靳廷朝

(河南省地礦局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，鄭州 450045)

1 項目概況

為開發(fā)新鄉(xiāng)市云龍山大健康文化產(chǎn)業(yè)園項目，提升文化園內(nèi)旅游產(chǎn)業(yè)品味，使用綠色能源，促進云龍山大健康文化產(chǎn)業(yè)園的發(fā)展,受新鄉(xiāng)市德睿實業(yè)有限公司委托施工一口地?zé)峋?/p>

該項目取水層位為太古界片麻巖地層，太古界變質(zhì)巖系地層富水性差，找水難度很大，一般被視為“找水禁區(qū)”。 物探技術(shù)人員反復(fù)研究相關(guān)資料，結(jié)合物探數(shù)據(jù)解釋結(jié)果，最終確定井位。鉆井施工中，由于地層處于斷裂帶上，巖層破碎，塌孔、掉塊、卡鉆及容易偏斜等問題時有發(fā)生，采用氣舉反循環(huán)施工工藝[1]克服了種種困難，實現(xiàn)了太古界片麻巖地區(qū)地?zé)峥碧降男峦黄?。最終成井深度2551.48 m，水量50 m3/h，水溫55℃。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

本區(qū)地下水可劃分為兩種不同的基本類型。上部奧陶、寒武系碳酸鹽巖裂隙巖溶水地下水發(fā)育，其水量豐富，分布不均勻，但水溫低，需要隔離；下部太古界地層構(gòu)造裂隙發(fā)育，富水且水溫高。本次地?zé)崛∷康膶訛樘沤缙閹r構(gòu)造裂隙水。

2.1.1 太古界(Ar)

本區(qū)太古界為登封群，巖性主要為片麻巖、石英砂巖，鉆孔揭露865.00～2551.48 m。地層受青羊口斷層影響，地層深部構(gòu)造裂隙發(fā)育。

2.1.2 寒武系(∈)

(1) 下統(tǒng)(∈1)。自下而上分為辛集組和饅頭組。辛集組(∈1x)，鉆孔揭露750～865 m，下部巖性為紅色石英砂巖、紫紅色頁巖夾泥灰質(zhì)白云巖，上部為灰色薄、中厚層狀灰質(zhì)白云巖。饅頭組(∈1m)，鉆孔揭露630～750 m，底部為紫紅色粉砂巖、頁巖，主要為黃色板狀白云質(zhì)泥灰?guī)r夾紫紅色頁巖。

(2) 中統(tǒng)(∈2)。分為毛莊組、徐莊組和張夏組。毛莊組(∈2m)，鉆孔揭露500～630 m，下部為紫紅色頁巖、粉砂巖，上部以深灰色厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾透鏡狀白云巖層。徐莊組(∈2x)，鉆孔揭露400～500 m，上部為深灰色薄層狀含竹葉狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r及巨厚層鮞狀灰?guī)r，巖溶發(fā)育，下部主要為黃綠色頁巖，夾薄層灰?guī)r泥灰?guī)r。張夏組(∈2zh)，鉆孔揭露185～400 m，主要為灰、深灰色厚、巨厚層鮞狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶發(fā)育。

2.1.3 奧陶系下統(tǒng)(O)

為厚至巨厚細(xì)晶或粗晶白云巖，鉆孔揭露20～185 m，巖溶發(fā)育。

2.1.4 新近系(N)

為棕紅色、淺黃色及雜色砂質(zhì)黏土、泥灰?guī)r及泥質(zhì)砂巖，多未膠結(jié)或半膠結(jié)0～20 m。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)構(gòu)造部位處于新華夏系太行山隆起的東南邊緣和華北凹陷的過渡地帶，南鄰秦嶺緯向復(fù)雜構(gòu)造帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造痕跡以斷裂為主，新構(gòu)造運動比較活躍，并多呈繼承性活動。

(1)青羊口斷層(F1)。由青羊口經(jīng)本區(qū)金燈寺—北站延至新鄉(xiāng)一帶，全長大于100 km，走向北東25°～40°，傾向南東，為高角度正斷層，垂直斷距大于1000 m，該斷層晚近期仍有活動。據(jù)鉆孔資料，上第三系上部泥灰?guī)r被斷開，斷距60～90 m，反映到地貌形態(tài)上，此斷裂北西側(cè)為太行山麓的山岳地貌，南東側(cè)為堆積平原地貌。

