李 寬， 王舒婷， 張永勤， 李鑫淼， 董澤訓， 王金平

(1.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000； 2.山東省第六地質礦產勘查院，山東 威海 264209)

西藏鴨湖地區(qū)天然氣水合物調查井鉆探施工技術

李 寬1， 王舒婷1， 張永勤1， 李鑫淼1， 董澤訓2， 王金平2

(1.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000； 2.山東省第六地質礦產勘查院，山東 威海 264209)

西藏羌塘盆地是公認的天然氣水合物有利找礦區(qū)，鉆探取心是鑒別天然氣水合物最直接、最準確的手段。為滿足天然氣水合物鉆探需求，制定了大直徑取心、低溫泥漿護心的技術方案。試制了跟管取心鉆具和大直徑繩索取心鉆具；逐步完善低溫泥漿配方；研制出新型高效泥漿冷卻裝置。在鴨湖地區(qū)天然氣水合物調查井施工中，克服地層復雜、環(huán)境惡劣等難題，完成鉆探取樣施工，終孔深度700.70 m，巖心采取率滿足地質要求。查明了地層巖性、凍土厚度、氣源、巖石物性特征等，不僅為天然氣水合物資源評價也為其他油氣資源調查提供了地質資料、技術支撐和人才儲備。

天然氣水合物；鉆探取心；低溫泥漿；跟管取心鉆進；繩索取心鉆進；泥漿冷卻裝置

0 引言

羌塘盆地是青藏高原年平均地溫最低、凍土層相對較厚、地溫梯度最低和成油成氣最好的地區(qū)，是公認的天然氣水合物有利找礦區(qū)[1]。中國地質調查局成立“天然氣水合物勘查與試采”專項，前期在羌塘盆地開展了區(qū)域地質調查、地球物理、地球化學勘查等工作，調查顯示鴨湖地區(qū)具有較好的天然氣水合物形成的溫壓條件和烴類氣源條件。

鉆探取心是鑒別天然氣水合物最直接、最準確的手段，也是驗證其他勘查技術與方法的途徑[2]，2015—2016年，中國地質調查局在鴨湖地區(qū)開展了鉆井調查工作，調查井設計深度700 m，通過鉆探取心驗證前期物化探異常，力爭實現(xiàn)找礦新突破，發(fā)現(xiàn)水合物新產地；同時摸索適應于青藏高原地區(qū)施工的天然氣水合物取心新技術、新方法及配套取心機具，為陸域凍土區(qū)天然氣水合物找礦提供技術支撐。

1 自然環(huán)境與地層條件

鴨湖地區(qū)位于西藏雙湖地區(qū)，海拔約5100 m，瀕臨人類生存極限，氣候寒冷干燥，空氣稀薄，風力強，自然環(huán)境嚴酷。年平均氣溫-2 ℃，施工周期為每年的6—9月。

綜合地質調查資料與前期施工經驗，鉆井調查區(qū)預測地層如下：(1)0～190 m為第四系覆蓋層；(2)190～340 m為第三系半成巖地層，巖性為含礫砂、泥層的湖相沉積物、洪積物，凍土厚度70 m；(3)340～480 m為三疊系土門格拉群，巖性為泥質粉砂巖、泥巖、粉砂質泥巖等；(4)480～700 m為二疊系魯谷組，巖性為灰?guī)r。

2 井身結構設計

(1)一開：?152 mm硬質合金鉆頭單管干鉆取心鉆進至12 m，然后用?311 mm鉆頭擴孔，下入?219.07 mm孔口管。

(2)二開：第四系松散覆蓋層約190 m，采用跟管取心鉆進，取心鉆頭直徑152 mm，擴孔器擴孔直徑176 mm，跟進的套管外徑168 mm，跟管鉆進深度約190 m。

