任啟偉, 劉凡柏, 高鵬舉, 趙 遠(yuǎn), 伍曉龍

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

3500 m巖心鉆探裝備(即YDX-6型鉆機(jī)，后文統(tǒng)一用YDX-6型鉆機(jī)表示3500 m巖心鉆探裝備)是由中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所設(shè)計(jì)并制造的新型全液壓動(dòng)力頭式深孔用地表巖心鉆機(jī)，是“京津冀一體化協(xié)同發(fā)展區(qū)地質(zhì)保障工程”重點(diǎn)項(xiàng)目“京津冀綜合地質(zhì)調(diào)查”中子項(xiàng)目“華北平原重點(diǎn)地區(qū)地面沉降調(diào)查”的研究成果，是我國自主研發(fā)的深部礦產(chǎn)資源勘查技術(shù)裝備[1]。為了考核驗(yàn)證鉆機(jī)主要技術(shù)性能和設(shè)計(jì)制造質(zhì)量，該鉆機(jī)進(jìn)行了2輪野外生產(chǎn)試驗(yàn)。首輪試驗(yàn)在山東招遠(yuǎn)市阜山鎮(zhèn)牛草澗礦區(qū)，于2015年8月28日—2015年11月11日，完成一個(gè)終孔口徑122 mm、終孔孔深619.2 m的生產(chǎn)勘探孔[2]；第二輪試驗(yàn)是在遼寧金羊盆地施工“羊D1井”油氣勘查孔，于2016年3月1日-2017年1月2日，完成一個(gè)終孔口徑99.5 mm、終孔深為2019.22 m的油氣勘探孔。期間2016年11月3日該項(xiàng)目成果通過了中國地質(zhì)調(diào)查局華北地區(qū)地質(zhì)調(diào)查管理辦公室組織的專家驗(yàn)收。驗(yàn)收意見認(rèn)為：完成的YDX-6型鉆機(jī)，采用長(zhǎng)油缸鉆進(jìn)和起下鉆，結(jié)構(gòu)新穎，在升降系統(tǒng)、提下鉆方式等方面有較大的技術(shù)創(chuàng)新，具有較高的機(jī)械化、自動(dòng)化水平，滿足金剛石繩索取心、沖擊回轉(zhuǎn)、定向鉆進(jìn)等深孔地質(zhì)鉆探工藝要求?，F(xiàn)將該鉆機(jī)的第二輪試驗(yàn)情況詳細(xì)介紹如下，與大家共享交流。

1 試驗(yàn)應(yīng)用情況

1.1 礦區(qū)地理、交通位置及鉆場(chǎng)布置

鉆探生產(chǎn)示范區(qū)位于遼西地區(qū)金羊盆地，遼西地區(qū)金羊盆地走向長(zhǎng)約200 km，東西寬約39 km，面積約5530 km2，呈NE向展布，部署的“羊D1井”處于金羊盆地西南天門斷裂帶中部，位于北票章吉營子鄉(xiāng)北西約5 km處[3]。

交通位置：遼寧省北票市上園鎮(zhèn)土寶營村史家梁屯。北票市境內(nèi)的錦承鐵路可直通北京、沈陽、大連、錦州、承德等城市，國道101、305線和長(zhǎng)深高速貫穿城鄉(xiāng)。中心城區(qū)距朝陽機(jī)場(chǎng)45 km、距錦州港口150 km。

圖1 金羊盆地示意

圖2 金羊盆地構(gòu)造分區(qū)與羊D1井位置示意

氣象水文：工作區(qū)地處中緯段，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。北部受蒙古高原高壓影響較大，氣候大陸性特性特征顯著。東南部距渤海雖不足百公里，但由于受燕山山脈阻隔，南來暖濕氣流不能流入境內(nèi)，所以形成半干旱半濕潤的易旱地區(qū)。境內(nèi)四季雨熱同期，日照充足，晝夜溫差較大。

風(fēng)力：2～3級(jí)，最大可達(dá)3～7級(jí)。

氣溫、降雨：氣溫在-20～40 ℃，工區(qū)冬季有發(fā)生暴雪可能，有輕雪災(zāi)的災(zāi)害天氣，春、夏季需要預(yù)防大風(fēng)、沙塵天氣及瞬時(shí)集中降雨形成的泥石流災(zāi)害。

為順利地完成示范鉆探工程，按照設(shè)計(jì)要求組織施工人員，將設(shè)備、器材運(yùn)進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，做好開鉆前的準(zhǔn)備工作，如修通道路、平整場(chǎng)地，建好現(xiàn)場(chǎng)值班室、倉庫，架設(shè)好供電線路，安裝好水泵站、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、儲(chǔ)水池、廢漿池等。鉆場(chǎng)布置見圖3，施工現(xiàn)場(chǎng)圖見圖4。

