趙寶軍，馬秀春

(齊齊哈爾礦產(chǎn)勘查開發(fā)總院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

1 工程概況

天然氣水合物被譽(yù)為21世紀(jì)潛在的新型能源。在地球海洋中，天然氣水合物的總量換算成甲烷氣體，其含碳量是目前世界已知石油、天然氣、煤炭的2倍。陸地凍土天然氣水合物廣泛分布在永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境。近幾年，我國(guó)開始勘探陸地凍土天然氣水合物。其中東北漠河地區(qū)由于構(gòu)造沉降形成的某盆地，存在多年凍土，同時(shí)其中充填大量的中生代沉積，為油、氣資源的形成提供了物質(zhì)來源，成為凍土水合物勘查的首選目標(biāo)之一。為此，在該區(qū)域部署了少量鉆探工程，探求該盆地可燃冰的賦存及深部的地質(zhì)情況。

1.1 凍土天然氣水合物鉆孔技術(shù)要求

(1)設(shè)計(jì)深度:1600 m(全孔取心)±100 m。

(2)巖心采取率≥80%，礦心及疑似礦心的采取率≥90%。

(3)鉆孔傾角度:頂角≤2°/100 m，每鉆進(jìn)50 m測(cè)斜一次。

(4)巖心直徑:終孔直徑≮65 mm。

(5)取心長(zhǎng)度:堅(jiān)硬完整無異常地層2.5～3.0 m;破碎帶異常地層小于或等于1.5 m。

(6)回次鉆進(jìn)時(shí)間:堅(jiān)硬完整無異常地層無具體要求;破碎帶異常區(qū)地層小于或等于1 h。

(7)泥漿進(jìn)孔溫度:堅(jiān)硬完整無異常地層0～5℃;破碎帶異常區(qū)地層0～2℃。溫度測(cè)量以泥漿泵出口端進(jìn)井溫度為準(zhǔn)。

1.2 以往鉆探揭露地層情況

地層有沉積巖和變質(zhì)巖2類。巖石以糜棱巖、板巖、砂巖為主。地表為沼澤地，開鉆遇到近20 m厚的卵礫石，下部有近110 m厚的糜棱巖，夾有石英巖，堅(jiān)硬打滑。

在鉆孔深度172、253、261、321、447 m處有5層破碎帶，鉆孔深度172 m處坍塌、掉塊嚴(yán)重。

1.3 鉆塔地基制作

該地區(qū)地表為沼澤地，每年11月中旬到第二年5月初為凍結(jié)狀態(tài)，隨著夏季的到來慢慢開始融化呈松散狀態(tài)。因此，鉆塔地基制作顯得非常重要，為此提出如下技術(shù)要求:

(1)地基極限承載≮1100 kN，且地基應(yīng)坐在巖性均勻的地層上，保證鉆機(jī)平臺(tái)可均勻沉降。

(2)為預(yù)防井噴，在地表加裝防噴器(電動(dòng)液壓);要求機(jī)場(chǎng)做硬地坪處理。

(3)鉆塔底梁用型鋼“牛腿”支撐離地2.3 m高，形成鉆探操作平臺(tái)。鉆塔地基要做預(yù)埋螺栓并做準(zhǔn)確定位。

按8.5 m×8.5 m制作正方形地基，以鉆孔中心向兩側(cè)均布?？拥鬃龀辽皦|層10 cm。鉆塔基礎(chǔ)厚度按1.5 m。綁扎鋼筋籠(12 mm為主筋，6 mm為繞筋)按保護(hù)層10 cm制作。為上下3層，埋設(shè)地腳螺絲焊接在鋼筋籠上，尺寸按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定?；炷良?jí)別C30以上現(xiàn)場(chǎng)攪拌，并做好養(yǎng)生保溫工作。環(huán)境溫度較低時(shí)可搭塑料棚保溫。

圖1為鉆塔及底座示意圖。

圖1 鉆塔升高示意圖

2 鉆探設(shè)備、機(jī)具選擇及鉆孔結(jié)構(gòu)

2.1 鉆機(jī)及主要設(shè)備選擇(見表1)

2.2 鉆探工具

表2 各種鉆具規(guī)格組合 /mm

繩索取心鉆桿是深孔取心鉆進(jìn)非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接影響深孔鉆探施工的安全和成敗，對(duì)鉆探工期和經(jīng)濟(jì)效益亦有重大影響。我們從材質(zhì)和螺紋強(qiáng)度上都提出嚴(yán)格的要求。另外，配套的夾持器等也進(jìn)行了重新計(jì)算和設(shè)計(jì)。各種鉆具規(guī)格組合見表2，使用的主要鉆柱及工具主要有如下這些。

