陳師遜，宋世杰

(1．山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東煙臺264004;2．山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，山東濟南250013)

“中國東部海區(qū)科學鉆探工程”是大陸架科學鉆探項目的一部分，隸屬國家海洋地質(zhì)工程專項，是我國專門為海洋大陸架研究實施的第一口科學鉆探深井。鉆探目的是獲取我國東部海區(qū)完整的新近系地層記錄，建立南黃海中部隆起新近紀以來的地層格架，為研究南黃海新近系以來的高分辨率地層層序、沉積歷史、海平面變化和古氣候變化、油氣賦存條件和特征等提供基礎(chǔ)資料;同時，對深入研究晚上新世以來中國(亞洲)東部宏觀環(huán)境演化、亞洲內(nèi)陸干旱化的耦合關(guān)系以及黃河巨型水系發(fā)育、解決制約對南黃海中部隆起海相殘留盆地長期懸而未決的地層屬性問題等重大科學問題奠定基礎(chǔ)。

1 概述

1．1 地理位置

中國東部海區(qū)科學鉆探工程(CSDP－02孔)位于我國南黃海海域，距離最近的海岸線約100 km，位于連云港以東約170 km、射陽河口東北約110 km位置(見圖1)，井位處海水深度22～25 m。

1．2 工程要求

地質(zhì)設(shè)計要求孔深2000 m，終孔直徑≮95 mm;全孔巖心采取率≮85%;巖心直徑≮60 mm;終孔孔斜頂角≯10°;全孔最大狗腿度≯2°/30 m。

圖1 CSDP－02孔位置圖

1．3 地層條件

根據(jù)多道地震等相關(guān)地質(zhì)資料推斷，預(yù)測該區(qū)地層巖性情況如圖2。

2 鉆井平臺選擇

海上鉆探施工首先面臨鉆井平臺的選擇，選擇平臺要根據(jù)工程需要、環(huán)境條件、安全和經(jīng)濟等因素。我國石油鉆探平臺相對成熟，但石油平臺使用成本高，經(jīng)費受到限制，而且龐大的平臺規(guī)模對淺海域巖心鉆探也是浪費。用于工程巖心鉆探的平臺多用于淺鉆施工，難以滿足大陸架科學鉆探的需要。

圖2 CSDP－2孔地層巖性預(yù)測圖

針對“中國東部海區(qū)科學鉆探工程”項目的具體情況和井場調(diào)查了解到的海底地層狀況，結(jié)合山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院在其他海域進行地質(zhì)巖心鉆探施工積累的經(jīng)驗，確定自行設(shè)計和加工適合大陸架科學鉆探需要的插樁式海上鉆井平臺如圖3所示。平臺由甲板、樁腿、四套液壓升降裝置等組成。甲板由24只獨立箱體通過連接機構(gòu)拼裝而成，見圖4，樁腿采用鋼管樁，直徑1 m，法蘭聯(lián)接。

圖3 鉆探平臺立面示意圖

該鉆探平臺甲板面積756 m2，可浮在水面上，安裝時先將樁腿用振動器打入海底，甲板通過4個角樁的液壓升降系統(tǒng)提升至距離海平面10～14 m，防止潮汐和海浪對甲板的影響。平臺不但要滿足2500～3000 m鉆孔施工能力，還要滿足大陸架科學鉆探試驗、辦公、人員食宿等需要。

圖4 鉆探平臺平面示意圖

3 鉆孔結(jié)構(gòu)

由于科學鉆探具有很強的探索性，無法提供詳細的鉆前資料。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計必須注重孔內(nèi)安全和鉆探成本2個因素，要留有足夠的下套管口徑以備封隔復(fù)雜地層。

為保證能順利鉆達設(shè)計孔深，采用在鉆孔結(jié)構(gòu)中備用一級口徑以解決鉆探中可能出現(xiàn)的各種復(fù)雜性問題。除表層套管下深基本確定外，168、140 mm套管下深都不太確定，只是依據(jù)地層資料估計，具體下深多少，要依據(jù)現(xiàn)場施工的具體情況來定。初步設(shè)計如圖5所示，如果地層穩(wěn)定性好，本科學鉆探孔有可能進行超長裸眼鉆進，用122 mm孔徑直接終孔即可。這樣就節(jié)省了時間和套管用量，但如果遇到復(fù)雜地層很難鉆進至終孔時，將下入114 mm套管護孔，再換用96 mm口徑繩索取心鉆進至終孔。

