張秋冬，邢向渠，李利彬，嚴珊珊

(河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南　450053)

東濮凹陷鹽礦普查區(qū)ZK0403孔鉆探工藝

張秋冬，邢向渠，李利彬，嚴珊珊

(河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南450053)

摘要：：東濮凹陷是一個以中、古生界地層為基底，新生界地層為蓋層，多沉積韻律的新生帶含鹽盆地，地層復(fù)雜。某鹽礦普查區(qū)為了獲取較詳細的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)，了解本區(qū)鹽礦床的賦存情況、巖鹽特征、空間分布規(guī)律等，在該礦區(qū)不同區(qū)域設(shè)計鉆孔若干。ZK0403孔是其中深度最大、取心工作量最多的一個勘探孔。特別是該孔要鉆遇連續(xù)近200m的巖鹽地層，在東濮凹陷地層壓力梯度大等復(fù)雜地質(zhì)條件下，長時間裸眼取心鉆進，對鉆井液的要求非常高。本文結(jié)合該孔施工面對的實際情況，對鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆井工藝、鉆井液工藝、取心技術(shù)等關(guān)鍵工藝進行了較詳細的介紹。

關(guān)鍵詞：普查；巖鹽礦；鉆探；工藝

中圖分類號：P634.52

文獻標識碼：A

文章編號：1009-282X(2015)06-0038-04

收稿日期：2015-10-10

作者簡介：張秋冬(1972-)，男，漢族，河南新安人，探礦工程專業(yè)，河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院高級工程師，主要從事科學(xué)鉆探、鹽井、地熱井及水平定向?qū)泳茹@探技術(shù)管理與科研工作，河南省鄭州市南陽路56號，E-mail：zqd1030@sina.com。

0前言

ZK0403孔位于河南省濮陽縣境內(nèi)。井別：勘探井，井型：直井，設(shè)計井深：3600m。鉆探目的：(1)獲取該孔基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)，了解本區(qū)鹽礦床的賦存情況、鹽巖特征等。(2)通過取心鉆探、地質(zhì)錄井、測井、試驗等直接和間接資料，以便進一步研究鹽層的空間分布規(guī)律。(3)檢驗地質(zhì)模型，深化對本區(qū)鹽巖礦床分布特征的認識。

1地質(zhì)概況

東濮凹陷是一個以中、古生界地層為基底，新生界地層為蓋層，多沉積韻律的新生帶含鹽盆地。第三系地層在其沉積序列上突出兩期大的沉積旋回，即沙四段—沙三段—沙二下，沙二上—沙一段—東營組，第一旋回較第二旋回規(guī)模要大，兩個旋回沉積地層的顏色均呈紅—灰—紅的變化規(guī)律，而幾套鹽層大都發(fā)育在灰色地層中，紅層中少見，僅在個別地區(qū)發(fā)現(xiàn)沙二上亞段有泥膏鹽沉積。

ZK0403孔位于東部洼陷帶前梨園洼陷。東部洼陷帶是東濮凹陷最重要的沉積洼陷，是主要的成鹽中心。鉆孔自上而下鉆遇地層為：新生界第四系平原組，上第三系明化鎮(zhèn)組、館陶組，下第三系東營組，沙河街組的沙一段、沙二段地層。具體地層情況見表1。

表1　鉆孔地質(zhì)分層一覽表

3鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)鉆遇地層情況，第四系平原組地層較松散，為了保證長裸眼鉆孔的穩(wěn)定性，為長井段取心準備，并考慮到勘探孔的性質(zhì)，終孔水泥封孔，降低生產(chǎn)成本，不下入生產(chǎn)套管，鉆孔設(shè)計為二次開鉆。兩次開鉆層位為：一開鉆穿新生界第四系平原組，下套管固井；二開鉆至設(shè)計孔深層位完鉆。鉆孔結(jié)構(gòu)及套管程序如表2。

表2　鉆孔結(jié)構(gòu)及套管程序

4主要設(shè)備及工具

4.1　主要設(shè)備

根據(jù)鉆孔深度及地層特點，選擇的主要鉆探設(shè)備為：ZJ40鉆機、F-1300鉆井液泵、TSZY280B-3P振動篩、ZQJ300×2除砂器、ZQJ100×10除泥器、LW450-900N離心機等。

