陳鑫發(fā),牛建設
(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院,鄭州450053)
本文以云南騰沖科鉆項目為例,闡述如何在設備、機具選型結(jié)合國家節(jié)能減排,如何進行施工操作。巖心鉆探多采用小口徑巖心(固體)鉆探,因廣泛利用繩索取心技術(shù),效率較高,在小于1000m鉆孔內(nèi)施工具有明顯的優(yōu)勢。但鉆孔較深或口徑有特別要求取心時(如科學鉆探、鹽礦鉆探、頁巖氣鉆探等),小口徑鉆探設備及工藝則很難快速完成設計要求;而石油、地熱、頁巖氣、巖鹽(堿)、煤和水文水井等大型鉆探設備具有動力大、回轉(zhuǎn)提升和鉆探深度能力高、適應性強等特點。作者結(jié)合兩種類型設備的優(yōu)點,采用石油鉆井和取心鉆探新技術(shù),在沉積地層中采用水井用φ89mm鉆桿+其他附助鉆井及取心機具成功快速完成了大口徑深部鉆探和取心,取得了較好的效果,大大減少不必要的水電消耗,縮短施工周期,為以后從事超深部取心設備機具的選配提供了參考依據(jù)。
云南省騰沖國家火山地質(zhì)公園位于云南省騰沖縣北部,項目編號GTZY2011-002,ZK3鉆孔設計孔深2000m,實際孔深1360m(已經(jīng)達到科研的目的),全孔取心。該孔是我院2012年完成的一口采用大口徑水井鉆井新技術(shù)方法,在沉積凹陷盆地層中成功完成了大口徑深部鉆探和取心,探索出一種高效、低耗的深部快速鉆探技術(shù)方法,取得了較好成效,為沉積地層大口徑深部鉆探工程提供了示范。按設計要求,為了節(jié)約上部實際鉆進的工作時間,快速完成上部的任務,且不能影響取心,根據(jù)傳統(tǒng)的巖心鉆探通常采用小環(huán)空間隙(2~3mm)金剛石繩索取心鉆進的優(yōu)點,同時結(jié)合水文地質(zhì)、地熱、石油等鉆探實現(xiàn)快速鉆井的理念,采用大泵量、高泵壓、適當?shù)沫h(huán)空間隙。針對這種狀況,我們選配了較為合理的鉆機、取心鉆桿、取心鉆具、取心鉆頭等施工設備。
一開、二開、三開和四開為正循環(huán)取心鉆進。
其鉆具組合為:
一開(0.00~20m)鉆具組合方案為:
(1)φ152mm金剛石取心鉆頭+短川6-3取心筒+φ121mm鉆鋌+φ89mm鉆桿+133×133mm主動鉆桿。
(2)然后用擴孔鉆具組合:φ300mm擴孔錘頭+FWC250潛孔錘(外徑220mm)+φ273mm取粉管+φ89mm鉆桿+133×133mm主動鉆桿。
二開(20~600m)鉆具組合方案為:
(1)φ152mm金剛石取心鉆頭+加長川6-3取心筒+φ121mm鉆鋌+φ89mm鉆桿+133×133mm主動鉆桿。
(2)φ250mm 擴孔錘頭+C200潛孔錘(外徑185mm)+φ219.1mm取粉管+φ89mm鉆桿+133×133mm主動鉆桿。在巖心質(zhì)量保證前提下優(yōu)先采用。
(3)φ216mmPDC取心鉆頭++短川8-3取心筒(外徑180mm、取心直徑105φmm)+C200潛孔錘(外徑185mm)+φ178mm取粉管+φ89mm鉆桿+133×133mm主動鉆桿。
(4)最后用擴孔鉆具組合:φ250mm擴孔錘頭+C200潛孔錘(外徑185mm)+φ219.1mm取粉管+φ89mm鉆桿+133×133mm主動鉆桿
三開(600~1210m)鉆具組合采用兩套方案:
(1)φ200mmPDC鉆頭或金剛石取心鉆頭+短川8-3取心筒+YZX165液動潛孔錘+5LZ156X7Y螺桿+φ159mm鉆鋌+φ89mm鉆桿+133×133mm主動鉆桿。
(2)φ200mmPDC鉆頭或金剛石取心鉆頭+長川8-3取心筒+YZX165液動潛孔錘+5LZ156 X7Y螺桿+φ159mm鉆鋌+φ89mm鉆桿+133×133mm主動鉆桿。