圖5 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

套管程序見表1。

4 鉆進工藝

4．1 鉆進方法

表1 套管程序

根據(jù)地質(zhì)條件和孔徑，采用上部提鉆取心，下部繩索取心鉆進形式。

首先用震動和壓入的形式將隔水管壓入海底一定深度。下入隔水套管有2方面的作用:一是減小環(huán)空間隙，提高環(huán)空中的泥漿上返流速，改善鉆孔的清潔條件;二是改善鉆柱的穩(wěn)定條件，減輕鉆柱受到的復(fù)雜載荷作用，減少斷鉆桿的機率。

三開、四開采用鉆頭加大至上一級口徑的繩索取心鉆進工藝。如三開采用P系列繩索取心鉆桿柱及其配套機具，鉆頭采用150 mm口徑;同樣四開采用H口徑繩索取心配套機具，而鉆頭口徑加大至122 mm，為了鉆具扶正和提高強度，鉆具外管(包括擴孔器、彈卡室、彈卡擋頭等)采用特種厚壁外管。

三開、四開采用加大一級口徑的優(yōu)點:(1)增大環(huán)空間隙，改善鉆孔的壓力平衡條件;(2)使套管增大一個口徑級別，為施工儲備一級口徑;

(3)有利于鉆鋌的使用，實施孔底加壓，保障鉆孔垂直度;

(4)避免了環(huán)狀間隙小帶來的不利影響，改善鉆柱的穩(wěn)定條件，防止粘附卡鉆。

4．2 鉆頭

根據(jù)鉆孔所遇地層巖石的可鉆性、研磨性和破碎程度等情況，確定使用硬質(zhì)合金、復(fù)合片和孕鑲金剛石鉆頭，其主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)符合如下要求。

(3)鉆頭水口、水槽的設(shè)計應(yīng)考慮泥漿沖洗液和保護巖心的作用，適當加大水口、水槽斷面，增加水口、水槽數(shù)量，以減少流通阻力，保證鉆頭得到充分的冷卻，同時要避免沖洗液直接沖刷巖心和地層，采用底噴式和前噴式。

4．3 鉆桿柱

4．3．1 繩索取心鉆桿

本工程采用的繩索取心鉆桿有P、H兩種規(guī)格，由于鉆孔深度大和鉆頭直徑大，因此繩索取心鉆桿強度必須滿足要求，為此采用加強型即接頭部分加厚處理的鉆桿。鉆桿主要參數(shù)見表2。

表2 繩索取心鉆桿參數(shù) /mm

4．3．2 薄壁鉆鋌

為了保障鉆孔垂直度，防止由于孔口加壓使鉆桿柱彎曲造成孔斜，本工程采用孔底鉆鋌加壓的形式。為滿足繩索取心鉆進要求內(nèi)徑較大，采用特制的薄壁鉆鋌。薄壁鉆鋌要求外徑小于鉆頭外徑而內(nèi)徑不小于繩索鉆桿最小內(nèi)徑，采用140 mm×18 mm和114 mm×17 mm兩種薄壁鉆鋌，分別用于三開和四開的繩索取心鉆進。

4．3．3 緩沖變徑鉆桿

為了減輕鉆鋌與繩索鉆桿連接時由于直徑變化大造成應(yīng)力集中，二者之間加設(shè)一根中間直徑的鉆桿作緩沖變徑鉆桿。即三開時140 mm鉆鋌與114 mm鉆桿間加接一根長6 m的127 mm鉆桿，四開時114 mm鉆鋌與91 mm鉆桿間加接一根長6 m的104 mm鉆桿。

4．3．4 鉆桿扶正短接

為防止繩索取心鉆桿與孔壁間隙大造成鉆桿彎曲量大發(fā)生斷鉆桿事故，繩索取心鉆桿每30～50 m接一根與鉆鋌直徑相當?shù)亩蹄@桿作為扶正短接。

5 取心技術(shù)

本科學鉆探工程要求全孔取心，巖心不擾動，采取率高，而地層條件又十分松散復(fù)雜，因此取心是一個難題。為此常規(guī)鉆探取心不滿足要求時，采用特殊取心工具。

5．1 半合管(三層管)鉆具

半合管式內(nèi)管鉆具是雙級單動機構(gòu)的雙層巖心管鉆具。用于上覆蓋層基巖復(fù)雜地層巖心鉆探，巖心采取率可達95% ～100%，而且可以取得松散、破碎地層的原結(jié)構(gòu)柱狀巖心。

