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        3500 m巖心鉆探裝備在油氣井勘查中的示范應(yīng)用

        2018-11-21 13:35:08任啟偉劉凡柏高鵬舉伍曉龍
        鉆探工程 2018年10期

        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)。

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