于志堅,耿 印,于保國,布 凡,丁國東,劉 存,王 越
(河北省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質大隊,河北承德067000)
河北省御道口油頁巖礦區(qū)施工經(jīng)驗總結
于志堅*,耿 印,于保國,布 凡,丁國東,劉 存,王 越
(河北省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質大隊,河北承德067000)
油頁巖地層復雜,地質鉆探施工難度較大,孔壁不穩(wěn)定,坍塌、縮徑、漏失、掉塊事故時有發(fā)生。根據(jù)油頁巖多年施工經(jīng)驗進行總結,對油頁巖地層鉆井液的配制、使用及漏失防治進行總結,以供大家參考。
油頁巖地層;復雜地層;坍塌;縮徑;漏失防治;鉆井液配制使用
油頁巖又稱“油母頁巖”,屬非常規(guī)油氣資源,以資源豐富和開發(fā)利用的可行性而被列為21世紀非常重要的接替能源。
世界上油頁巖資源較多,但探明的不多,主要分布在美國、加拿大、俄羅斯和中國。我國查明的油頁巖資源儲量311.7×108t(地質部1980年發(fā)布表內(nèi)儲量),河北省查明油頁巖資源儲量1.14×108t,占全國第10位,產(chǎn)地6處,其中承德市5處,查明油頁巖資源儲量1.08×108t,可見承德油頁巖資源量位于河北省內(nèi)第一。
我單位地處承德市,對油頁巖的勘查占有得天獨厚的地理優(yōu)勢。單位1958年成立,針對油頁巖這一新能源礦種從未停止過勘查腳步,僅油頁巖鉆探施工工作量達到近2×104m。特別是自2006年國務院下達《關于加強地質工作的決定》以來,國家加大了地質投入,作為新能源的油頁巖勘查引起了國家重視。2012年承德圍場御道口油頁巖施工8個鉆孔總工作量7584.72m最深油頁巖鉆孔施工孔深1578.10m。
在油頁巖地層中多年的鉆探施工中,我單位積累豐富的施工經(jīng)驗,尤其是油頁巖深孔小口徑巖芯鉆探的施工。下面以御道口礦區(qū)情況實例總結如下,以供大家借鑒。
御道口礦區(qū)位于華北地臺北緣與內(nèi)蒙大興安嶺褶皺系銜接部位的褶皺系單元中,屬多倫復背斜(Ⅲ)的棋盤山中凹陷(Ⅳ)構造單元中。區(qū)域上出露的地層主要有少量的二疊系、廣泛發(fā)育的侏羅系、白堊系和第三系玄武巖及第四系覆蓋層。
二疊系地層主要為二疊系下統(tǒng),巖性為灰綠、灰白色砂巖、紫紅色砂礫巖、灰紫色粉砂質泥巖和黑色頁巖,厚度300m左右。
侏羅系以晚期張家口組地層為主。地層以中酸性火山巖和火山碎屑巖為主,還有少量沉積的砂巖、粉砂巖、礫巖等,產(chǎn)有珍珠巖礦和沸石礦。厚度200~600m。
白堊系大北溝組,由褐紅色安山巖和火山碎屑巖組成。厚度260~800m。
第三系地層為漢諾壩組玄武巖,共五期噴發(fā),近水平產(chǎn)出,覆蓋于白堊系和侏羅系地層之上。一般厚度50~700m。
第四系近代堆積多沿溝谷及山地緩坡發(fā)育,該區(qū)域風成含砂黃土層發(fā)育,沿河谷局部有風成砂。
在侏羅紀末白堊紀初,受燕山運動影響,侏羅紀部分盆地升起消失,部分繼承性發(fā)展成為白堊紀盆地。在白堊紀末期地殼升起,盆地抬升,在盆地邊緣生成北東向和北西向的斷裂。
御道口油頁巖礦區(qū)頁巖盆地為斷陷盆地,主要巖石包括油頁巖、安山巖、玄武巖、礫巖、含礫砂巖、粉砂巖和粘土巖等。本礦區(qū)易漏地層主要是由于玄武巖和安山巖內(nèi)部有杏仁狀氣孔結構,而且在巖層交界處有不同程度的裂隙和碎裂,導致御道口礦區(qū)鉆孔普遍存在漏水情況。在玄武巖下部有一個古風化帶容易漏失。油頁巖夾雜頁巖、粘土巖的地層都相對穩(wěn)定。本礦區(qū)的沉積巖地層不漏水,但是在沉積地層中容易出現(xiàn)坍塌掉塊,需要做好鉆井液護壁工作。
