗，逐步增大了出水量，達(dá)到了洗井的目的。

4.2 建議

通過(guò)該項(xiàng)目洗井情況，我們建議:

(1)優(yōu)化鉆井工藝，采用先進(jìn)的鉆進(jìn)技術(shù)鉆進(jìn)成孔，優(yōu)先選用空氣鉆井、氣舉反循環(huán)鉆井等欠平衡鉆進(jìn)技術(shù);

(2)盡量不使用鉆井液參與的鉆探方法，避免鉆井液對(duì)地層的污染;

(3)根據(jù)鉆進(jìn)方法及地層特點(diǎn)，合理選用不同的洗井方法或洗井組合，往往能夠達(dá)到理想的洗井效果。

(4)按照每種洗井方法的操作要求及操作步驟進(jìn)行，確保每種洗井工藝達(dá)到預(yù)期的目的。

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