4.2　主要鉆探工具

主要鉆探工具為：Φ127mm鉆桿4000m、Φ178mm鉆鋌54m、Φ159mm鉆鋌90m、川7-4取心筒兩條，以及各種打撈工具若干。

5鉆井工藝

5.1　鉆具組合

一開鉆具組合：Φ394mm三牙輪鉆頭+Φ178mm鉆鋌+Φ127mm鉆桿+主動鉆桿。

二開全面鉆進鉆具組合：Φ216mmPDC鉆頭+Φ165直螺桿+Φ159mm鉆鋌+Φ127mm鉆桿+主動鉆桿。

二開取心鉆具組合：Φ216mmPDC取心鉆頭+Φ159mm鉆鋌+Φ127mm鉆桿+主動鉆桿。

5.2　鉆井參數(shù)

一開：鉆壓20～80kN，轉(zhuǎn)速100r/min，排量50L/s。

二開全面鉆進孔段：鉆壓60～80kN，轉(zhuǎn)速復(fù)合，排量24～26L/s。

二開取心孔段：鉆壓20～40kN，轉(zhuǎn)速60r/min，排量20～24L/s。

5.3　取心技術(shù)

采用川7-4取心筒單筒取心。為了保證取心率，單次取心長度不超過5m。取心段為3400～3600m，累計取心工作量200m。

取心鉆進操作要點：

(1)取心工具入井前，要檢查內(nèi)外筒是否彎曲、變形，內(nèi)外巖心筒內(nèi)不得有泥砂異物，巖心爪彈性適宜，碳化鎢顆粒均勻平整，自由狀態(tài)內(nèi)徑比鉆頭內(nèi)徑小2～3mm，方可使用。

(2)檢查懸掛軸承是否轉(zhuǎn)動靈活，檢查巖心座端面與鉆頭內(nèi)扶正器的間隙，調(diào)整在8～15mm。

(3)出現(xiàn)下列情況之一時，不準下取心工具：

①井下不正常、有阻卡、掉塊、井底有落物；

②鉆井液性能不符合要求；

③崗位工人對取心工具結(jié)構(gòu)、性能不熟悉，未貫徹取心設(shè)計和未制定取心措施；

④設(shè)備有問題，不能保證連續(xù)取心施工；

⑤取心工具裝配質(zhì)量不合格；

⑥指重表和泵壓表不靈；

⑦對上筒巖心沒有分析出收獲率低的原因和未制訂出下筒取心措施。

(4)下鉆過程中要控制下鉆速度，不得猛剎猛放，取心鉆頭不得劃眼。

(5)下鉆遇阻不超過40kN，否則接方鉆桿開泵循環(huán)，慢轉(zhuǎn)下放鉆具，若遇阻嚴重，及時起鉆，換牙輪鉆頭通井。

(6)下鉆距井底3～5m提前開泵，到底后大排量沖洗井底。有動力鉆具時應(yīng)先啟動轉(zhuǎn)盤，后送漿。

(7)樹心時鉆壓10～30kN，排量控制在10～15L/s。轉(zhuǎn)速1擋，樹心0.2～0.3m，然后逐漸加大鉆壓到設(shè)計值。

(8) 取心鉆進中，操作要平穩(wěn)，送鉆均勻，嚴禁跑鉆，不能猛增猛放。如有蹩跳等情況時，應(yīng)優(yōu)選合適的鉆壓、轉(zhuǎn)速；若嚴重蹩鉆無法消除時立即割心起鉆，發(fā)現(xiàn)進尺緩慢，要分析原因，若非地層原因則視為堵心，也應(yīng)立即割心起鉆。

(9) 取心進尺完，剎住剎把，磨心3～5min，待恢復(fù)懸重后，再上提鉆具割心。加強鉆具管理，建立健全鉆具記錄，嚴禁帶傷鉆具入井，接頭在井下工作300h，必須更換。起鉆時應(yīng)重點檢查鉆具。凡下井鉆具、接頭、工具，井隊技術(shù)員應(yīng)做好記錄，繪好草圖。