(3)三開：第三系半成巖地層，有一定的膠結和強度，泥漿不會將巖心直接沖散，孔壁不會出現(xiàn)大范圍的坍塌現(xiàn)象，縮徑和掉塊現(xiàn)象在所難免，深度約190～340 m，擬采用S122繩索取心鉆進，鉆至穩(wěn)定基巖后用?152 mm鉆頭擴孔，然后下入?146 mm護壁套管。

(4)四開：采用S122繩索取心鉆進至500 m左右，測井后下入?114 mm護壁套管。

(5)五開：采用S99繩索取心鉆進至設計深度。

鴨湖地區(qū)天然氣水合物調查井設計的井身結構如圖1所示。

圖1 設計井身結構

3 鉆探設備

在高原地區(qū)施工，為了提高鉆探施工效率、縮短施工周期、降低鉆探成本，鉆探設備和附屬設備的選擇主要考慮以下幾個方面。

(1)維修保養(yǎng)方便：施工區(qū)為無人區(qū)，在正常工作過程中出現(xiàn)鉆機、動力機等設備損壞的情況時有發(fā)生，在設備配套中選擇易于維修保養(yǎng)的成熟機型，盡量選擇操作人員熟練程度高的設備。

(2)易于安裝與搬遷：設備要便于安裝與拆卸，盡量減少鉆前、鉆后的輔助工作時間，降低施工成本，縮短施工周期。

(3)機械化程度高：施工區(qū)高寒缺氧，對現(xiàn)場施工人員身體素質要求高，盡量選用機械化程度高的設備，降低現(xiàn)場施工人員的勞動強度。

(4)節(jié)能環(huán)保：使用節(jié)能環(huán)保型發(fā)電機組，減少燃料消耗，降低對環(huán)境污染，對油品適應性強，降低施工成本。

在網絡平臺上設置一個資源拓展庫，包括每個知識點和相關拓展知識，學生可以在課前或課后進行觀看和學習。教師也可以在課程教學中穿插課外拓展知識，以達到知識遷移的目的。

綜合以上因素考慮，選用的鉆探設備與附屬設備及其主要技術參數如表1所示。

表1 鉆探設備及主要技術參數

4 取心技術

4.1 覆蓋層取心

覆蓋層巖性是含礫粗砂，無膠結，開孔采用?152 mm硬質合金鉆頭干鉆取心，長孔段采用“隔水式單動雙管取心、孔底擴眼跟管護壁”的鉆進方法，跟管取心鉆進原理和鉆具組合如圖2所示。隔水式單動雙管取心采用濕式鉆進，相比于干鉆取心，泥漿能起到良好的護壁作用。取心鉆頭外徑152 mm，內徑80 mm，鑲焊復合片或硬質合金切削具，采用近鉆頭冷卻，泥漿不會直接沖刷、沖散巖心，松散沉積地層能夠進入巖心管。單動雙管鉆具，內管不回轉，減少回轉和振動對巖心的破壞[3-6]。裸孔段擴眼采用液推式擴眼器，安裝在鉆頭、取心鉆具上部，鉆桿、鉆鋌下部，回次鉆進時，泥漿壓力推動擴孔翼張開，通過泥漿壓力值判斷擴孔翼是否完全張開?；卮毋@進結束，正常情況下復位彈簧實現(xiàn)擴孔翼自動收斂，如遇回收故障，通過投球的方式改變泥漿通道強制回收擴孔翼。跟管取心鉆進能解決取心困難、孔壁不穩(wěn)定等問題[7-9]。

圖2 跟管取心鉆進原理

4.2 半成巖與基巖地層鉆進

半成巖及以下成巖地層，采用大直徑繩索打撈不提鉆快速取心鉆進工藝，繩索取心鉆具結構如圖3所示。巖心直徑大，能保證巖心內部的水合物不分解，繩索取心能將巖心快速運至地表，同時配合少打勤提、短回次鉆進、半合管取心等技術措施，能夠保證水合物樣品的原狀性，在前期工作中已經驗證該鉆探取心方法的可行性。

