氣舉反循環(huán)技術(shù)在地?zé)徙@井中的應(yīng)用
在新鄉(xiāng)太行山脈地區(qū)基巖地?zé)峋┕ぶ�，鉆遇上部奧陶寒武灰?guī)r地層時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重漏失現(xiàn)象，且該地層漏失點(diǎn)多，需多次堵漏，堵漏時(shí)間長(zhǎng)成本高，正循環(huán)泥漿鉆進(jìn)無(wú)法施工。隨后采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)，成功實(shí)施深度達(dá)2551.48 m的地?zé)峋�，順利在太古界片麻巖構(gòu)造地層中找到地?zé)崴�，水�?0 m3/h,水溫55℃。本文介紹了該地?zé)峋┕さ闹饕O(shè)備、鉆頭設(shè)計(jì)、鉆具組合及鉆探施工技術(shù)，并對(duì)鉆探施工中的難點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)體會(huì)進(jìn)行了總結(jié)，為同類工程施工提供借鑒。
1、 項(xiàng)目概況
為開(kāi)發(fā)新鄉(xiāng)市云龍山大健康文化產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目，提升文化園內(nèi)旅游產(chǎn)業(yè)品味，使用綠色能源，促進(jìn)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(shí)業(yè)有限公司委托施工一口地?zé)峋?/p>
該項(xiàng)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(wèn)題時(shí)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(shí)現(xiàn)了太古界片麻巖地區(qū)地?zé)峥碧降男峦黄啤Ｗ罱K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(yè)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(yè)巖，主要為黃色板狀白云質(zhì)泥灰?guī)r夾紫紅色頁(yè)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(yè)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(yè)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(guò)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(yùn)動(dòng)比較活躍，并多呈繼承性活動(dòng)。
(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(zhǎng)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(dòng)。據(jù)鉆孔資料，上第三系上部泥灰?guī)r被斷開(kāi)，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(guò)本井區(qū)域，對(duì)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(dá)含水層，需要通過(guò)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(tuán)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(qiáng)，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(jìn)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(jī)和與之配套的LG.VF-10/60高壓空氣壓縮機(jī)及HS-37型四腳鉆塔。LG.VF-10/60高壓空氣壓縮機(jī)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(dòng)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(hù)管30 m, 確保上部孔壁安全穩(wěn)定。在一開(kāi)鉆進(jìn)時(shí)首先采用正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，使用直徑346 mm鉆頭鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)至231 m深?yuàn)W陶系灰?guī)r地層時(shí)，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(cè)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(jìn)工藝[2]廣泛應(yīng)用于漏水嚴(yán)重的基巖地層中，彌補(bǔ)了大漏失地層無(wú)法正常泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)的不足，鉆進(jìn)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(jì)
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(gè)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(kāi)直徑為50 mm進(jìn)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(jiàn)圖1。
Fig.1 Air-lift reverse circulation bit
3.2.2 、鉆具配置
依據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)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(dòng)(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(dòng)(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(dòng)(雙壁)鉆桿。
3.2.3、 施工參數(shù)
本井一開(kāi)井段(0～325.15 m)使用正循環(huán)鉆進(jìn)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(jìn)，各井段詳細(xì)鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表1。
氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)效率主要取決于壓縮空氣的壓力、風(fēng)量以及混合器沉沒(méi)在水中的深度[4],以下為氣舉反循環(huán)主要鉆進(jìn)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(guò)鉆鋌總重量的2∕3,以防孔斜。②采用40～70 r/min轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)即可，不能盲目使用高速，以防產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，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(jī)啟動(dòng)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(jìn)。④風(fēng)量10 m3/min。⑤混合器埋深應(yīng)采用不低于50%的沉沒(méi)比，隨著井深的增加逐漸增大沉沒(méi)比，混合器埋深150～227 m, 最大沉沒(méi)比保持在70%以上。⑥雙壁鉆具與井深比為1∶10至1∶2[5]。