四開鉆具組合(1210~2000m)采用兩套方案:
(1)φ152mm金剛石取心鉆頭+短川6-3取心筒+YZX127液動潛孔錘+5LZ120X螺桿+φ121mm鉆鋌+φ89mm鉆桿+133×133mm主動鉆桿。
(2)φ200mmPDC鉆頭或金剛石取心鉆頭+長川6-3取心筒+5LZ120螺桿+φ121mm鉆鋌+φ89mm鉆桿+133×133mm主動鉆桿。
由于該井屬于科研勘探和鉆探開發(fā)“探采結(jié)合井”。所以,根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、工程和取心特點,將該孔設計為四開井身結(jié)構(gòu)(表1)。其中,一開、二開、三開、四開(0~2000m)均為取心鉆進段。
表1 井身結(jié)構(gòu)及套管程序
根據(jù)工程項目的要求、工作的思路并針對設備參數(shù)性能特點,選取的主要鉆探設備包括鉆機、鉆塔、泥漿泵和固相控制設備。
3.1.1 GZ-3000型鉆機
選擇石家莊煤礦機械有限公司生產(chǎn)的鉆機,其技術(shù)參數(shù)見表2。
表2 GZ-3000型鉆機性能參數(shù)
3.1.2 鉆塔
選擇寶雞通用石油機械有限公司人字A型鋼架結(jié)構(gòu)鉆塔,其技術(shù)參數(shù)見表3。
表3 鉆塔主要技術(shù)參數(shù)
3.1.3 泥漿泵
泥漿泵配備2臺,分別為張家口中地裝備探礦工程機械有限公司生產(chǎn)的BW-1200型泥漿泵(圖1)和青州石油機械廠有限公司生產(chǎn)的QZ3NB-500型泥漿泵(圖2),其技術(shù)參數(shù)見表4。
圖1 BW-1200型泥漿泵
圖2 QZ3NB-500型泥漿泵
表4 泥漿泵技術(shù)參數(shù)
3.1.4 空氣壓縮機
空壓機選用英格索蘭電驅(qū)動高壓空氣壓縮機,技術(shù)參數(shù)見表5。
表5 RHP825E空壓機性能參數(shù)
3.1.5 固相控制設備
固相控制采用三級固相控制:多極分離的振動篩、旋流除砂器以及離心機。
3.2.1 鉆桿選擇
使用石油φ89mm石油厚壁無細扣鉆桿;取心階段(0~1360m)使用河北石探機械制造有限責任公司生產(chǎn)的加強型φ89mm無細扣鉆桿,φ73mm石油厚壁無細扣鉆桿為備用,其參數(shù)見表6。
表6 取心鉆桿規(guī)格特點
3.2.2 取心鉆具選擇
全孔中選用了取心筒、液壓馬達、氣動潛孔錘、液動潛孔錘、PDC合金鉆頭
由于該鉆孔采用較大泵量的泥漿泵,為減少取心鉆具內(nèi)流體阻力,鉆頭類型的選擇對鉆井速度影響很大,往往由于鉆頭選型不當,使得鉆井速度慢、成本高。正確的選擇鉆頭,一方面應對現(xiàn)有鉆頭的結(jié)構(gòu)、工作原理了解清楚;另一方面還應對所鉆地層巖石物理機械性能有充分認識。鉆頭特性與地層性質(zhì)的合理匹配時鉆頭選擇的基本出發(fā)點。
3.3.1 具體選擇鉆頭時應考慮的因素
淺井段,由于巖石膠結(jié)疏松,宜選擇能取得高鉆速的鉆頭;深井段,由于起下鉆時間長,據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計3000m鉆深的井,起下鉆時間占鉆井總時間的8%,而5000m深的井,起下鉆時間占鉆井總時間的16.5%。因此選用能獲得較高進尺指標的鉆頭;在軟及非研磨性地層,如塑性的沉積巖地層、頁巖、石灰?guī)r和軟砂巖宜選用PDC鉆頭;若出井鉆頭外排齒磨損嚴重,應選用保徑齒鉆頭;對易產(chǎn)生井斜的地層,選用滑動量小,無保徑齒及齒多且齒短的鉆頭;地層巖性主要為頁巖時,選用楔形齒鑲硬質(zhì)合金鉆頭;地層巖性為灰?guī)r時,選用拋物體形或雙錐形齒鉆頭;地層巖性為硬的研磨性灰?guī)r、白云巖、燧石、石英時,選用無移軸或雙錐齒(或球齒形)鉆頭。