(10) 起鉆操作必須平穩(wěn)，起鉆遇卡，不得硬拔，不得猛提猛放，必須接方鉆桿循環(huán)。起鉆時應(yīng)連續(xù)向環(huán)空灌漿，若灌入量大于或小于應(yīng)灌入量，均應(yīng)停止起鉆作業(yè)，進行觀察，如有溢流，應(yīng)及時關(guān)井求壓。

(11) 取出的巖心要按順序擺放好，并做好記錄。取出的巖心見圖1。

圖1　取出的巖心

6鉆井液

6.1　鉆井液體系的優(yōu)選和論證

根據(jù)本孔地下特點和鉆井工程中對鉆井液性能及使用的要求，聚合物鉆井液體系具有較強的抑制性，有利于優(yōu)質(zhì)快速鉆井；聚磺鉆井液體系具有較強的抗高溫能力和抑制性，有利于井壁穩(wěn)定和控制井徑擴大率； 飽和鹽水能夠滿足深井鹽層段鉆探的要求。因此本孔二開非含鹽段采用聚合物鉆井液體系、聚磺鉆井液體系，含鹽段采用飽和鹽水鉆井液體系。

6.2　各段性能參數(shù)及維護處理要點

6.2.1一開(0～330m)

鉆井液類型：低固相聚合物鉆井液

配方：膨潤土50～60kg/m3

純堿 3～5kg/m3

HV-CMC2～5kg/m3

80A512～5kg/m3

維護處理要點：維持適當?shù)酿で?，以利于帶砂?/p>

6.2.2二開非含鹽段(330～3400m)

鉆井液類型：聚合物鉆井液、聚磺鉆井液

聚合物鉆井液配方：

膨潤土35～45kg/m3

LV-CMC5～10kg/m3

80A512～5kg/m3

CMS3～5kg/m3

NH4HPAN5～10kg/m3

聚磺鉆井液配方：

膨潤土20～30kg/m3

NH4HPAN10～20kg/m3

SMP10～20kg/m3

SMC10～20kg/m3

80A513～5kg/m3

NaOH3～5kg/m3

下完表層套管固井后,用如下方法轉(zhuǎn)化鉆井液：

(1)徹底清理循環(huán)系統(tǒng)泥砂,往循環(huán)罐內(nèi)加入所需清水；

(2)在地面循環(huán)的同時,經(jīng)混合漏斗依次加入如下成份處理劑(按配漿總量計):LV-CMC0.5%～1.0%、80A51 0.5%、NH4HPAN: 1%、充分循環(huán)溶解均勻；

(3)將鉆具下入井內(nèi), 根據(jù)其性能情況決定井漿留用量，將所配膠液均勻混入,同時用固控設(shè)備清除有害固相；

(4)用上述處理劑調(diào)整好性能,性能達到設(shè)計要求后方可繼續(xù)鉆進。

6.2.3二開含鹽段(3400～3600m)

由于本井裸眼段較長，為保證井下安全和取心要求，取心段使用飽和鹽水鉆井液，密度為1.35～1.39g/cm3，Cl-含量為170400～181050 ppm。

A.飽和鹽水鉆井液的配制

鉆井液配方：

膨潤土 20～30kg/m3

NH4HPAN10～20kg/m3

SMP20～30kg/m3

SMC20～30kg/m3

SMT10～20kg/m3

80A515～10kg/m3

NaOH3～5kg/m3

NaCl飽和

淡水鉆井液轉(zhuǎn)換為鹽水鉆井液時，隨著鉆井液中Nacl含量的增加，鉆井液性能有著顯著的變化：Nacl含量小于1%時鉆井液黏度，切力和失水量的變化不大，屬淡水鉆井液的范圍；鉆井液中含鹽量大于1%后，黏度、切力和失水量都隨含鹽量增大而迅速上升，當含鹽量達某一值時，黏度、切力達到最大值；含鹽量超過這一值后，黏度和切力又會隨含鹽量的增加而下降，失水量則繼續(xù)增大；pH值隨著含鹽量的增加一直是逐漸下降的。鉆井液性能的這種變化，可以用雙電層原理解釋：隨著NaCl加入量的增加，鉆井液中的Na+增多，這樣黏土吸附層中陽離子數(shù)目增多，由此ξ電位下降，擴散層厚度減小，鉆井液由細分散向聚結(jié)方向轉(zhuǎn)變，水化膜變薄，黏土顆粒間形成聚結(jié)結(jié)構(gòu)，因而黏度、切力上升。由于聚結(jié)，水化膜變薄，自由水增多，失水量也上升。當NaCl超過某一值時，黏土顆粒聚結(jié)明顯，分散度下降，致使黏度切力下降，失水量繼續(xù)上升。淡水鉆井液添加NaCl后的性能變化如圖2所示。

