石紹云， 房 勇， 鄧 偉， 胡 立， 吳金生， 李俊萍， 王建兵

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734； 3.核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所(以下簡稱“工藝所”)承擔(dān)的“油氣田勘查區(qū)砂巖型鈾礦調(diào)查與勘查示范”地調(diào)項(xiàng)目，施工地點(diǎn)是在大慶油氣田地浸砂巖地區(qū)[1]。工程目的是對(duì)主要異常和重點(diǎn)地區(qū)開展鉆探工程驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)找礦突破提供技術(shù)支撐和服務(wù)。為編制系列圖件，提高找礦調(diào)查工作提供巖心實(shí)物資料。

長期以來，砂巖取心都是鉆探施工界的一大難題，主要表現(xiàn)在取心難度大、巖心采取率不高，巖心擾動(dòng)污染嚴(yán)重、鉆孔易坍塌埋鉆、成孔困難、孔底漏失、巖粉多且不易返出等等。通過前期調(diào)研了解，在該地區(qū)施工的其他單位，鉆進(jìn)效果非常不好，孔深在160 m以淺的地層，巖心采取率<50%，滿足不了設(shè)計(jì)的需要。工藝所長期致力于復(fù)雜地層取心鉆探技術(shù)，在復(fù)雜地層鉆探中有許多獨(dú)特技術(shù)方法，針對(duì)各種不同的復(fù)雜地層，具有不同的解決方案和技術(shù)措施，下面根據(jù)砂巖取心難度大的特點(diǎn)，總結(jié)出了一套砂巖取心技術(shù)，在砂巖取心地層具有借鑒和參考作用。

1 地層情況

地浸砂巖地區(qū)的主要巖石包括粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖、泥巖等[2]。

巖石的特性是膠結(jié)性非常差，巖心采取率不高，鉆孔容易縮徑，坍塌垮孔。巖石大致分為以下3類。

一是無膠結(jié)的流沙層砂巖，成松散狀，顆粒直徑1～3 mm；孔隙率大，遇水膨脹，吸水率>10%；屬于第四系+泰康組：亞粘土及粉、細(xì)砂、砂礫。埋藏深度一般在0～160 m，取心特別困難。

二是有部分膠結(jié)物的砂巖、泥巖。巖石顆粒0.0625～1 mm，此類巖石吸水性強(qiáng)，易堵心，埋藏深度在120～500 m。

三是易膨脹縮徑的泥巖，易糊鉆、堵心，鉆具下不到位，此類巖石與第二類砂巖交叉互層，埋藏深度也是在120～500 m。

取心難度大的是第一類地層。

2 地質(zhì)設(shè)計(jì)要求

鉆孔平均采取率≮65%，非目標(biāo)層回次進(jìn)尺≤5 m；重要標(biāo)志層以及礦層與礦層頂板、底板各3～5 m范圍的采取率≮75%；礦心采取率≮85%，回次進(jìn)尺≤3 m[3]。一般鉆孔采用直孔鉆進(jìn)，開孔口徑110 mm，一徑到底，不變徑。相鄰兩回次平均采取率≥75%。

3 鉆進(jìn)技術(shù)

在復(fù)雜地層取心鉆進(jìn)中，常采用的鉆進(jìn)方法有：半合管取心技術(shù)、三層管取心技術(shù)、單動(dòng)雙管取心技術(shù)、雙動(dòng)雙管取心技術(shù)、潛孔錘取心跟管技術(shù)、張斂式取心跟管技術(shù)、繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)、套管鉆進(jìn)取心技術(shù)等等[4]。實(shí)踐證明，不管是使用哪種雙管鉆具，由于砂巖遇水膨脹，雙管鉆具的內(nèi)管與巖心的間隙小，引起巖心堵塞，自磨、互磨破壞，其取心質(zhì)量差，巖心采取率低；另外由于砂巖地層鉆孔縮徑、坍塌等原因，鉆進(jìn)效果都不理想。

雖然潛孔錘取心跟管技術(shù)對(duì)于巖心采取率和取心質(zhì)量都能滿足要求，但是鉆進(jìn)成本高，鉆進(jìn)效率低，特別是鉆孔深度超過100 m以后，空氣壓力、沖擊功大幅降低，鉆進(jìn)輔助時(shí)間大幅增加，也不能滿足要求。