(2)山彪—五陵斷層(F2)。由山彪、五陵與青羊口大斷層復(fù)合，走向北東40°～50°，傾向北西，斷距20～30 m，為正斷層，斷至上第三系泥灰?guī)r，從該斷層和青羊口斷裂成“入”字型斜接的關(guān)系看，可能是青羊口斷裂的分支斷層。該斷層穿過本井區(qū)域，對本井水文地質(zhì)條件有重要影響。

(3)西曲里斷層(F3)。由西曲里沿衛(wèi)河向北東方向延伸，走向北東40°左右，傾向南東，斷距20～40 m，向北東方向逐漸消失，為高角度正斷層，切穿地層至上第三系泥灰?guī)r。

2.3 施工條件分析

該地區(qū)地層老，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易偏斜、漏失，施工程序復(fù)雜，要到達含水層，需要通過高裂隙發(fā)育帶奧陶系灰?guī)r漏失層。巖性多變、軟硬不同，鉆頭選型困難；部分泥巖中含有鈣質(zhì)團塊，地層非均質(zhì)、夾層發(fā)育，巖性變化大，在井底形成非均質(zhì)切削；井內(nèi)掉塊導(dǎo)致蹩、跳鉆嚴(yán)重，極易造成鉆具脹扣和斷鉆具事故。辛集組砂巖層研磨性較強，太古界片麻巖可鉆性8～9，屬于硬巖，造成鉆頭的磨損速度快，鉆進效率低，極易疲勞損壞，導(dǎo)致鉆井周期和成本比較高。

3 鉆井工藝

3.1 設(shè)備選型

選用TSJ3000型水源鉆機和與之配套的LG.VF-10/60高壓空氣壓縮機及HS-37型四腳鉆塔。LG.VF-10/60高壓空氣壓縮機的公稱容積流量10 m3/min，額定排氣壓力6 MPa，108 mm×108 mm雙壁主動鉆桿及雙壁氣水龍頭，直徑114 mm內(nèi)平雙壁鉆桿300 m和89 mm(內(nèi)徑70 mm)單壁鉆桿。

3.2 氣舉反循環(huán)鉆井工藝

先用直徑445 mm鉆頭鉆孔，然后下入直徑425 mm保護管30 m，確保上部孔壁安全穩(wěn)定。在一開鉆進時首先采用正循環(huán)鉆進工藝，使用直徑346 mm鉆頭鉆進，在鉆進至231 m深奧陶系灰?guī)r地層時，孔內(nèi)漏漿嚴(yán)重，采用多種方法堵漏，地層仍漏漿嚴(yán)重。測試發(fā)現(xiàn)漏失地層富含地下水，地下水位50 m左右。

氣舉反循環(huán)鉆進工藝[2]廣泛應(yīng)用于漏水嚴(yán)重的基巖地層中，彌補了大漏失地層無法正常泥漿正循環(huán)鉆進的不足，鉆進效率、成井質(zhì)量都優(yōu)于正循環(huán)工藝。經(jīng)研究，本工程采用氣舉反循環(huán)鉆井工藝。

3.2.1 反循環(huán)鉆頭設(shè)計

常規(guī)鉆頭分刮刀鉆頭、三牙輪鉆頭及PDC合金鉆頭等，其中三牙輪鉆頭又分為鋼齒鉆頭和鑲齒鉆頭。反循環(huán)鉆頭需要在常規(guī)鉆頭中心切割出一個與鉆桿內(nèi)徑相通的圓孔，可以使井底刻取的巖屑在反循環(huán)作用下，經(jīng)鉆頭中心孔、鉆桿內(nèi)管排至地表[3]。

本井施工采用江漢石油設(shè)備廠生產(chǎn)的HJ517GK、HJT537G型、HJT547鑲齒牙輪鉆頭。在牙輪鉆頭中心位置開直徑為50 mm進水孔，鉆頭牙掌上設(shè)置鋼筋裙網(wǎng)，減少鉆頭邊部的磨損，增加出渣效果，鉆頭見圖1。