圖6為半合管下部結(jié)構(gòu)，內(nèi)管兩端車有公螺紋，沿軸向外表面加工有多道深為0.75 mm的凹槽，在此三道凹槽內(nèi)用具有一定抗拉強度的耐水膠帶(玻璃纖維帶)將兩根半合管粘結(jié)緊固成一根整管，使用一個內(nèi)管接頭將其連接在內(nèi)管的下端。

圖6 半合管鉆具下部結(jié)構(gòu)示意

由于這種鉆具的鉆頭內(nèi)徑與普通繩索取心鉆具的鉆頭內(nèi)徑相同，因此可以和普通繩索取心鉆具的內(nèi)管總成互換使用，而且可以根據(jù)所鉆地層的軟硬和破碎程度，配備普通卡簧，也可使用采用攔簧。由于攔簧對巖心管的封閉性較普通卡簧更可靠，鉆進破碎巖礦層時，可以一定程度上提高巖心采取率。將裝滿巖心的內(nèi)管總成撈取上來后，卸開半合管兩端的內(nèi)管接頭和卡簧座，用刀具切開耐水膠帶，掰開半合管，即可獲得與地層結(jié)構(gòu)大致相同的巖心。此種方法采取的巖心便于地質(zhì)人員觀察和分析。

5．2 超前管鉆具

超前管鉆具是將上述鉆具的卡簧座以下部分再連接超出鉆頭部分的超前管(如圖7所示)，使內(nèi)管超前20～25 mm，鉆進時依靠軸向壓力切入巖層。此種超前管用于上部鉆進厚度較大的無硬夾層的松軟層，可以防止沖洗液對巖心的沖蝕，而且可以避免由沖洗液的壓力造成的巖心擠壓和磨損現(xiàn)象，從而提高巖心采取率。

圖7 超前管鉆具下部結(jié)構(gòu)示意

5．3 底噴或側(cè)噴鉆頭

底噴鉆頭是改變沖洗液流經(jīng)鉆頭底面的位置，防止沖洗液對巖心的沖刷，有利于提高巖心采取率。

5．4 壓入或沖擊式鉆具

對強度很低的土層，根據(jù)情況可采用壓入或打入式取心，每個回次，先將鉆具下放到孔底，通過上部加壓或錘擊，將取心鉆具壓入土層，投入鋼球，隔離鉆桿內(nèi)沖洗液，提鉆取心。

6 沖洗液

6．1 基本要求

(1)用海水配制沖洗液，要提供有效的處理劑減小海水中的各種電解質(zhì)對沖洗液性能的破壞。

(2)上部砂泥質(zhì)沉積物較軟、疏松，易產(chǎn)生孔壁坍塌，應(yīng)注意保持沖洗液的粘度和密度。

(3)泥巖地層，要考慮分散造漿問題，選用低失水、低摩阻及抑制能力強的鉆井液;泥頁巖、炭質(zhì)泥巖易坍塌，應(yīng)加強沖洗液的抑制及封堵防塌能力。

(4)碳酸鹽巖地層，地層破碎和裂隙發(fā)育也比較常見。鉆遇破碎地層應(yīng)密切關(guān)注鉆井液密度，加強封堵;鉆遇裂隙發(fā)育地層，應(yīng)做好防漏堵漏措施。

(5)全孔采用較大孔徑的繩索取心鉆具，沖洗液在鉆桿內(nèi)的流動速度低，很容易發(fā)生鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮現(xiàn)象，沖洗液應(yīng)盡可能保持較低的固相含量、良好的流變性能和潤滑性能。

6．2 沖洗液體系

(1)一開、二開沖洗液。

采用海水－膨潤土鉆井液。要求配制快捷，凈化能力好，能支撐上部疏松地層。泥漿材料主要為:海水、燒堿、純堿、鈉膨潤土、抗鹽GTQ等。

(2)三開、四開沖洗液。

對于地層水敏性相對較弱、滲透性強及地層穩(wěn)定性較差的孔段，采用海水低固相聚合物沖洗液，泥漿材料主要為:海水、燒堿、純堿、鈉膨潤土、抗鹽GTQ、降失水劑(GPNA)、接枝淀粉(GSTP)、包被劑(GBBJ)等。對于地層水敏性強的孔段，采用海水鉀基聚合物防塌沖洗液，泥漿材料主要為:海水、燒堿、純堿、鈉膨潤土、抗鹽GTQ、降失水劑(GPNA)、低粘纖維素(LV－CMC)、包被劑(GBBJ)、氯化鉀等。