(3)鉆塔配用三輪六繩滑輪組。提引器加配重，以增加提引器的下落速度。

根據(jù)鉆探施工設(shè)計(jì)，結(jié)合地層變化因素，最終的鉆孔結(jié)構(gòu)如下。

開孔:鉆孔直徑219 mm，鉆進(jìn)深度20.60 m，采用沖擊鉆進(jìn)方法，下入168 mm孔口管。換徑，采用152 mm鉆頭繩索取心回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至30.40 m，下入146 mm套管。

一開:鉆孔直徑135.5 mm，鉆孔深度477 m。采用繩索取心鉆進(jìn)方法，下入114 mm套管477 m。

二開:鉆孔直徑98 mm(H規(guī)格繩索取心)，鉆孔深度1700.83 m，下入146 mm套管30.4 m。

該地區(qū)0～20 m為卵礫石層，卵石最大直徑20～30 cm，而且呈冰凍狀態(tài)，采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、泥漿護(hù)壁，冰凍狀態(tài)會(huì)逐漸溶解，導(dǎo)致孔壁坍塌。強(qiáng)行鉆進(jìn)會(huì)發(fā)生大徑卵石隨鉆頭下行導(dǎo)致鉆孔開偏，不利于下步施工。為此，采用沖擊鉆進(jìn)，高粘度水泥泥漿護(hù)壁，選擇沖擊鉆頭進(jìn)行往復(fù)沖擊鉆進(jìn)，在大密度水泥泥漿護(hù)壁的情況下保證地層壓力平衡，保證套管下放順利。表層套管要進(jìn)行水泥漿回灌為下一步安裝防噴器打下基礎(chǔ)。

3 鉆探技術(shù)措施

陸地凍土天然氣水合物鉆探與巖心鉆探要求有所不同:首先，回次進(jìn)尺≯3 m，破碎地層≯1.5 m;第二，回次鉆進(jìn)時(shí)間≯1 h，以防止天然氣水合物融化分解;第三，鉆進(jìn)中，沖洗液進(jìn)井溫度必須控制在0～2℃;第四，鉆進(jìn)沖洗液必須有高效的潤(rùn)滑性能，且不能產(chǎn)生氣泡和污染樣品。針對(duì)以上特殊要求，應(yīng)采取以下鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)和工藝技術(shù)措施。

3.1 深孔段鉆進(jìn)參數(shù)

孔段477～1700.83 m，鉆孔直徑98.5 mm，立軸轉(zhuǎn)速95～487 r/min，鉆壓10～20 kN，泵量120～160 L/s，泵壓40～90 MPa。

3.2 施工中的主要技術(shù)措施

(1)為防止鉆桿折斷事故的發(fā)生，應(yīng)在保持合適進(jìn)尺速度的條件下，盡量采用低鉆壓、慢轉(zhuǎn)速。

(2)嚴(yán)格執(zhí)行倒桿拉伸制度，仔細(xì)觀察鉆參儀大鉤荷載數(shù)值。鉆參儀大鉤荷載數(shù)值應(yīng)大于孔內(nèi)鉆具的實(shí)際質(zhì)量，倒桿前剎緊卷筒，然后進(jìn)行下一步操作。

(3)內(nèi)管到位的確定:認(rèn)真監(jiān)聽孔內(nèi)回聲。按每100延米2 min計(jì)算。必要時(shí)可采用繩索取心絞車送下去，即在前一次打撈巖心時(shí)做好標(biāo)記。防止“打空管”導(dǎo)致提鉆。

(4)認(rèn)真檢查卡簧、卡簧座的磨損情況，防止巖心脫落導(dǎo)致提鉆。

(5)當(dāng)班班長(zhǎng)應(yīng)認(rèn)真觀察泵壓的變化情況，發(fā)現(xiàn)泵壓突然大幅度下降，應(yīng)及時(shí)尋找原因，防止鉆桿穿刺和折斷事故發(fā)生，如由于泵壓下降而提鉆時(shí)，禁止下?lián)泼瑩迫?nèi)管以防止撈矛卡在孔內(nèi)，鋼絲繩掉入孔中。

(6)鉆桿入井前要嚴(yán)格檢查其絲扣、管體，發(fā)現(xiàn)絲扣損壞、管體變形、螺紋磨圓等問題要馬上更換，防止問題鉆桿入井。

(7)提下鉆時(shí)要認(rèn)真檢查每一個(gè)立根的連接情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換。

(8)每一次提鉆后都要認(rèn)真檢查、測(cè)量鉆頭、擴(kuò)孔器尺寸和磨損情況，做到鉆頭排隊(duì)使用每次提鉆都要更換鉆頭、擴(kuò)孔器并且仔細(xì)檢查彈卡室情況。