3.3.2 鉆頭選型
國內(nèi)應用較為成熟的金剛石取心鉆探工藝需要較高的轉(zhuǎn)速。而對于水文水井或石油鉆機,其轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速較低,采用金剛石回轉(zhuǎn)鉆進時不能滿足鉆頭所需的較高線速度。所以,在以泥頁巖為主的沉積地層,設計鉆頭時宜用底噴式、PDC復合片鉆頭。
PDC鉆頭(Polycry Stalline Diamond Compact Bit)是將聚晶金剛石復合片與硬質(zhì)合金齒柱結(jié)合成切削元件鑲裝在鋼體或胎體上,其特點是不需要較高的轉(zhuǎn)速,且成本低、效率高。
而取心鉆進全部采用取心主要使用φ152mm、φ200mm、φ216mm PDC 底噴式取心鉆頭(內(nèi)徑φ75mm),生產(chǎn)廠家分別選用了無錫鉆探工具廠和武漢萬邦鉆頭。鉆頭設計制造時注意復合片全出露(見圖3、4、5)。以便增大過水面積,及時排渣,達到提高鉆進效率、防止燒鉆事故和非正常損壞、提高鉆頭使用壽命之目的。
圖3
圖4
圖5
根據(jù)不同地層特地點,有針對性選擇合適的、鉆進過程中穩(wěn)定性鉆頭,會大大提高鉆效,提高進尺效果,同時提高鉆頭使用壽命,提高鉆頭的碎巖能力,滿足快速鉆進及取心的要求。
通過在深部沉積地層大口徑取心技術(shù)的試用,取得了以下成果:
(1)在巖心鉆探領(lǐng)域引進石油鉆井理念,對今后深部巖心鉆探工程,針對不同地層和要求,采用多工藝、復合鉆探方法,在大口徑超深孔鉆探時,合理選配施工設備和鉆井機具,采用石油鉆井和取心工藝將會達到“優(yōu)勢互補、取長補短”、高效鉆探之目的。實踐證明具有安全可靠、勞動強度低、效率高等優(yōu)點。
(2)通過大口徑鉆探取心鉆具和水源鉆機的組合,在沉積水溶性地層2000m以深實現(xiàn)了大口徑連續(xù)取心,巖心采取率平均高達93%,且?guī)r心和鉆孔質(zhì)量均滿足地質(zhì)要求。通過增加鉆具和孔壁的環(huán)空間隙,采用小鉆壓、大泵量、低轉(zhuǎn)速規(guī)程,可以提高鉆井液的上返速度,從而避免了巖屑的重復破碎,提高鉆探效率。
(4)針對不同地層和現(xiàn)場試驗,在復雜的沉積地層中鉆井取得了較好成效,提升鉆具阻力和埋鉆事故及孔內(nèi)扶正器、停泵時間、泥漿性能等有關(guān)。
(5)為在孔內(nèi)形成巖屑的體積破碎和提高上返速度,采用“大排量、低轉(zhuǎn)速、小鉆壓”規(guī)程和增加繩索取心內(nèi)外管間隙等技術(shù)措施,實現(xiàn)了快速鉆探預期目標。復雜鉆孔結(jié)構(gòu)的情況下,能夠?qū)崿F(xiàn)正常鉆進和取心,為今后頁巖氣鉆探、科學鉆探和深部鉆探工程提供了示范。
(6)更重要的是經(jīng)過多個鉆探施工項目,在設備機具選型中充分考慮低碳發(fā)展的重要性,通過對施工方式、鉆探技術(shù)工藝創(chuàng)新與合理的應用,完全符合當前國家發(fā)展戰(zhàn)略的要求,與國際社會推動經(jīng)濟社會綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展相吻合,鼓勵我們在設備施工使用上不斷改變觀念,在設備應用上多思考節(jié)能減排技術(shù)的創(chuàng)新、使新技術(shù)、新工藝不斷更新并不斷推廣與應用,為“美麗中國、低碳發(fā)展”增加一點綠色。
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