該孔段要及時根據(jù)地質(zhì)預(yù)測的地層壓力調(diào)整沖洗液密度，如鉆遇高壓油氣層，按實際情況用重晶石加重泥漿壓井，甚至用水泥封井。

(3)五開沖洗液。

若地層穩(wěn)定性較好，采用海水無固相聚合物沖洗液。若地層穩(wěn)定性較差，采用海水低固相聚合物防塌沖洗液。

6．3 沖洗液維護處理措施

(1)一開、二開孔段。

重點預(yù)防地層疏松導(dǎo)致孔壁坍塌，采用海水－膨潤土稠泥漿。

向海水中加入燒堿和純堿處理后，加入需要量的膨潤土，充分預(yù)水化后，再加入抗鹽GTQ提高鉆井液的粘度，性能達到設(shè)計要求方可。若地層松軟，提高膨潤土的加量和泥漿粘度。

(2)三開、四開孔段。

鉆遇主要地層為砂質(zhì)泥巖沉積物、砂泥巖互層和碳酸鹽。重點是砂質(zhì)泥巖沉積物、水敏性泥巖及破碎的砂巖和碳酸鹽等，應(yīng)注意預(yù)防縮徑、坍塌掉塊和漏失。

按配方配制基漿，加入抗鹽GTQ提高泥漿粘度;加入降失水劑(GPNA)和接枝淀粉(GSTP)降低沖洗液的濾失量;加入包被劑(BBJ)絮凝和包被巖屑，抑制巖屑分散，利于地表固相控制。若鉆進較軟的砂泥質(zhì)沉積物，若地層不穩(wěn)，及時添加加重材料提高鉆井液的密度。鉆遇滲透性強的砂巖、砂質(zhì)泥巖等地層時，及時添加防塌型隨鉆堵漏劑進行封堵。若鉆遇強水敏性地層，向鉆井液中補加LV—CMC，并添加氯化鉀，將其轉(zhuǎn)化為海水低固相鉀基聚合物沖洗液。

(3)五開孔段。

鉆遇主要地層為碎屑巖和碳酸鹽。重點預(yù)防膠結(jié)性差的碎屑巖和破碎的碳酸鹽的坍塌、掉塊以及地層漏失。

若地層完整，按海水無固相聚合物沖洗液配方配制，加入抗鹽GTQ提高鉆井液的懸浮和攜帶能力。確保水解聚丙烯酰胺(PHP，也可以采用包被劑BBJ)在沖洗液中的含量，提高沖洗液的粘度、潤滑性和其對巖屑的絮凝和包被作用。松散、破碎地層時加入聚乙烯醇護壁。若鉆遇膠結(jié)性差的地層，或地層地應(yīng)力較大，將預(yù)先配置好的膨潤土含量較高的泥漿加入到上述無固相泥漿中，依據(jù)孔壁穩(wěn)定需要調(diào)節(jié)泥漿的密度，并添加封堵材料?？杉尤霕O壓潤滑劑(GLUB)，以降低扭矩。

7 其它

本大陸架科學鉆探區(qū)域地層資料少，研究項目多，施工中還存在固井、井控、測錄井等技術(shù)，由于地質(zhì)巖心鉆探中很少遇到，在此也不作討論。

8 結(jié)語

隨著我國海洋戰(zhàn)略的實施，海底地層的研究和開發(fā)將越來越被重視，海上地質(zhì)巖心鉆探有很大的發(fā)展前景，而到目前海上地質(zhì)巖心深孔鉆探的工程不多，沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒，需要我們不斷摸索和總結(jié)。中國東部海區(qū)科學鉆探的技術(shù)方案也需要在施工中不斷修正和完善，本文只是作為探索性設(shè)計，并不是結(jié)論和成果。

［1］ 王達，等．中國大陸科學鉆探工程科鉆一井鉆探工程技術(shù)［M］．北京:科學出版社，2007

［2］ 王達，何遠信，等．地質(zhì)鉆探手冊［M］．長沙:中南大學出版社．2014．

［3］ 陳師遜，楊芳．海上工程平臺的設(shè)計與應(yīng)用分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(4):46 －50．

［4］ 陶士先，陳禮儀，單文軍，等．汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD－2孔鉆井液工藝研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)．2012，39(9):45 －48．

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