圖3 大直徑繩索取心鉆具結構

5 低溫泥漿技術

5.1 低溫泥漿配制

低溫泥漿采用水基泥漿，一般情況下可以用NaCl、KCl、CaCl2等鹽類配成低溫基礎液，為了得到低溫效果更佳的低溫泥漿，使用有機添加劑如乙醇、乙二醇、丙三醇、乙烯乙二醇和表面活性劑等，使用純堿(Na2CO3)調節(jié)泥漿pH值至7.5～8.5[10-11]。泥漿材料與有機處理劑由技術成熟的泥漿服務公司提供，包括膨潤土、磺化褐煤樹脂、廣譜護壁劑Ⅲ型、腐殖酸鉀、PAC-141、高粘防塌劑、單向壓力封閉劑、羧甲基纖維素鈉、混合堵漏劑等。加重材料采用重晶石粉，要求密度≥4.2 g/cm3，75 μm篩余物質量分數≤3.0%、小于6 μm顆?！?0%，水溶性堿性金屬含量≤250 mg/kg。通過室內調試確定泥漿配方如下。

(1)松散覆蓋層：70～100 kg/m3膨潤土+15～20 kg/m3磺化褐煤樹脂+5～10 kg/m3廣譜護璧劑+100～200 kg/m3重晶石粉。主要性能參數：密度1.15～1.20 g/cm3，粘度28～35 s。

(3)漏失地層：80～100 kg/m3膨潤土+30～50 kg/m3褐煤樹脂/腐殖酸鉀+5 kg/m3廣譜護壁劑+2.4～3.0 kg/m3純堿+25～50 kg/m3堵漏劑。主要性能參數：密度1.04～1.08 g/cm3，粘度45～60 s。

5.2 泥漿冷卻技術

在鉆進過程中，鉆頭克取巖石、鉆桿與孔壁之間的摩擦、地表熱輻射、泥漿泵活塞運動等都會產生熱量，泥漿溫度在循環(huán)過程中不斷升高，破壞了天然氣水合物賦存的溫壓條件，會引起水合物的分解，而低溫泥漿可以將巖心在鉆進和提鉆過程中保持在低溫狀態(tài)(≤3 ℃)，提高了鉆探取心的保真度，有利于鉆獲水合物實物樣品。因此，泥漿冷卻技術是天然氣水合物鉆探的關鍵技術。

前期鉆探施工中采用的是同軸套管式泥漿冷卻裝置，在野外應用中存在啟動電流高、體積大、結冰堵塞、換熱元件腐蝕導致?lián)Q熱效率低等問題[12-16]，對此，項目組設計加工了新型翅片管式泥漿冷卻裝置，其系統(tǒng)組成與工作原理如圖4所示。新型泥漿冷卻裝置的制冷機組采用變頻啟動，峰值啟動電流58 A，相比于定頻啟動，啟動電流降低80%。翅片管式換熱器質量輕，降低了設備的質量，易于野外搬遷；翅片管可大大提高換熱面積，增加換熱量；同時不會因為泥漿的腐蝕降低傳熱效率。

圖4 泥漿冷卻裝置系統(tǒng)組成與工作原理

6 調查井鉆探施工情況

天然氣水合物調查井一開采用?311 mm鉆頭全面鉆進，鉆進12.00 m，下入?219.07 mm孔口管。二開采用?190 mm刮刀鉆頭鉆至100.63 m，下入99.58 m ?168 mm套管，固定孔口。三開采用?152 mm鉆頭全面鉆進至190.00 m，再用?114 mm繩索取心鉆具取心，然后用?152 mm鉆頭擴孔,鉆至343.58 m，進行測井，然后下入?146 mm套管至孔底。四開采用?114 mm繩索取心鉆具連續(xù)取心，鉆頭直徑122 mm，鉆至480.96 mm，進行測井，然后下入?114 mm套管至孔底。五開采用?89 mm繩索取心鉆具連續(xù)取心，鉆頭直徑99.5 mm，鉆至700.70 m，進行測井，終孔。