圖1 氣舉反循環(huán)鉆頭Fig.1 Air-lift reverse circulation bit

3.2.2 鉆具配置

依據(jù)地質(zhì)設(shè)計給出的地層剖面及巖性描述，本工程采用以下鉆具組合：①直徑346 mm鉆頭+直徑203 mm鉆鋌5根+直徑178 mm鉆鋌6根+直徑159 mm鉆鋌6根+直徑89 mm鉆桿+主動(雙壁)鉆桿；②直徑311.1 mm鉆頭+直徑203 mm鉆鋌+直徑203 mm鉆鋌+直徑308 mm扶正器+直徑203 mm鉆鋌3根+直徑178 mm鉆鋌6根+直徑159 mm鉆鋌6根+直徑89 mm鉆桿+直徑114 mm 雙壁鉆桿+主動(雙壁)鉆桿；③直徑215.9 mm 鉆頭+直徑159 mm鉆鋌+直徑159 mm 鉆鋌+直徑214 mm扶正器+直徑159 mm鉆鋌13根+直徑89 mm鉆桿+直徑114 mm雙壁鉆桿+主動(雙壁)鉆桿。

3.2.3 施工參數(shù)

本井一開井段(0～325.15 m)使用正循環(huán)鉆進工藝，泥漿泵排量23 L/s，泵壓2 MPa，之后的井段采用氣舉反循環(huán)鉆進，各井段詳細(xì)鉆進參數(shù)見表1。

表1 鉆井技術(shù)參數(shù)Table 1 drilling technical parameters

氣舉反循環(huán)鉆進效率主要取決于壓縮空氣的壓力、風(fēng)量以及混合器沉沒在水中的深度[4]，以下為氣舉反循環(huán)主要鉆進參數(shù)。

①根據(jù)不同地層情況、巖性、鉆頭尺寸及出渣情況調(diào)整鉆壓，上部灰?guī)r控制在80～120 kN，下部片麻巖、砂巖控制在30～80 kN，鉆壓不能超過鉆鋌總重量的2∕3，以防孔斜。②采用40～70 r/min轉(zhuǎn)速鉆進即可，不能盲目使用高速，以防產(chǎn)生劇烈振動，發(fā)生孔內(nèi)事故。③根據(jù)孔深、靜水位和“鉆屑能力”等確定風(fēng)壓，空壓機啟動風(fēng)壓2.6～3.2 MPa，工作壓力1.4～2.3 MPa，工作壓力如果低于0.8 MPa就不能形成氣舉反循環(huán)鉆進。④風(fēng)量10 m3/min。⑤混合器埋深應(yīng)采用不低于50%的沉沒比，隨著井深的增加逐漸增大沉沒比，混合器埋深150～227 m，最大沉沒比保持在70%以上。⑥雙壁鉆具與井深比為1∶10至1∶2[5]。

3.2.4 主要技術(shù)措施

①在施工時應(yīng)盡可能采用較大的沉沒比，最小不低于50%；雙壁鉆具的初始長度141 m，隨著井深的增加逐漸加大沉沒比，最后保持在70%以上，即混合器埋深180～227 m；空壓機風(fēng)量≥6 m3/min[6]。②本井的循環(huán)液來自井內(nèi)地層的自流補給，補給量大于15 m3/h，滿足氣舉反循環(huán)的沖洗液攜帶巖屑的需要。③雙壁鉆具要密封連接螺紋，不能用穿刺的鉆具，以免形成短路循環(huán)，發(fā)生燒鉆、埋鉆等事故。④送氣前鉆頭與井底保持一定距離，防止鉆頭水眼被井底的巖屑堵塞；待排出的水液清潔后，再將鉆頭緩慢送至井底。⑤當(dāng)攜帶出的巖屑濃度大時，應(yīng)控制鉆進速度，切勿突然停止送風(fēng)；加單根前，觀察出水液情況，待水液中基本不含巖屑后方能停風(fēng)加單根。⑥注意觀察排出水液量的大小變化及攜砂情況，當(dāng)水液量變小時，即刻檢查鉆頭、鉆具內(nèi)管是否堵塞，水液中巖屑是否過多，或井內(nèi)是否發(fā)生坍塌情況；當(dāng)水液中不含巖屑時，應(yīng)判斷是沉沒比不足，還是井底巖屑顆粒過大，水液攜帶不上來[7]。