1.2 地質(zhì)情況

本次生產(chǎn)示范所施工的鉆探孔編號(hào)為YD01，設(shè)計(jì)的傾角為90°，設(shè)計(jì)深度為2500 m。地層情況為：0～2 m為第四系；2～1100 m為土城子組，以凝灰質(zhì)砂巖、泥砂質(zhì)膠結(jié)礫巖夾砂巖、頁巖夾粉砂巖為主；1100～1200 m為髫髻山組，以火山巖段為凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)集塊巖，沉積巖為炭質(zhì)泥巖和煤線為主；1200～2450 m為北票組，以礫巖，礫巖夾泥頁巖、煤層和煤線為主；2450～2500 m為興隆溝組，以角礫巖、安山集塊巖、安山質(zhì)角礫巖、安山巖為主。巖石可鉆性3～7級(jí)，局部研磨性特強(qiáng)，該區(qū)局部構(gòu)造較為完整。

圖3鉆場(chǎng)布置圖

圖4 施工現(xiàn)場(chǎng)圖

1.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

依據(jù)地質(zhì)資料預(yù)算、YDX-6型鉆機(jī)設(shè)計(jì)鉆探能力、同時(shí)考慮井控裝置中套管與防噴器級(jí)別的匹配，鉆孔擬采用二級(jí)成孔。表面覆蓋層開孔直徑194 mm，采用牙輪鉆頭和?89 mm標(biāo)準(zhǔn)鉆桿全面鉆進(jìn)，鉆深25 m，下入?178 mm孔口管。一開采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)，鉆孔直徑122 mm，采用P規(guī)格金剛石繩索取心鉆桿、鉆具、鉆頭鉆進(jìn)至1450 m。二開采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)，鉆孔直徑97 mm，采用H規(guī)格加強(qiáng)型金剛石繩索取心鉆桿、鉆具、鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。鉆孔結(jié)構(gòu)圖見圖5。

圖5 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

為施工中能安全可靠下入套管，包括套管頭內(nèi)各層套管的懸掛座封邏輯、下入次序等關(guān)系。選用?178 mm的API套管作為固井套管，固井深度150 m。在一開至300 m時(shí)拔出孔口管，進(jìn)行245 mm口徑擴(kuò)孔下套管，之后進(jìn)行固井作業(yè)，為安裝井控裝置做準(zhǔn)備。為了保證進(jìn)行?122 mm口徑鉆進(jìn)時(shí)返漿速度≤0.3 m/s，在?178 mm套管內(nèi)插入150 m口徑為146 mm的地質(zhì)套管，以減小?178 mm套管內(nèi)的環(huán)狀間隙從而提高返漿流速[4]。

1.4 主要設(shè)備及器具

鉆機(jī)主要參數(shù)見表1，主要配套器具見表2，主要施工工具見表3。

表1 YDX-6型鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 施工主要配套器具

表3 主要施工鉆具

1.5 鉆進(jìn)過程與沖洗液

本井于2016 年3 月1 日開鉆，2016 年3月23 日經(jīng)過245 mm 口徑擴(kuò)孔、安裝井控、側(cè)鉆、下套管、固井等階段一開完鉆。一開使用?122 mm 孕鑲金剛石鉆頭，進(jìn)尺1476.7 m。一開擴(kuò)孔采用?216/245 mm PDC 鉆頭，先進(jìn)行?216 mm 孔徑擴(kuò)孔，后進(jìn)行?245 mm擴(kuò)孔。擴(kuò)孔完成后下?178 mm 套管固井，安裝35 MPa 井控裝置。一開鉆至1476.7 m下?114 mm套管1475.4 m，實(shí)施固井作業(yè)。

一開主要鉆遇上侏羅統(tǒng)土城子組、中侏羅統(tǒng)髫髻山組，由于上部易垮塌，可能含有淺層氣，采用滿眼鉆具組合防斜，旋轉(zhuǎn)開孔，并采用輕壓吊打的方。充分循環(huán)攜砂，根據(jù)井深和鉆速情況不斷調(diào)整泵量。及時(shí)調(diào)整鉆井液性能滿足井下攜砂要求，保證泥漿泵鉆進(jìn)上水良好。為保證下套管順利，一開完鉆后進(jìn)行起下鉆掃孔，充分循環(huán)鉆井液清洗井底。上侏羅統(tǒng)土城子組二段50.45～500.52 m、上侏羅統(tǒng)土城子組一段500.52～1207 m井段地層較軟，地層容易縮徑、垮塌，鉆井液配置：1 m3水+2%～3%膨潤土+0.3%純堿+0.3%～0.5%LV-PAC+0.2%～0.3%K-PAM+0.5%銨鹽。在1000～1050 m發(fā)生垮塌后掉套管導(dǎo)至施工無法繼續(xù)，決定采用側(cè)鉆避開該井段。側(cè)鉆采用氯化鉀鉆井液體系：1 m3水+2%～3%膨潤土+0.3%純堿+0.4%～0.5%K-PAM+5%～7%KCl+0.8%～1%LV-PAC，孔壁較穩(wěn)定，順利完成測(cè)鉆。