按照膠液+搬土漿配制飽和鹽水鉆井液。具體配漿過程如下：

圖2　淡水鉆井液加Nacl后的性能變化曲線

(1) 在5#罐配制10%搬土漿30m3倒至2#罐，水化24h；

(2) 膠液的配制

100m3清水中先后按比例加入0.12%～0.4%Na2CO3+0.2%LV-CMC1%+SMT1%+SMC5% +SMP2.5% +NaOH1%+NaCl36%，開啟攪拌機攪動6h以上；

(3) 井眼準備：帶大水眼牙輪鉆頭，下鉆到底，待命；

(4)待膠液完全水化后，在膠液中加入鹽，至Cl-含量在130～140g/L；

(5) 將預(yù)水化搬土漿15m3混入鹽水膠液中，充分循環(huán)，攪拌均勻；

(6) 待水化搬土漿、鹽水膠液混勻后，使用飽和鹽水膠液調(diào)整鉆井液量；

(7) 開泵，替出孔內(nèi)鉆井液，繼續(xù)邊循環(huán)邊加鹽，最終將鉆井液中Cl-含量提高到170g/L。

B．飽和鹽水鉆井液的維護

(1) 鉆井過程中及時補加飽和鹽水膠液，配方為：1m3清水+0.24～0.3噸SMP+0.24～0.3噸

SMC+3噸NaCl+0.35kg抗鹽聚合物；

(2) 嚴格控制鉆井液濾失量小于5mL，避免鹽層溶解，導(dǎo)致大肚子井眼，造成井下復(fù)雜；

(3) 及時補加燒堿，維持鉆井液pH值在9～10之間；

(4) 防止污水和雨水流入循環(huán)系統(tǒng)稀釋和污染鉆井液；

(5) 處理鉆井液時必須保持多次、少量、微調(diào)的原則，禁止對鉆井液進行大的調(diào)整，以保證孔內(nèi)安全。

7結(jié)論

(1) 深孔鉆探要遵循“大馬拉小車”的原則，為孔內(nèi)復(fù)雜情況的處理儲備設(shè)備能力；

(2) 施工前要綜合分析地層情況，設(shè)計合理的鉆孔結(jié)構(gòu)；

(3) 淡水鉆井液轉(zhuǎn)化為飽和鹽水鉆井液過程要快，配漿量要足夠，爭取一次性轉(zhuǎn)換完成；

(4) 鉆井液在日常鉆進中，要勤維護。避免對鉆井液進行大處理，以防孔內(nèi)事故的發(fā)生；

(5) 飽和鹽水鉆井液中添加抗鹽處理劑，以免鉆進中鉆井液鹽侵變差。可加入1%的Kg-1來維護；

(6) 取心鉆進嚴格按照操作規(guī)程精心操作，保證取心率；

(7) 長裸眼井段施工要適當控制上、下鉆速度，防止形成大的壓力波動或抽吸，造成鉆孔事故。

參考文獻：

[1]程建祥, 張德權(quán), 張家峰. 漳縣鹽礦鉆探施工與成井工藝[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2005(6):54-56.

[2]張秋冬. 廣東三水某鹽礦鉆井液鉆探工藝[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2009(5).

[3]李世忠. 鉆探工藝學(xué)[M]. 北京：地質(zhì)出版社, 1989.

[4]烏效鳴, 胡郁樂, 賀冰新, 等. 鉆井液與巖土工程漿液[M]. 武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社, 2002.

[5]李浩, 陳禮儀, 陳爾志, 吳林, 等. 新型水基鉆井液成膜處理劑的研制與應(yīng)用[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2010(4).