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(kāi)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(guó)產(chǎn)無(wú)縫石油鋼管及裸孔成井，井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
Fig.2 Well completion diagram
一開(kāi)，井深0～325.15 m, 下入直徑425 mm保護(hù)管30 m, 采用直徑346 mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)，下入直徑273.1 mm國(guó)產(chǎn)無(wú)縫石油鋼管作為泵室段套管，鋼級(jí)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(kāi)，井深325.15～1066.50 m, 采用直徑311.1 mm牙輪鉆頭鉆進(jìn);下入直徑244.5 mm國(guó)產(chǎn)無(wú)縫石油鋼管作為生產(chǎn)套管，鋼級(jí)J55,壁厚8.94 mm, 長(zhǎng)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(kāi)，井深1066.50～2551.48m, 采用直徑215.9 mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)，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(jìn)，先鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，測(cè)井后根據(jù)測(cè)井結(jié)果選擇止水位置，然后擴(kuò)孔下入石油套管。采用架橋法固井[10]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(shí)水泥下沉進(jìn)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(hào)為硅酸鹽水泥P.O 42.5。
4.3、 洗井
本地?zé)峋@進(jìn)時(shí)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(yàn)開(kāi)展前，對(duì)鉆井開(kāi)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(hào)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(jìn)至奧陶系石灰?guī)r地層時(shí)，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(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)，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(jìn)孔徑較大，灰?guī)r白云巖鉆進(jìn)速度快，巖屑在單位時(shí)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(guò)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(shí)在鉆頭上部開(kāi)一個(gè)進(jìn)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(jìn)水孔孔徑由50 mm縮小為40 mm,從而減小巖屑的進(jìn)入量;④同時(shí)加大混合器的沉沒(méi)比，以提高上返水的攜砂能力。
在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，合理選擇鉆探工藝，在能達(dá)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(shí)也能獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。在開(kāi)展施工前，應(yīng)合理選用鉆具、空壓機(jī)、鉆機(jī)等設(shè)備;在實(shí)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(méi)深度、鉆速等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理各類異常現(xiàn)象，避免發(fā)生事故[11]11]。
結(jié)論
對(duì)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(jìn)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(shí)踐，驗(yàn)證了氣舉反循環(huán)對(duì)深井施工的適應(yīng)性和高效性，該井的施工深度達(dá)到了2551.48 m, 且隨著深度的增加，鉆進(jìn)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(diǎn)[16,17,18,19,20]:
(1)鉆進(jìn)效率高。使用氣舉反循環(huán)鉆井時(shí)，在鉆遇全漏失地層(正循環(huán)鉆進(jìn)必須堵漏),孔內(nèi)水位滿足氣液混合器沉沒(méi)比≥50%的條件下，無(wú)需堵漏，可以正常連續(xù)施工。施工中井底巖屑大多被及時(shí)帶走，減少巖屑重復(fù)破碎，提高鉆進(jìn)效率，該井的鉆進(jìn)效率提高了45%左右。
(2)施工成本低。采用清水鉆進(jìn)，節(jié)約了泥漿材料的費(fèi)用;不再使用泥漿泵，減少泵損耗配件的費(fèi)用;降低鉆頭磨損速度，延長(zhǎng)了鉆頭的純鉆進(jìn)時(shí)間，單個(gè)鉆頭進(jìn)尺顯著增大;同時(shí)，減少了起下鉆次數(shù)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
(3)安全性能好。清水鉆進(jìn)，無(wú)泥皮不會(huì)發(fā)生粘鉆事故，孔內(nèi)干凈無(wú)巖屑不會(huì)發(fā)生埋鉆事故。
(4)提高出水量。清水鉆進(jìn)，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(dá)到了1248 m3/d, 遠(yuǎn)超過(guò)了700 m3/d的設(shè)計(jì)要求，相比正循環(huán)鉆進(jìn)的鹽酸、空壓機(jī)等洗井步驟，不僅節(jié)約了洗井費(fèi)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(qiáng)，巖屑延遲時(shí)間短且?guī)r樣干凈，在漏失地層中可以開(kāi)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。
建議[21,22,23,24,25]
(1)氣舉反循環(huán)工藝對(duì)孔內(nèi)水位有嚴(yán)格的要求，沉沒(méi)比≥50%時(shí)應(yīng)用效果良好;當(dāng)沉沒(méi)比<50%時(shí)，應(yīng)用攜砂能力差，鉆進(jìn)效率低。
(2)由于受沉沒(méi)系數(shù)的限制，氣舉反循環(huán)不能地表鉆進(jìn)，開(kāi)孔階段要選用泥漿鉆井工藝。
(3)在施工時(shí)設(shè)備能力到達(dá)的情況下應(yīng)盡可能采用較大的沉沒(méi)比，最小不低于50%,隨著井深的增加，應(yīng)逐漸加大沉沒(méi)比，以提高泥漿攜粉能力，本井的沉沒(méi)比最大為1∶3。隨著沉沒(méi)比提高，可以進(jìn)一步增加鉆進(jìn)深度。
參考文獻(xiàn)
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《氣舉反循環(huán)技術(shù)在地?zé)徙@井中的應(yīng)用》來(lái)源：《地質(zhì)裝備》，作者：靳廷朝
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