賈 瑞，孫友宏，郭 威，劉華南

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130021)

0 引言

天然氣水合物是由甲烷氣體分子與水在低溫高壓條件下形成的白色結(jié)晶狀物質(zhì)，是一種有巨大潛力的潔凈能源，具有分布范圍廣、儲(chǔ)量大、能量密度高和埋藏淺等突出特點(diǎn)。普遍認(rèn)為其將成為21世紀(jì)煤、石油和天然氣等常規(guī)能源的理想替代資源。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物礦藏主要分布在地球上2類地區(qū):一是水深為300～4000 m的大陸架、洋中脊、海溝和海嶺等海底沉積物中，據(jù)推算約占全球天然氣水合物總量的90%;二是高緯度、高海拔的大陸地區(qū)永久凍土帶，約占全球天然氣水合物總量的 10%［1］。

一些國(guó)家已經(jīng)相繼啟動(dòng)國(guó)家級(jí)凍土區(qū)天然氣水合物科學(xué)鉆探工程，其中以加拿大Mallik水合物科學(xué)鉆探和美國(guó)Alaska水合物科學(xué)鉆探為代表。1998年，加拿大地質(zhì)調(diào)查局負(fù)責(zé)組織，美國(guó)和日本等6個(gè)國(guó)家參與，實(shí)施了世界上第一個(gè)專門進(jìn)行陸地永久凍土區(qū)天然氣水合物調(diào)查研究的鉆探工程，完成了天然氣水合物調(diào)查研究探井Mallik 2L－38［2，3］。2003 年，Andarko 石油公司、Maurer技術(shù)公司和美國(guó)能源部在Alaska洲開鉆了第一口天然氣水合物調(diào)查研究井——“熱冰”1井。2007年2月，以美國(guó)能源部和地質(zhì)調(diào)查局為首的項(xiàng)目組對(duì)Alaska北坡進(jìn)行了大規(guī)模的陸地凍土區(qū)天然氣水合物全面綜合的調(diào)查評(píng)價(jià)及開采試驗(yàn)研究［4］。

中國(guó)是世界第三凍土大國(guó)，在青藏高原和大興安嶺地區(qū)存在著大片凍土區(qū)，多年凍土面積達(dá)215×104km2，約占國(guó)土總面積的22.4%。2008～2009年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所、礦產(chǎn)資源研究所和青海煤炭地質(zhì)105勘探隊(duì)等單位，在祁連山木里地區(qū)開始施工“祁連山凍土區(qū)天然氣水合物科學(xué)鉆探工程”。2008年11月5日在DK－1孔井深133.5～135.5 m處首次發(fā)現(xiàn)天然氣水合物實(shí)物樣品，之后分別在11月7日和11月10日再次發(fā)現(xiàn)水合物。2009年5月31日～10月11日在DK－2、DK－3孔中再次鉆遇天然氣水合物，從而證實(shí)我國(guó)凍土區(qū)存在天然氣水合物［5，6］。

2010年，在大興安嶺北麓黑龍江省漠河地區(qū)開始施工“漠河盆地凍土層水合物科學(xué)鉆探工程”，MK－1井是首個(gè)在東北凍土區(qū)進(jìn)行的天然氣水合物鉆探工程。2011～2012年，在北極村地區(qū)施工了“東北凍土區(qū)天然氣水合物科學(xué)鉆探工程”MK－2井，深度為1700 m。本文根據(jù)MK－2井2012年的施工情況，對(duì)影響鉆進(jìn)效率的因素進(jìn)行分析［7］。

1 科學(xué)鉆探試驗(yàn)

1.1 天然氣水合物鉆探特點(diǎn)

天然氣水合物是在一定的溫度和壓力下形成的，常溫常壓下就會(huì)發(fā)生分解，難以得到原狀完整的天然氣水合物樣品。因此為了取得原始狀態(tài)天然氣水合物的樣品，天然氣水合物科學(xué)鉆探與常規(guī)鉆探在設(shè)備和工藝上都有一定的區(qū)別［8］。天然氣水合物鉆探主要技術(shù)有:大直徑繩索不提鉆快速取樣鉆具和天然氣水合物鉆井泥漿制冷系統(tǒng)。這2項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于 DK －2、DK－3、DK－4、DK －5和DK－6井，并成功取得了天然氣水合物樣品。

1.1.1 天然氣水合物大直徑繩索不提鉆快速取樣鉆具的主要特點(diǎn)

(1)采用繩索不提鉆快速取心的方法，避免水合物巖心由于提鉆取心時(shí)間過長(zhǎng)發(fā)生分解;(2)采用大直徑取心，盡量降低鉆頭克取巖石所產(chǎn)生熱量對(duì)水合物巖心的不利影響。一般采用127、108和89 mm規(guī)格的繩索取心鉆桿［8］。