3.2.5 鉆井液工藝

在深井鉆探施工中，鉆遇的地層非常復(fù)雜，而鉆進不同地層所采用的泥漿體系也不盡相同。本著安全與節(jié)約的原則，我們對于不同井段配置了不同體系的泥漿，氣舉反循環(huán)鉆進循環(huán)液為清水[8]。

在正循環(huán)鉆進時采用聚合物優(yōu)質(zhì)低固相泥漿液護壁，泥漿密度1.05～1.16 g/cm3，黏度25～45 s，API濾失量10 mL/30 min，pH 8～9，含砂量小于0.3%，泥餅厚0.5～1.0 mm。

在鉆進至231 m時井內(nèi)泥漿漏失嚴(yán)重，判斷為地層裂隙發(fā)育且富含地下水，在堵漏失敗后決定使用氣舉反循環(huán)鉆進工藝，鉆井液使用清水鉆進。本井采用的清水鉆進保護了水層，提高了鉆進效率，有效地保證了成井質(zhì)量。

4 成井工藝

4.1 鉆井結(jié)構(gòu)

該地?zé)峋删疃?551.48 m，采用三開式成井結(jié)構(gòu)的地?zé)峋甗9]，按不同井徑下入兩種不同規(guī)格國產(chǎn)無縫石油鋼管及裸孔成井，井身結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 成井結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Well completion diagram

一開，井深0～325.15 m，下入直徑425 mm保護管30 m，采用直徑346 mm牙輪鉆頭鉆進，下入直徑273.1 mm國產(chǎn)無縫石油鋼管作為泵室段套管，鋼級J55，壁厚8.89 mm，下深315.15 m，泵室段套管高出地面1.2 m。

二開，井深325.15～1066.50 m，采用直徑311.1 mm牙輪鉆頭鉆進；下入直徑244.5 mm國產(chǎn)無縫石油鋼管作為生產(chǎn)套管，鋼級J55，壁厚8.94 mm，長度746.15 m，下入至315.15～1066.50 m井段；在直徑273.1 mm、244.5 mm套管與井壁之間環(huán)狀間隙內(nèi)，采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥全段封固。

三開，井深1066.50～2551.48m，采用直徑215.9 mm牙輪鉆頭鉆進，此井段為太古系片麻巖地層，井壁穩(wěn)定，為采水目的層，決定采用裸孔成井。

4.2 固井工藝

本井采用反循環(huán)鉆井工藝鉆進，先鉆進至設(shè)計孔深，測井后根據(jù)測井結(jié)果選擇止水位置，然后擴孔下入石油套管。采用架橋法固井[10]，下管前在鉆孔直徑由311.1 mm變至215.9 mm處下入加工制作的木塞，木塞吸水膨脹卡在變徑處，然后投入黏土球0.2 m3，黏土球與木塞起到封隔器作用，預(yù)防固井時水泥下沉進入下部地層。管串結(jié)構(gòu)要求自下而上為：引鞋+水泥塞逆止閥+直徑244.5 mm套管+變徑接頭+直徑273.1 mm套管串。

固井水泥返至地面，水泥漿密度1.80 g/cm3，用量60 m3，標(biāo)號為硅酸鹽水泥P.O 42.5。

4.3 洗井

本地?zé)峋@進時采用清水作為沖洗液，避免了泥皮和巖屑堵塞出水裂隙通道的現(xiàn)象。施工完畢后即可下泵抽水，在水泥凝結(jié)固井結(jié)束后，在降壓試驗開展前，對鉆井開展洗井工作，洗井主要采用大泵量大降深抽水洗井抽水設(shè)備型號為200QJ50/180，抽水至鉆井內(nèi)流出清水為止。