圖5為施工現(xiàn)場，圖6為鉆取的巖心圖片。終孔后，整理現(xiàn)場巖心，起拔孔內套管，鉆桿拆單根，拆卸鉆探設備，草場復墾，整理現(xiàn)場物資。

調查井施工共計59 d，設計深度700.00 m，終孔深度700.70 m，取心段進尺543.73 m，巖心長度485.53 m，巖心采取率89.30%，達到設計要求，并配合完成錄井、測井工作。調查井實際鉆孔結構如圖7所示，鉆探進度如圖8所示，各工序時間如圖9所示。

圖5 調查井施工現(xiàn)場

圖6 調查井鉆取的巖心

圖7 實際井身結構

圖8 鉆探進度曲線

圖9 鉆探施工時間分配

7 結語與建議

(1)克服高原寒冷、地層復雜等技術難題，完成鉆探取心施工，查明了地層巖性、凍土厚度、地溫梯度、氣源、巖石物性特征等，不僅為天然氣水合物資源評價、成藏理論分析提供素材，也為該地區(qū)地質構造研究、其他油氣資源與礦產資源調查提供有用的地質資料。

(2)摸索出一整套適用于高原凍土區(qū)天然氣水合物資源評價鉆探技術體系，包括成套鉆探設備、取樣器具、低溫泥漿技術等，為天然氣水合物找礦提供技術支撐。

(3)下一步應加強鉆探設備輕便化、集成化與機械化方面的研究，縮短輔助時間，盡量降低現(xiàn)場工作人員的勞動強度。

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DrillingConstructionTechnologyofNaturalGasHydrateSurveyWellinTibetYahuArea

LIKuan1,WANGShu-ting1,ZHANGYong-qin1,LIXin-miao1,DONGZe-xun2,WANGJin-ping2

(1.The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China; 2.6th Geology amp; Mineral Resources Survey Institute, Weihai Shandong 264209, China)

Qiangtang basin is recognized as advantageous prospecting area for natural gas hydrate and core drilling is the most direct and accurate method to identify natural gas hydrate. The technical methods of large diameter coring and core protection by low temperature mud were assigned to meet the requirements of natural gas hydrate drilling; trial production of simultaneous casing coring tool and large diameter wire-line coring tool were carried out; low temperature mud formula was gradually improved and new type efficient mud cooling device was developed. In the construction process of natural gas hydrate survey well in Yahu area, in spite of complex formations and bad environment, sample drilling construction was completed at final depth of 700.70m. The core samples can satisfy the geological requirements, the stratum lithology, thickness of frozen earth, gas source and physical properties of rock are found out, which provides geological data, technical support and talent reserve not only for the evaluation of natural gas hydrate resources but also for other oil and gas resources investigation.

natural gas hydrate; core drilling; low temperature mud; simultaneous casing coring drilling; wire-line coring drilling; mud cooling device

2017-05-03；

2017-09-21

國家公益性地質調查項目“陸域凍土區(qū)天然氣水合物鉆采技術方法集成”(編號：DD-20160225)、“青南藏北凍土區(qū)天然氣水合物資源勘查(勘探所)”(編號：GZH201400301)；國土資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室開放課題“陸域天然氣水合物松散覆蓋層取心技術研究”(編號：DET201614)

李寬，男，漢族，1987年生，碩士，地質工程專業(yè)，主要從事天然氣水合物鉆采技術研究工作，河北省廊坊市廣陽區(qū)金光道77號， likuan0611@163.com。

王舒婷，女，漢族，1988年生，機械設計制造及其自動化專業(yè)，主要從事非開挖技術研究及相關管理工作，河北省廊坊市廣陽區(qū)金光道77號， 844795730@qq.com。

P634

A

1672-7428(2017)10-0026-05