因此，提高砂巖地層巖心采取率重要手段是防止沖洗液直接破壞和污染巖心、同時(shí)嚴(yán)格避免鉆具擾動(dòng)[5]。

綜合以上分析，我們從鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆頭研制、沖洗液優(yōu)化配置、除砂振動(dòng)器使用、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選擇、巖心的卡取技術(shù)、鉆進(jìn)設(shè)備配套、水壓自動(dòng)退心等多個(gè)方面來解決砂巖取心的難題。

3.1 設(shè)備配置

XY-5/XY-6型鉆機(jī)，BW250、BW320型泥漿泵，12.5～17.5 m鉆塔，動(dòng)力為150～200 kW發(fā)電機(jī)組。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目鉆孔深度一般在300～600 m，要求終孔口徑110 mm，根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，對(duì)第四系覆蓋層(深度0～160 m)下入?139.7 mm套管。

因此設(shè)計(jì)采用?113 mm單管取心鉆具鉆進(jìn)并全孔段取心至較穩(wěn)定的砂巖層，然后用全面鉆頭擴(kuò)孔至穩(wěn)定地層，擴(kuò)孔直徑180～200 mm。下入套管并用水泥固定好套管。等待水泥凝固后仍然用?113 mm單管取心鉆具鉆進(jìn)至終孔。

井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井身結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 鉆具設(shè)計(jì)

砂巖地層鉆進(jìn)對(duì)鉆具的磨損和變形很大，我們采用壁厚>6 mm的厚壁巖心管，加工的垂直度和同心度要高，鉆具接頭的設(shè)計(jì)是該套鉆具的關(guān)鍵技術(shù)，鉆具堵水接頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。砂層單管取心鉆具的特點(diǎn)如下。

圖2 鉆具堵水接頭示意圖

(1)鉆具設(shè)計(jì)有單向閥，作用是避免巖心在鉆桿內(nèi)孔水柱壓力的情況下脫落，造成巖心采取率低、巖心遭到破壞的情況。堵水錐閥是在一個(gè)回次快結(jié)束、還沒有干鉆之前從水龍頭投入。該堵水錐閥的錐面與鉆具“腦袋”的錐面尺寸一致。錐閥與接頭的接觸面積多，不會(huì)造成由于鉆具晃動(dòng)后使沖洗液進(jìn)入巖心管的情況。

與傳統(tǒng)的投入鋼球堵水相比，堵水彈子直徑小、質(zhì)量輕，有時(shí)不能與封堵的水眼很好配合，封閉不嚴(yán)，在提鉆的過程中，使巖心脫落[6]。

(2)巖心與內(nèi)管壁環(huán)狀間隙大，不會(huì)發(fā)生巖心被堵塞現(xiàn)象，同時(shí)巖心管與孔壁的間隙加大，沖洗液的過水面積大，便于攜帶大量巖粉。在正常鉆進(jìn)過程中，可采用小泵量、低轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)，取心前0.5 m左右開始干鉆燒結(jié)巖心。

(3)采用大出刃的硬質(zhì)合金鉆頭和PDC鉆頭鉆進(jìn)，切削具切入巖石深，達(dá)到快速鉆進(jìn)的目的，減少了由于鉆進(jìn)時(shí)間長對(duì)巖心的磨損和污染。

(4)硬質(zhì)合金鉆頭和復(fù)合片鉆頭在短時(shí)間內(nèi)無沖洗液鉆進(jìn)時(shí)，不會(huì)燒鉆，可以利用此特點(diǎn)進(jìn)行微燒卡取巖心。

3.4 鉆頭研制

鉆頭采用大水口、加大內(nèi)外出刃設(shè)計(jì)，以保證鉆具與孔壁間隙大，不易卡鉆、不易堵心。

(1)加大鉆頭的外徑，使用?113 mm的鉆頭連接?89 mm巖心管，其目的是增加巖心管與鉆孔的環(huán)狀空間，減少鉆孔縮徑對(duì)巖心管的阻力影響；另一方面，在滿足地質(zhì)要求的同時(shí)，盡量縮小鉆頭的內(nèi)徑，有利于巖心通過巖心管，避免鉆進(jìn)中巖心堵塞。