5 施工中遇到的困難

當(dāng)鉆進至奧陶系石灰?guī)r地層時，出現(xiàn)了地層大漏失情況，改用氣舉反循環(huán)技術(shù)工藝。開始鉆進時，出現(xiàn)了鉆桿內(nèi)巖屑堵塞情況。

堵塞的原因是346 mm鉆頭鉆進孔徑較大，灰?guī)r白云巖鉆進速度快，巖屑在單位時間內(nèi)急劇增多，循環(huán)液中巖屑濃度增大，巖屑顆粒質(zhì)地差異大，在巖屑上升過程中出現(xiàn)了大量聚集現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆桿管徑內(nèi)局部堵塞。

解決方法：①減小鉆壓，將鉆壓控制在20～50 kN；②換用牙輪鉆頭中牙齒密、空隙小的鉆頭，減小巖屑顆粒的直徑，同時在鉆頭上部開一個進水口，保持上返水量不變，降低循環(huán)液中巖屑密度；③將鉆頭下部進水孔孔徑由50 mm縮小為40 mm，從而減小巖屑的進入量；④同時加大混合器的沉沒比，以提高上返水的攜砂能力。

在實際生產(chǎn)中應(yīng)結(jié)合實際情況，合理選擇鉆探工藝，在能達到要求的基礎(chǔ)上，可以選擇多種鉆探工藝結(jié)合鉆井，不僅提高工作效率，同時也能獲得更大的經(jīng)濟效益。在開展施工前，應(yīng)合理選用鉆具、空壓機、鉆機等設(shè)備；在實施中，還應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，合理選用風(fēng)量、風(fēng)壓、混合器沉沒深度、鉆速等參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)和處理各類異常現(xiàn)象，避免發(fā)生事故[11]。

6 應(yīng)用效果

6.1 井身質(zhì)量控制

6.1.1 井身質(zhì)量控制措施[12-13]

(1)開孔及下孔口套管(0～30 m)。開鉆前必須校正好天車、轉(zhuǎn)盤及井口，保證三者在一條垂線上，最大偏差不得超過20 mm，預(yù)防開孔就斜?？刹捎弥睆?00 mm鉆頭開孔，開孔應(yīng)輕壓、慢轉(zhuǎn)，開孔時采用滿徑鉆具組合，以免偏斜?？卓谔坠茼斆娓叱龅孛?0 cm為宜，安放時為保證孔口套管居中垂直，下入直徑400 mm鋼管，外邊用水泥砂漿封固。

(2)一開鉆進與安裝頂部開采套管(30～325 m)采用直徑346 mm鉆頭鉆進，采用滿徑扶正器加塔式鉆具結(jié)構(gòu)，及時校對指重表，保證加壓準(zhǔn)確，送鉆均勻。依據(jù)鉆機能力配置18 kN加重鉆鋌，鉆進奧陶系地層鉆壓控制在80 kN，轉(zhuǎn)速40～63 r/min，防止鉆孔偏斜。選用HJT517G合金鑲齒鉆頭。該段地層較硬且多有裂隙，漏漿嚴(yán)重，鉆進至231 m后地層出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，停鉆堵漏，堵漏失敗后經(jīng)研究決定采用氣舉反循環(huán)鉆井工藝。鉆進中每5 m撈取巖樣1個，放入巖樣箱，并及時進行地質(zhì)編錄。班報表應(yīng)特殊記錄泥漿消耗情況，泥漿漏失位置與漏失量，鉆進異常情況等。

(3)二開使用直徑311.1 mm鉆頭，鉆鋌12根，鐘擺式鉆具鉆進，由于該段對鉆孔垂直度要求很高，需嚴(yán)格控制鉆壓，堅持吊打確保了鉆孔垂直度。

(4)三開使用直徑215.9 mm鉆頭，采用鐘擺鉆具結(jié)構(gòu)，直徑214 mm扶正器加在第二根鉆鋌上部，調(diào)整鉆壓、控制井斜。及時測斜及時校對鉆壓儀，保證加壓準(zhǔn)確，送鉆均勻，保證井身質(zhì)量。

6.1.2 孔身質(zhì)量表

鉆孔的孔身質(zhì)量均達到設(shè)計要求，這充分說明鉆具組合和鉆進參數(shù)的工藝設(shè)計是正確的，取得了良好的效果，見表2[14]。

表2 孔身質(zhì)量表Table 2 hole body quality table

6.2 鉆進效率分析[15]