1.1.2 天然氣水合物鉆井泥漿制冷系統(tǒng)

天然氣水合物鉆井泥漿制冷系統(tǒng)是專為天然氣水合物鉆探研制的一套獨(dú)立系統(tǒng)，其主要功能為:(1)實(shí)現(xiàn)鉆井泥漿的快速冷卻;(2)能夠?qū)⒛酀{動(dòng)態(tài)維持在低溫范圍內(nèi)，從而保證泥漿進(jìn)井溫度滿足天然氣水合物鉆探取樣的要求。

該系統(tǒng)主要由載冷劑制冷部分、泥漿冷卻部分和溫度監(jiān)測(cè)部分3大部分組成，3大部分互相配合使用，實(shí)現(xiàn)鉆井液的冷卻。井內(nèi)返出的泥漿，進(jìn)入泥漿池凈化后，再經(jīng)泥漿制冷系統(tǒng)的冷卻，冷卻后的低溫泥漿進(jìn)入保溫池，最后由泥漿泵注入井內(nèi)［10，11］。泥漿制冷系統(tǒng)與泥漿固控系統(tǒng)共同組成了天然氣水合物泥漿處理系統(tǒng)(圖1)。

圖1 天然氣水合物泥漿處理系統(tǒng)

1.2 鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

天然氣水合物科學(xué)鉆探需要在鉆進(jìn)過程中隨時(shí)觀測(cè)鉆進(jìn)參數(shù)，掌握孔內(nèi)鉆進(jìn)情況，隨時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，以避免產(chǎn)生孔內(nèi)事故。同時(shí)，根據(jù)鉆進(jìn)參數(shù)，總結(jié)水合物特殊層段鉆進(jìn)工藝參數(shù)，形成鉆進(jìn)工藝參數(shù)規(guī)范，指導(dǎo)未來水合物鉆探施工。另外，還要對(duì)出井泥漿氣體進(jìn)行檢測(cè)，以確定是否已經(jīng)鉆進(jìn)到天然氣水合物地層，以調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，并配合井控系統(tǒng)，避免產(chǎn)生井噴等安全事故［12］。在MK－2中首次使用了鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，共監(jiān)測(cè)13個(gè)參數(shù)，分別為鉆井深度、鉆壓、鉆速、轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)扭矩、鉆機(jī)電功率、入井泥漿流量、泥漿循環(huán)泵壓力、出井泥漿溫度、入井泥漿溫度、泥漿池總體積、大鉤載荷(起鉆)、出口可燃?xì)怏w，并將參數(shù)實(shí)時(shí)地以數(shù)字或曲線形式顯示在司鉆臺(tái)顯示器上［13，14］，所有數(shù)據(jù)可以保存、記錄，并可以完整地瀏覽、打印歷史數(shù)據(jù)，為參數(shù)分析提供數(shù)據(jù)支撐(圖2)。

圖2 鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)原理

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

MK－2井采用孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)。影響金剛石鉆進(jìn)效率的因素很多，如:巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、鉆頭類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆孔直徑、孔身結(jié)構(gòu)和深度、鉆探設(shè)備的性能和功率、沖洗液類型、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等等。本文根據(jù)MK－2井2012年的實(shí)際情況(477～1700 m)，針對(duì)地層情況、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等實(shí)際情況，對(duì)鉆進(jìn)效率的影響進(jìn)行了分析。

2.1 地層的影響

MK－2井共有9種地層，分別為粉砂泥質(zhì)板巖、砂質(zhì)泥板巖、碳質(zhì)板巖、靡棱巖、砂巖、石英砂巖、破碎帶、泥質(zhì)粉砂巖、板巖。根據(jù)資料對(duì)各個(gè)地層的厚度、鉆進(jìn)總時(shí)間、鉆進(jìn)回次進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算其純鉆效率和回次進(jìn)尺數(shù)，來確定巖層鉆進(jìn)的難易程度(表1)。