所以在油頁巖地區(qū)鉆探施工地層屬于復雜地層,最大的難題是:(1)孔內(nèi)孔壁失穩(wěn),坍塌、掉塊、縮徑等現(xiàn)象時有發(fā)生;(2)孔內(nèi)漏失水嚴重,頂漏鉆進事故風險增大。這就需要正確合理選擇使用泥漿,豐富的施工經(jīng)驗,確保鉆探滿足地質施工目的。
5.1 通過御道口礦區(qū)頁巖地層漏失及孔壁失穩(wěn)機理研究,確定主要解決方案為配制使用抑制性泥漿
油頁巖地層鉆井液配制抑制性泥漿的機理:
(1)選優(yōu)質土。由于水化效果好,粘土顆粒吸附了較厚的水化膜,泥漿體系中的自由水量大大減少,所以優(yōu)質土泥漿的失水量遠低于劣質土的。
(2)采取“粗分散”方法。使粘土顆粒適度絮凝,而非高度分散,從而使井壁巖土的分散性減弱,保持一定的穩(wěn)定性。
(3)添加降失水劑。通過增加水化膜厚度,增大滲透阻力、孔壁網(wǎng)架隔膜作用,可使失水量明顯減少。
(4)提高基液粘度。泥漿中的“自由水”實際上是濾向地層的基液,其粘度愈高,向地層中滲濾的速率就愈低。
(5)調整泥漿比重。平衡地層壓力孔內(nèi)液體壓力與地層中流體的壓力差是泥漿失水的動力,盡可能減少壓力差,維持平衡鉆進是減少鉆井液漏失的有效措施。
(6)利用特殊離子對地層的“鈍化”作用。一些特殊離子的嵌合作用可以加強粘土顆粒之間的結合力,從而使孔壁穩(wěn)定性提高。
(7)利用大分子鏈網(wǎng)在孔壁上的隔膜作用。泥漿中的大分子物質相互橋接,濾余后附著在孔壁上形成阻礙自由水繼續(xù)向地層滲漏的隔膜。
(8)利用微顆粒的堵塞作用。在泥漿中添加與地層空隙尺寸相配伍的微小顆粒,堵塞滲漏通道,降低漏失量。
(9)活度平衡。使鉆井液化學性質與地層化學性質相近,減少相互之間的物質擴散交換程度。
通過實驗室研究、礦區(qū)實踐驗證最終我們確定了選擇13403號進行野外鉆探施工。實驗室13403號的配方如下:加土量4%,加堿6%(粘土加量)處理后,加入CMC 0.1%、PHP0.15%、KHA4.0%,現(xiàn)場鉆井液的主要性能:漏斗粘度19~21,比重1.02~1.04,失水量7~9mL/30min。施工中鉆遇的破碎帶、坍塌、掉塊、遇水膨脹,剝落巖層10余層都起到了很好的抑制作用,取得較好的施工效果。
實踐證明該鉆井液適合于御道口油頁巖地層的鉆探施工。
5.2 加強鉆井液的現(xiàn)場使用方法管理
每個回次必須專人負責鉆井液的清理工作,用鐵鍬和笊籬撈取沉淀槽、沉淀坑及沉淀池中的泥沙。嚴格控制漿液中的有害固相,正常鉆進時一班清理巖粉2次,定期換漿。保障鉆井液的沉淀效果。
鉆井液粘度高時,不能直接加清水稀釋,應加入低粘度漿液或稀釋劑進行稀釋降粘。夏季做好漿液的防雨工作,嚴禁雨水流入泥漿中,稀釋鉆井液,改變鉆井液的性能。
按照已定的鉆井液類型配置泥漿,堅持每班檢測孔內(nèi)循環(huán)的漿液粘度、比重、失水量、泥皮厚度及質量、pH值,及時了解漿液變化情況,并記錄于現(xiàn)場漿液記錄表中。發(fā)現(xiàn)漿液性能參數(shù)明顯超出或低于設計要求,應及時用泥漿處理劑現(xiàn)場進行調整。
試驗礦區(qū)生產(chǎn)中對鉆井液補充。鉆進生產(chǎn)過程中,由于孔深不斷加大,鉆進的不斷進行,地層會不斷的變化,鉆井液也在不斷地消耗,為了保持正常鉆進,就必須不斷及時地對鉆井液量進行補充。當?shù)貙幼兓淮髸r,一般每個班次要向水源箱內(nèi)補充一定量同樣性能的鉆井液。鉆井液技術性能不產(chǎn)生大變化時不予調整,但每班要對鉆井液的主要性能進行測試。如地層變化較大,特別是鉆遇水敏地層時,除每班補充性能相同的沖洗液外,每班還要加大監(jiān)測頻率,發(fā)現(xiàn)鉆井液性能不能滿足鉆進需要時及時調整性能。一般情況下就是降低鉆井液的失水量,提高防坍塌性能。調整后的鉆井液性能一直要保持到鉆孔終孔。
5.3 加強施工組織管理的必要
油頁巖礦區(qū)鉆探施工地層屬于復雜地層,管理非常重要,好的效益是管出來的。