采用外徑加大的鉆頭，增大環(huán)狀間隙，減小泵壓和抽吸作用，有利于井壁穩(wěn)固，減少漏失和提高取心效果[7]。

(2)加大鉆頭水口尺寸。采用4～6個(gè)水口，每個(gè)水口過水面積較大，避免鉆頭泥包發(fā)生堵水現(xiàn)象。

(3)由于巖石軟，采用硬質(zhì)合金或復(fù)合片的數(shù)量少，增加單位面積上壓力，增加切入深度，達(dá)到快速鉆進(jìn)的目的。

外加大直徑鉆頭示意圖如圖3所示。

圖3 外加大直徑取心鉆頭

?113 mm鉆頭底唇面鑲焊4塊T3010(大八角柱狀)硬質(zhì)合金，呈二環(huán)狀排列，在鉆頭鋼體外側(cè)，四周均焊4塊肋骨，每塊肋骨鑲焊T3010硬質(zhì)合金2顆，鉆頭底出刃5 mm，內(nèi)、外出刃2 mm，在鉆頭底部開有4個(gè)方形水口[8]。

3.5 沖洗液配置

遇水膨脹、坍塌垮孔的水敏地層，嚴(yán)禁使用清水作為沖洗液，由于砂巖地層鉆進(jìn)會(huì)產(chǎn)生大量巖粉，含砂量大，所以沖洗液除了保護(hù)巖心和孔壁穩(wěn)定外，第二個(gè)重要功能是能夠攜帶大量巖粉返出孔外，保證孔底清潔干凈。第三個(gè)功能是該地區(qū)屬于淺層氣地層，沖洗液性能還必須具備井控要求。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)踐，沖洗液配置以優(yōu)質(zhì)膨潤土、腐植酸鉀、純堿、KCl等為主要材料，沖洗液性能指標(biāo)見表1。

表1 沖洗液性能

注：表中序號(hào)1的沖洗液性能適用于孔深在0～160 m的無膠結(jié)、比較松散、大顆粒的砂巖；表中序號(hào)2的沖洗液性能適用于孔深在160 m以深的有少量膠結(jié)、細(xì)顆粒砂巖以及粉砂巖等。

沖洗液高粘度低失水體系的應(yīng)用，除了攜帶大量的砂巖巖粉，控制氣體井噴以外，對(duì)于保護(hù)巖心也是非常重要的。調(diào)節(jié)沖洗液性能是砂巖取心技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。

一般情況下，在該地區(qū)沖洗液的塑性粘度在20～33 mPa·s，動(dòng)切力在13～22 Pa，沖洗液流速在0.2～0.5 m/s即可順利返出巖粉。

沖洗液性能測(cè)定，每班1～2次，并認(rèn)真記錄數(shù)據(jù)[9]。

3.6 除砂振動(dòng)器

除砂振動(dòng)器的作用是把孔內(nèi)返出的沖洗液里的含砂巖粉振動(dòng)清除，使沖洗液性能達(dá)到正常的性能。大直徑鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，巖粉非常多，加上砂巖地層鉆進(jìn)本身產(chǎn)生的巖粉也多，通過調(diào)整沖洗液性能，提高沖洗液的粘度和切力，通過沖洗液帶出巖粉，避免隨著沖洗液的循環(huán)再次進(jìn)入孔內(nèi)，影響沖洗液的性能，沖洗液中的有害固相含量增加，泥餅虛厚，影響孔壁穩(wěn)定；同時(shí)影響取心質(zhì)量，造成鉆具、鉆桿、泥漿泵的磨損。因此，必須采用除砂器及時(shí)除砂，維護(hù)沖洗液性能穩(wěn)定。

現(xiàn)場使用的CS-150型除砂振動(dòng)器，安裝在平穩(wěn)牢固的地基基礎(chǔ)上，在使用過程中應(yīng)經(jīng)常清除堆積在振動(dòng)器周圍的砂子，保持場地干凈清潔。

現(xiàn)場測(cè)試結(jié)果：在沒有使用除砂振動(dòng)器之前，測(cè)試沖洗液含砂率達(dá)15%～20%，使用除砂振動(dòng)器后，沖洗液含砂率降到10%以下。

3.7 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場具體情況，操作者需時(shí)刻保持注意力，準(zhǔn)確判斷孔內(nèi)的情況，要求各個(gè)崗位人員協(xié)調(diào)配合，聽從班長的指揮，班長必須按照制定的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)操作。鉆進(jìn)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 鉆進(jìn)技術(shù)指標(biāo)[10]