表1 各種地層的純鉆效率和回次進(jìn)尺

通過表1得到圖3。

圖3 各種地層鉆進(jìn)情況對(duì)比圖

從表1和圖3可以看出，整個(gè)地層中砂巖和板巖最厚，占用的鉆進(jìn)時(shí)間最多。在鉆進(jìn)破碎帶(g)時(shí)，純鉆效率和回次進(jìn)尺均為最低，鉆進(jìn)最困難，巖心的完整性也最差。正常鉆進(jìn)時(shí)石英砂巖(f)和泥質(zhì)粉砂巖(h)鉆進(jìn)困難，而砂巖(b)、砂質(zhì)泥板巖(b)和板巖(i)鉆進(jìn)較容易。特別注意的是碳質(zhì)板巖(c)和糜棱巖(d)回次進(jìn)尺是均為3 m，但是其純鉆效率只有2.1 m/h左右，鉆進(jìn)困難。由此看出，地層對(duì)鉆進(jìn)效率有很大的影響，在鉆進(jìn)破碎帶(g)、碳質(zhì)板巖(c)和糜棱巖(d)時(shí)鉆進(jìn)效率低，而鉆進(jìn)砂巖(b)、砂質(zhì)泥板巖(b)和板巖(i)時(shí)鉆進(jìn)效率高。

2.2 鉆壓的影響

鉆進(jìn)效率與鉆頭壓力在一定的鉆壓限度內(nèi)是成正比例增長(zhǎng)的。鉆壓值低于最佳值時(shí)，會(huì)造成金剛石磨光，不能保證有效的鉆進(jìn)。當(dāng)鉆壓高于最佳值時(shí)，對(duì)鉆頭和鉆桿都會(huì)造成不良的影響:過高的鉆壓會(huì)使金剛石切入巖石深度過大，使鉆頭底部排粉間隙過小，惡化了孔底的凈化和冷卻條件，巖粉堵塞，鉆速下降，鉆頭磨損嚴(yán)重，甚至燒鉆，使金剛石破碎，鉆頭失去工作能力，而引起鉆速驟降和磨損;鉆壓過大會(huì)產(chǎn)生鉆桿彎曲、鉆頭損壞，甚至因扭矩過大，造成鉆桿脫扣、扭斷、燒鉆、或胎體脫落等孔內(nèi)事故，或助長(zhǎng)鉆孔偏斜等等，對(duì)鉆進(jìn)都是極其不利的。由此為了提高鉆探效率，要確定最佳鉆壓。

根據(jù)MK－2井的地層情況，選擇地層較厚的粉砂泥質(zhì)板巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和板巖進(jìn)行分析。

圖4 粉砂泥質(zhì)板巖鉆壓和回次鉆進(jìn)速度曲線

圖5 砂巖鉆壓和回次鉆進(jìn)速度曲線

圖6 泥質(zhì)粉砂巖鉆壓和回次鉆進(jìn)速度曲線

圖7 板巖鉆壓和回次鉆進(jìn)速度曲線

由圖4可以看出，粉砂泥質(zhì)板巖的最優(yōu)鉆壓約為0.8 t(8 kN)，回次鉆進(jìn)速度為4 m/h;由圖5可以看出，砂巖的最優(yōu)鉆壓約為2 t(20 kN)，回次鉆進(jìn)速度為2 m/h;由圖6可以看出，泥質(zhì)粉砂巖的最優(yōu)鉆壓約為0.5 t(5 kN)，回次鉆進(jìn)速度為2 m/h;由圖7可以看出，板巖的鉆進(jìn)效率隨鉆壓的增大而增大，隨鉆壓的減小而減小，為了避免由于鉆壓過大導(dǎo)致鉆頭和鉆桿出現(xiàn)問題，最優(yōu)鉆壓約為2 t(20 kN)，回次鉆進(jìn)速度為2.5 m/h。

3 結(jié)論

(1)在MK－2井鉆探中，破碎帶、碳質(zhì)板巖和糜棱巖時(shí)鉆進(jìn)效率很低，石英砂巖和泥質(zhì)粉砂巖的鉆進(jìn)效率中等，砂巖、砂質(zhì)泥板巖、泥板巖和板巖的鉆進(jìn)效率較高。

(2)在MK－2井鉆探中，粉砂泥質(zhì)板巖的最優(yōu)鉆壓約為0.8 t(8 kN)，砂巖的最優(yōu)鉆壓約為2 t(20 kN)，泥質(zhì)粉砂巖的最優(yōu)鉆壓約為0.5 t(5 kN)，板巖最優(yōu)鉆壓約為2 t(20 kN)。

(3)盡管在MK－2井鉆探過程中未發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，但是整個(gè)試驗(yàn)過程都是按照天然氣水合物鉆探的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行的，取得的方法和數(shù)據(jù)，對(duì)今后的天然氣水合物科學(xué)鉆探具有一定的借鑒意義。

(4)在MK－2井中使用的鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，提供了及時(shí)而全面的鉆探信息，增加了鉆井的可觀測(cè)性和可控制性，提高了鉆井的安全性和鉆進(jìn)效率，有利于整個(gè)鉆井的科學(xué)化發(fā)展。

［1］郭威.天然氣水合物孔底冷凍取樣方法的室內(nèi)試驗(yàn)及傳熱數(shù)

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