必須高度重視施工組織管理,配備了強有力的領導班子和技術力量,成立了專門管理機構,科學組織施工。健全組織,制定科學嚴謹?shù)牟僮饕?guī)程,規(guī)章制度。制度執(zhí)行時必須嚴格執(zhí)行,不能流于形式,不能講人情,做到公平合理。
鉆探施工中必須狠抓職工思想教育工作,統(tǒng)一職工思想,樹立大局意識。讓每一位職工都能認識到鉆探施工的意義和重要性。讓職工的思想全部凝聚到生產(chǎn)上來,心往一處想、勁往一處使。這樣可以提高職工的操作責任心,減少或避免發(fā)生孔內(nèi)事故。
2012年御道口礦區(qū)總工作量7584.72m,平均孔深948.09m。使用主要設備:
鉆機:XY-4型、XY-44型、XY-5型、XY-6B型
泥漿泵:BW-250型、BW-320型;
鉆塔:XG-17m、XG-23型四角管塔。
使用的鉆探工藝方法為金剛石繩索取芯鉆進,鉆孔口徑為?75mm。
表1 鉆機施工情況一覽表
以鉆孔ZK003號孔為例說明,鉆孔結構見圖1,采用四開井身結構,一開井徑?150mm,下入?146mm套管;二開井徑?127mm,下入?108mm套管;三開井徑?95mm,下入?89mm套管;四開井徑?75mm,終孔孔深為1578.10m。
圖1 鉆孔結構圖
施工過程中除泥漿使用外,所遇到的其他主要問題就是漏失嚴重。當鉆進至1053.60m時出現(xiàn)嚴重漏失,孔口返漿量時斷時續(xù)幾乎為零。頂漏鉆進11m后,考慮到鉆孔較深,頂漏鉆進時間過長十分危險,采取水泥灌孔封堵方法進行處理,經(jīng)過2次灌注取得較好效果。
水泥漿現(xiàn)場灌注過程中注意事項:
(1)要堅持在封孔段內(nèi)上下沖孔,慢速回轉鉆具,以清洗掉孔壁的泥皮,保持孔壁清潔,保證水泥與孔壁更好地膠結凝固。
(2)灌漿前要仔細檢查有關灌漿設備的完好性,確保灌漿過程中順暢不發(fā)生故障。
(3)灌漿時由機長現(xiàn)場統(tǒng)一指揮,人員分工明確,各有職責,相互配合,協(xié)作工作。爭取整個過程一氣完成不停頓。
(4)嚴格按規(guī)定的水灰比來配漿進行攪漿,現(xiàn)場使用自制1m3的泥漿攪拌機拌漿,將拌好的水泥漿經(jīng)過過濾網(wǎng)過濾后立即灌注,防止大塊物堵塞管路。
(5)將水泵水龍頭放入裝滿配置好的泥漿箱內(nèi)立即啟動泥漿泵送水泥漿。剛開泵時先打開水泵回水閥門,將吸水管及泵中的清水排出,待噴出水泥漿后再關閉回水閥將水泥漿送到待灌孔段。待泵吸水泥漿過程完后,立即將水龍頭放入準備好的替漿水桶中,開泵替漿。
(6)替漿完成后,提升鉆具速度要慢,過快則易發(fā)生抽吸作用而使整個灌注工作失敗。待提離注漿液面50m后才能加快提鉆速度,操作要穩(wěn),杜絕跑鉆事故發(fā)生。
(7)從水泥漿池內(nèi)取少量漿液裝入水瓶內(nèi)留作樣品,驗證孔內(nèi)水泥凝固情況。水泥不能完全凝固時掃孔起不到護壁堵漏作用,水泥過硬給掃孔增加難度,一方面掃水泥時間較長,另一方面由于水泥過硬很容易掃偏造成孔內(nèi)事故。
巖芯采取率及鉆孔彎曲度:
(1)巖芯采取率:8個鉆孔巖芯采取率全部在96.8%以上。ZK003孔全孔巖芯采取率為99.4%。
(2)彎曲度及測量:御道口礦區(qū)的鉆孔均為直孔,采用JTC-1型動調陀螺儀每百米測量一次,傾角角度在允許誤差范圍之內(nèi),終孔位置均不超過勘探線間距1/4。完全滿足地質設計要求需要。
總之,油頁巖地層的勘查施工,地層一般為沉積巖,地層結構相對比較復雜,漏失、坍塌、掉塊的孔內(nèi)事故比較普遍,在施工過程中必須注意泥漿的使用,根據(jù)不同的地層選擇相應的泥漿,同時要加強技術和組織管理,以確保施工正常順利實施。地層情況是千變?nèi)f化的,同一礦區(qū)不同鉆孔地層變化也是有很大的區(qū)別。一定要根據(jù)實際情況,具體分析,切不可生搬硬套。
TD83
B
1004-5716(2015)02-0101-04
2014-03-12
2014-03-13
于志堅(1977-),男(滿族),河北平泉人,工程師,現(xiàn)從事鉆探技術施工與管理工作。