本井使用氣舉反循環(huán)鉆進大幅度提高了鉆進效率，在該地區(qū)深孔大口徑灰?guī)r、頁巖、片麻巖地層鉆進中，平均時效達到1.0 m/h，最高達到3 m/h，平均臺效達到450 m/臺月，比常規(guī)正循環(huán)鉆進提高150%以上。目前在河南地區(qū)鉆井記錄中是使用氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)施工最深的一口井。

本孔施工鉆進首先采用正循環(huán)鉆井工藝，后采用了氣舉反循環(huán)鉆井工藝，進尺2551.48 m，純鉆進用時2557 h，平均鉆速1.00 m/h。全孔平均臺月效率450 m，平均鉆進小時效率1.00 m，純鉆時間利用率為43.33%。一開正循環(huán)平均小時效率1.0 m，一開反循環(huán)鉆進平均小時效率0.85 m；二開平均小時效率0.98 m；三開平均小時效率1.1 m。

7 結(jié)論及建議

7.1 結(jié)論

對地下水位埋藏淺的富水地層、斷層破碎帶、溶洞及地下暗河發(fā)育段，在靜水位較淺的情況下，應(yīng)采用氣舉反循環(huán)鉆進工藝施工，在堵漏失敗后采用空氣反循環(huán)施工。該井的成功實踐，驗證了氣舉反循環(huán)對深井施工的適應(yīng)性和高效性，該井的施工深度達到了2551.48 m，且隨著深度的增加，鉆進一直保持較高的效率。氣舉反循環(huán)工藝具有以下的優(yōu)點[16-20]：

(1)鉆進效率高。使用氣舉反循環(huán)鉆井時，在鉆遇全漏失地層(正循環(huán)鉆進必須堵漏)，孔內(nèi)水位滿足氣液混合器沉沒比≥50%的條件下，無需堵漏，可以正常連續(xù)施工。施工中井底巖屑大多被及時帶走，減少巖屑重復(fù)破碎，提高鉆進效率，該井的鉆進效率提高了45%左右。

(2)施工成本低。采用清水鉆進，節(jié)約了泥漿材料的費用；不再使用泥漿泵，減少泵損耗配件的費用；降低鉆頭磨損速度，延長了鉆頭的純鉆進時間，單個鉆頭進尺顯著增大；同時，減少了起下鉆次數(shù)，降低了工人的勞動強度。

(3)安全性能好。清水鉆進，無泥皮不會發(fā)生粘鉆事故，孔內(nèi)干凈無巖屑不會發(fā)生埋鉆事故。

(4)提高出水量。清水鉆進，避免泥漿、巖屑堵塞地層裂隙的情況，施工完畢后即可下泵抽水，水量達到了1248 m3/d，遠(yuǎn)超過了700 m3/d的設(shè)計要求，相比正循環(huán)鉆進的鹽酸、空壓機等洗井步驟，不僅節(jié)約了洗井費用，而且成井質(zhì)量更高。

(5)準(zhǔn)確判斷地層巖性。攜砂能力強，巖屑延遲時間短且?guī)r樣干凈，在漏失地層中可以開展地質(zhì)撈樣等工作，撈取干凈的巖屑，便于準(zhǔn)確判斷地層巖性。

7.2 建議[21-25]

(1)氣舉反循環(huán)工藝對孔內(nèi)水位有嚴(yán)格的要求，沉沒比≥50%時應(yīng)用效果良好;當(dāng)沉沒比<50%時，應(yīng)用攜砂能力差，鉆進效率低。

(2)由于受沉沒系數(shù)的限制，氣舉反循環(huán)不能地表鉆進，開孔階段要選用泥漿鉆井工藝。

(3)在施工時設(shè)備能力到達的情況下應(yīng)盡可能采用較大的沉沒比，最小不低于50%，隨著井深的增加，應(yīng)逐漸加大沉沒比，以提高泥漿攜粉能力，本井的沉沒比最大為1∶3。隨著沉沒比提高，可以進一步增加鉆進深度。