二開主要鉆遇中侏羅統(tǒng)髫髻山組，地層較硬，裂隙較多，多為方解石填充，容易反生井漏、井塌。二開井眼尺寸：?99.5 mm，井段：1476.7～2019.22 m。2016 年9 月24 日二開開鉆，2017 年1 月2 日由于井下情況復(fù)雜，鉆孔風(fēng)險(xiǎn)極大，二開完鉆，完鉆井深2019.22 m。鉆具組合：ST-04 水龍頭+轉(zhuǎn)換接頭+H規(guī)格繩索取心鉆桿+H規(guī)格繩索取心鉆具+?99.5 mm金剛石鉆頭。采用氯化鉀強(qiáng)抑制鉆井液體系，隨鉆加入多種堵漏材料效果均不理想。二開配合測(cè)井四次，由于井內(nèi)孔壁極不規(guī)則，四次通井作業(yè)均未能順利下放測(cè)井儀器，為保證測(cè)井儀器安全，僅實(shí)施了部分測(cè)井項(xiàng)目。

1.6 鉆進(jìn)效果

該井終孔深度2019.22 m，完成取心共計(jì)677回次，巖心長(zhǎng)度總計(jì)2010.39 m，全井巖心采取率最低75%，最高100%，平均取心率高達(dá)99.56%。孔深與回次數(shù)關(guān)系見圖6。

圖6 孔深與回次數(shù)關(guān)系圖

2 YDX-6型鉆機(jī)與井控設(shè)備銜接

井控設(shè)備一般包括鉆井四通、防噴器組、防溢管及對(duì)應(yīng)管線等，安裝這些需要一定高度，需滿足防噴管線的出口位置從井口貼地面而出[5]。由于地質(zhì)巖心鉆機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)一般不會(huì)考慮安裝井控設(shè)備，因此鉆機(jī)平臺(tái)下部沒有足夠空間，而YDX-6型鉆機(jī)1.8 m高的平臺(tái)為井控設(shè)備提供足夠的安裝空間，可滿足石油天然氣行業(yè)鉆井要求，即井控設(shè)備安裝以后內(nèi)控管線應(yīng)貼地面而出。本井在固井時(shí)，將固井套管與套管頭連接螺紋設(shè)計(jì)在地表之下，完成固井之后，再通過鉆井四通與防噴器、防噴管線、節(jié)流壓井管匯連接。井口裝置見圖7。

圖7 井口防噴器

3 YDX-6型鉆機(jī)與錄井設(shè)備銜接

按照地質(zhì)設(shè)計(jì)，工程設(shè)計(jì)等相關(guān)規(guī)范要求本項(xiàng)目需開展巖心熒光、鉆時(shí)、轉(zhuǎn)速、扭矩、泵壓、井深、泵沖、氣測(cè)、泥漿性能、井溫與井口油氣觀察等多項(xiàng)地質(zhì)綜合錄井工作。這些參數(shù)中與設(shè)備有關(guān)的項(xiàng)目包括鉆時(shí)、轉(zhuǎn)速、扭矩、井深、泵沖、泵壓等參數(shù)，若使用常規(guī)巖心鉆機(jī)需增加各個(gè)功能的傳感器，而YDX-6型鉆機(jī)采用數(shù)字化操作，鉆進(jìn)過程中對(duì)各個(gè)鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)框圖見圖8，同時(shí)YDX-6型鉆機(jī)提供RS-232接口，錄井設(shè)備通過RS-232串口實(shí)時(shí)調(diào)用鉆機(jī)的鉆探參數(shù)。

圖8 YDX-6型鉆機(jī)鉆進(jìn)過程參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)框圖

4 YDX-6型鉆機(jī)在生產(chǎn)示范應(yīng)用中的性能表現(xiàn)

(1)本輪實(shí)驗(yàn)采用P規(guī)格加強(qiáng)型繩索取心鉆桿鉆到為1476.7 m，采用H規(guī)格加強(qiáng)型鉆桿鉆到2019.22 m，基本達(dá)到鉆機(jī)設(shè)計(jì)能力，但是鉆機(jī)整體性能還未能完全體現(xiàn)出來。

(2)動(dòng)力頭工作穩(wěn)定，即使在夏天高溫天氣，動(dòng)力頭整體溫升也正常，潤滑系統(tǒng)工作可靠。

(3)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用負(fù)荷敏感控制系統(tǒng)、恒功率控制系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用效果好。液壓油散熱系統(tǒng)工作可靠，即使在室外最高溫，液壓油溫升一直在允許范圍內(nèi)。

(4)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中YDX-6型巖心鉆機(jī)主要性能表現(xiàn)見表4。

5 結(jié)論及建議

(1)YDX-6型鉆機(jī)在第二次野外生產(chǎn)示范試驗(yàn)中取得成功，展示了它的優(yōu)良性能，滿足以金剛石繩索取心鉆進(jìn)為主體的深孔地質(zhì)鉆探工藝要求，在深部礦產(chǎn)資源勘查、油氣井勘查等中能夠提供技術(shù)裝備支撐。

表4 YDX-6型鉆機(jī)性能參數(shù)表

(2)該鉆機(jī)為多功能鉆探裝備，既可用于深孔巖心鉆進(jìn)，也可用于我國淺部石油勘探，以及新興能源如煤層氣、頁巖氣、干熱巖等的勘探，既可以打叢式井，又可以鉆進(jìn)定向孔，因此，該鉆機(jī)將有非常大的潛在市場(chǎng)。