(9)提下鉆時(shí)要?jiǎng)蛩俾?，注意回灌泥漿，保持孔壁穩(wěn)定，嚴(yán)禁猛提快下導(dǎo)致孔內(nèi)掉塊增加，在長(zhǎng)距離掃孔時(shí)又造成鉆頭損壞而提鉆的惡性循環(huán)。

(10)開孔套管下完后，要進(jìn)行水泥漿回灌處理，二層套管要做隔水，三層套管采用反絲扣，并在各連接處采用專用膠密封防止倒扣脫節(jié)。特別提出套管的機(jī)械性能要求。

(11)嚴(yán)格執(zhí)行交接班制度，交班班長(zhǎng)要詳細(xì)介紹孔內(nèi)及地面設(shè)備運(yùn)行情況，交班記錄員要認(rèn)真介紹地面準(zhǔn)備入井的鉆具、鉆桿、卡簧、卡簧座的使用和質(zhì)量情況。

(12)發(fā)現(xiàn)泵壓突然持續(xù)升高，應(yīng)將鉆具迅速提離孔底，分析出原因后方可開始正常鉆進(jìn)。

(13)嚴(yán)禁用大錘敲擊鉆桿接頭，要使用高質(zhì)量的高壓密封脂涂抹鉆桿螺紋。

(14)機(jī)、班長(zhǎng)每天要檢查鉆機(jī)主繩和絞車鋼絲繩的使用情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換。

3.3 鉆具的減震與潤(rùn)滑

凍土天然氣水合物鉆探取樣，應(yīng)盡量減小鉆具的震動(dòng)，達(dá)到回轉(zhuǎn)平穩(wěn)、進(jìn)尺均勻。鉆具的抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致摩擦熱不利于可燃冰取樣，借助鉆參儀可觀察到小時(shí)進(jìn)尺數(shù)值的變化控制在1.8～3 m，進(jìn)尺陡增到3 m/h以上并進(jìn)尺在10 cm時(shí)，必須提鉆取樣。有時(shí)，鉆具的抖動(dòng)導(dǎo)致鉆參儀很難準(zhǔn)確反應(yīng)進(jìn)尺數(shù)值的變化，為達(dá)到這一要求我們采用在鉆具上部增加穩(wěn)定器3道，每隔3 m加一道的措施。穩(wěn)定器外徑與使用的擴(kuò)孔器外徑一致并在穩(wěn)定器上銑出8～10個(gè)水口。

大直徑深孔繩索取心鉆探，鉆具潤(rùn)滑非常關(guān)鍵，尤其是凍土天然氣水合物鉆探取樣既有回次進(jìn)尺長(zhǎng)度限制又有回次鉆進(jìn)時(shí)間限制，而且還要達(dá)到應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率，既要保證取樣技術(shù)要求又要有較高的生產(chǎn)效率，就必須使鉆具有一定的轉(zhuǎn)數(shù)，滿足金剛石鉆探工藝的需求。我們除采用具有高潤(rùn)滑性能的泥漿外，在鉆桿外側(cè)涂抹專用的潤(rùn)滑脂，該涂抹脂是我們經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)研制的，其性能特點(diǎn)是附著力強(qiáng)、潤(rùn)滑性能好，制作、使用方便，效果好。涂抹方法下鉆時(shí)人工涂抹和專用的涂抹裝置。表4為潤(rùn)滑脂配方表。

表4 潤(rùn)滑脂配方 /%

3.4 鉆頭的使用情況

加大起鉆間隔可提高鉆探效率，但繩索取心鉆進(jìn)的起鉆間隔受鉆頭使用壽命的直接影響。為此，我們對(duì)鉆頭工作層高度提出了15 mm的要求，盡量提高鉆頭的使用壽命，減少提鉆時(shí)間。同時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行排隊(duì)使用。

鉆頭平均壽命76.49 m。最高的202.5 m，最差的1.51 m，屬非正常使用，是在下鉆過程中遇掉塊掃孔造成的(詳見表5)。

3.5 低溫泥漿的配制、維護(hù)

3.5.1 低溫泥漿的配制

根據(jù)陸地凍土水合物鉆探特殊情況和以往千米以深深孔的施工經(jīng)驗(yàn)，選用了3種泥漿配方:

(1)CMC+PAM+皂化溶解油+氯化鈉無粘土乳化泥漿。具有攜粉、潤(rùn)滑、絮凝能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并具有一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是本次施工首選的主力類型，在正常施工中使用，它是通過調(diào)整CMC、PAM的含量來調(diào)節(jié)泥漿的性能，CMC膠液的比例要大于50%。氯化鈉的加入是為了有效的控制孔底水合物的分解。其加量是控制低溫泥漿冰點(diǎn)溫度的關(guān)鍵，通?？煽刂圃冢?0℃以下。