3.8 巖心卡取

由于巖心松散破碎，不能使用卡簧或爪簧卡取巖心，卡簧不僅卡不住巖心，同時(shí)還會(huì)破壞和擾動(dòng)巖心。

因此，當(dāng)一個(gè)回次鉆進(jìn)結(jié)束，所有巖心已經(jīng)進(jìn)入鉆具內(nèi)，這并不能說明已經(jīng)取心成功，還要進(jìn)行關(guān)鍵的一步技術(shù)措施：巖心的燒結(jié)卡取。其方法是在還剩下0.5 m左右時(shí)，停止泥漿泵工作，從水龍頭處投放鉆具的堵水錐子，根據(jù)孔深估算錐子到達(dá)鉆具“腦袋”后，低速慢轉(zhuǎn)，適當(dāng)增加鉆壓，無水干鉆5～10 min，然后提出鉆具。

實(shí)踐證明，這種卡取地浸砂巖巖心的效果很好，成功率非常高。

干鉆的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)：鉆壓25～30 kN，轉(zhuǎn)速50～100 r/m。

3.9 水壓自動(dòng)退心技術(shù)

當(dāng)把鉆具提出孔口后，首先用專用工具拆卸鉆頭和擴(kuò)孔器，然后用高壓水管與鉆具的接頭連接，通過高壓水推動(dòng)巖心，達(dá)到水壓退心的目的；避免了巖心遭到外力破壞和引起巖心次序的混亂，在砂巖鉆進(jìn)中嚴(yán)禁使用工具或敲打鉆具退心。

巖心在壓力推動(dòng)下慢慢進(jìn)入巖心槽，實(shí)現(xiàn)泵壓退心，該方法能使松散砂巖和粉砂巖保持其較完整的柱狀[11]。

3.10 其他技術(shù)措施

提升鉆具應(yīng)盡量平穩(wěn)，不要猛拉猛剎，卷筒排繩要整齊，葫蘆上配置彈簧緩沖裝置，在孔內(nèi)破碎、復(fù)雜的位置，提鉆時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鉆具提升速度，提鉆速度一般在0.2～0.4 m/s。

3.10.1 防斜保直措施

鉆鋌和長巖心管組合：?113 mm合金取心鉆頭+?89 mm取心長鉆具+ ?68 mm鉆鋌(65 m)+?60 mm鉆桿+89主動(dòng)鉆桿。

擴(kuò)孔鉆具組合：?200 mm牙輪鉆頭+?127 mm鉆桿+?89 mm鉆桿+?60 mm鉆桿+89主動(dòng)鉆桿。

3.10.2 導(dǎo)向鉆具的應(yīng)用措施

擴(kuò)孔期間加?89 mm鉆桿導(dǎo)正；二開換徑時(shí)，鉆具組合中采用導(dǎo)向鉆具。

4 鉆探取心技術(shù)效果

根據(jù)該區(qū)域的工作任務(wù)和氣候條件，我們共安排了5套鉆機(jī)設(shè)備，要求井隊(duì)施工人員嚴(yán)格按照預(yù)先制定的鉆進(jìn)工藝技術(shù)參數(shù)操作，取得了滿意的技術(shù)效果。

各個(gè)鉆孔的巖心采取率見表3。從表3中可以看出，所有鉆孔平均巖心采取率>75%。所取得的砂層巖心沒有受到污染和擾動(dòng)，取心質(zhì)量好，達(dá)到了地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，所取得的砂巖巖心見圖4。

5 結(jié)語

地浸砂巖取心技術(shù)能夠取得滿意的效果，不是孤立的使用某一項(xiàng)鉆探技術(shù)，而是綜合多種技術(shù)配合使用；機(jī)具設(shè)備的配置、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)的制定、操作規(guī)程的熟練程度、沖洗液指標(biāo)的調(diào)配、施工人員的責(zé)任心和相互配合程度都是影響取心質(zhì)量和鉆進(jìn)效率的因素。

表3 鉆探取心技術(shù)效果

在地浸砂巖地區(qū)施工了34口井、完成12064 m地浸砂巖全孔取心工作，巖心采取率和取心質(zhì)量都達(dá)到了地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，取得了滿意的技術(shù)效果。

針對(duì)地浸砂巖地層的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用的單管鉆具配合硬質(zhì)合金鉆頭或復(fù)合片鉆頭、高粘度低失水體系沖洗液、干鉆、除砂振動(dòng)器等一系列的技術(shù)是行之有效的取心技術(shù)，在地浸砂巖取心鉆探中值得推廣應(yīng)用。