表5 鉆頭實(shí)際使用情況

(2)鈉土+CMC+改性石蠟?zāi)z液+防塌劑型低固相防塌泥漿。具有優(yōu)良的防塌降失水性能，還具有一定的潤(rùn)滑減阻功能，在水敏地層、易垮塌地層、泥加石地層等復(fù)雜地層中使用，在孔壁形成泥皮后再視情況逐漸調(diào)整到第一種泥漿類型。

(3)CMC+PAM+皂化溶解油+氯化鉀。氯化鉀的添加量要少于氯化鈉就能達(dá)到泥漿冰點(diǎn)零下的要求。但是氯化鉀的價(jià)格要高于氯化鈉(約4倍)。

3.5.2 低溫泥漿維護(hù)

(1)施工現(xiàn)場(chǎng)配備了2個(gè)容積3 m3的攪拌罐和一個(gè)3 m3的配藥罐，常備高濃度CMC膠液2 m3。

(2)機(jī)臺(tái)設(shè)專職泥漿工1人，負(fù)責(zé)泥漿的維護(hù)和處理、常規(guī)性能的測(cè)試、泥漿處理劑的配制，并經(jīng)常檢測(cè)泥漿的入井溫度≯2℃。

(3)現(xiàn)場(chǎng)要儲(chǔ)備足量的CMC、PAM、改性石蠟?zāi)z液、NV－1土、皂化溶解油、防塌劑和磺化瀝青、FA－368、HA－樹脂等泥頁巖抑制劑。

(4)根據(jù)進(jìn)尺和地層情況對(duì)泥漿進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，每進(jìn)尺50 m要更換1/3的泥漿量。

(5)根據(jù)環(huán)境溫度及時(shí)調(diào)整泥漿的冷卻溫度。

3.5.3 循環(huán)系統(tǒng)的布置

泥漿從孔內(nèi)流出經(jīng)過防噴器上出口，再通過密封管道流向1號(hào)箱(3 m3)，1號(hào)箱設(shè)有氣體分離器通向氣體分析室，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泥漿中甲烷氣體的含量。并且還設(shè)有2PN水泵進(jìn)行泥漿的除砂除泥處理。然后流向2號(hào)箱。在2號(hào)箱中設(shè)有BW150型污泥泵對(duì)沉淀的巖粉及時(shí)排除。在3號(hào)箱中對(duì)泥漿制冷然后進(jìn)入孔內(nèi)，同時(shí)該箱泥漿的溫度≯2℃。1～3號(hào)泥漿箱上部要有遮雨棚，防止陽光直接照曬、雨水侵蝕造成泥漿性能的改變。設(shè)有攝像頭可在操作平臺(tái)上看到泥漿的流出。在每一個(gè)泥漿箱上都有紅外線測(cè)溫儀，鉆參儀上可準(zhǔn)確反映體積的變化。

4 結(jié)語

(1)對(duì)陸地凍土水合物鉆探而言，快速高效取出原樣是重中之重，雖然目前國(guó)內(nèi)巖心鉆探取樣工具基本能夠滿足取樣的要求，但更可靠、更準(zhǔn)確的取樣工具還要投入科技力量。比如:研究利用氮?dú)?、干冰的揮發(fā)制冷性質(zhì)在地下直接將巖心凍結(jié)取出，做到更可靠、更準(zhǔn)確的取樣。

(2)甲烷氣體分離器報(bào)警系統(tǒng)是通過漫長(zhǎng)的沖洗液流動(dòng)攜帶和分離器分離輸送才能提示報(bào)警，不準(zhǔn)確、不及時(shí)。建議在鉆進(jìn)到可燃冰地層時(shí)利用局部揮發(fā)的甲烷氣體及時(shí)地傳送到地表，做到及時(shí)取樣和準(zhǔn)確取樣。

(3)國(guó)外研制并使用過的取樣(心)器有:活塞巖心取樣器(APC)、保壓巖心取樣器(PCS或PCB)和恒溫巖心取樣器。雖然他們?cè)趯?shí)際使用中有不盡如人意的地方，可以利用長(zhǎng)處、優(yōu)點(diǎn)改制成適應(yīng)凍土水合物鉆探取樣器。

(4)陸地凍土水合物鉆探施工不同于巖心鉆探，具有回次進(jìn)尺短、鉆進(jìn)時(shí)間短、鉆孔孔徑大、安裝防噴器、制造鉆井平臺(tái)、制冷系統(tǒng)耗電量大等特點(diǎn)。因此，應(yīng)該有單獨(dú)的施工規(guī)范和預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)。

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