东北某盆地天然气水合物钻探施工实践

2013-12-05赵宝军马秀春

钻探工程 2013年8期

赵宝军，马秀春

(齐齐哈尔矿产勘查开发总院，黑龙江齐齐哈尔161006)

1 工程概况

天然气水合物被誉为21世纪潜在的新型能源。在地球海洋中，天然气水合物的总量换算成甲烷气体，其含碳量是目前世界已知石油、天然气、煤炭的2倍。陆地冻土天然气水合物广泛分布在永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。近几年，我国开始勘探陆地冻土天然气水合物。其中东北漠河地区由于构造沉降形成的某盆地，存在多年冻土，同时其中充填大量的中生代沉积，为油、气资源的形成提供了物质来源，成为冻土水合物勘查的首选目标之一。为此，在该区域部署了少量钻探工程，探求该盆地可燃冰的赋存及深部的地质情况。

1.1 冻土天然气水合物钻孔技术要求

(1)设计深度:1600 m(全孔取心)±100 m。

(2)岩心采取率≥80%，矿心及疑似矿心的采取率≥90%。

(3)钻孔倾角度:顶角≤2°/100 m，每钻进50 m测斜一次。

(4)岩心直径:终孔直径≮65 mm。

(5)取心长度:坚硬完整无异常地层2.5～3.0 m;破碎带异常地层小于或等于1.5 m。

(6)回次钻进时间:坚硬完整无异常地层无具体要求;破碎带异常区地层小于或等于1 h。

(7)泥浆进孔温度:坚硬完整无异常地层0～5℃;破碎带异常区地层0～2℃。温度测量以泥浆泵出口端进井温度为准。

1.2 以往钻探揭露地层情况

地层有沉积岩和变质岩2类。岩石以糜棱岩、板岩、砂岩为主。地表为沼泽地，开钻遇到近20 m厚的卵砾石，下部有近110 m厚的糜棱岩，夹有石英岩，坚硬打滑。

在钻孔深度172、253、261、321、447 m处有5层破碎带，钻孔深度172 m处坍塌、掉块严重。

1.3 钻塔地基制作

该地区地表为沼泽地，每年11月中旬到第二年5月初为冻结状态，随着夏季的到来慢慢开始融化呈松散状态。因此，钻塔地基制作显得非常重要，为此提出如下技术要求:

(1)地基极限承载≮1100 kN，且地基应坐在岩性均匀的地层上，保证钻机平台可均匀沉降。

(2)为预防井喷，在地表加装防喷器(电动液压);要求机场做硬地坪处理。

(3)钻塔底梁用型钢“牛腿”支撑离地2.3 m高，形成钻探操作平台。钻塔地基要做预埋螺栓并做准确定位。

按8.5 m×8.5 m制作正方形地基，以钻孔中心向两侧均布。坑底做沉砂垫层10 cm。钻塔基础厚度按1.5 m。绑扎钢筋笼(12 mm为主筋，6 mm为绕筋)按保护层10 cm制作。为上下3层，埋设地脚螺丝焊接在钢筋笼上，尺寸按现场实测确定。混凝土级别C30以上现场搅拌，并做好养生保温工作。环境温度较低时可搭塑料棚保温。

图1为钻塔及底座示意图。

图1 钻塔升高示意图

2 钻探设备、机具选择及钻孔结构

2.1 钻机及主要设备选择(见表1)

2.2 钻探工具

表2 各种钻具规格组合 /mm

绳索取心钻杆是深孔取心钻进非常关键的一个环节，直接影响深孔钻探施工的安全和成败，对钻探工期和经济效益亦有重大影响。我们从材质和螺纹强度上都提出严格的要求。另外，配套的夹持器等也进行了重新计算和设计。各种钻具规格组合见表2，使用的主要钻柱及工具主要有如下这些。

(3)钻塔配用三轮六绳滑轮组。提引器加配重，以增加提引器的下落速度。

根据钻探施工设计，结合地层变化因素，最终的钻孔结构如下。

开孔:钻孔直径219 mm，钻进深度20.60 m，采用冲击钻进方法，下入168 mm孔口管。换径，采用152 mm钻头绳索取心回转钻进至30.40 m，下入146 mm套管。

一开:钻孔直径135.5 mm，钻孔深度477 m。采用绳索取心钻进方法，下入114 mm套管477 m。

二开:钻孔直径98 mm(H规格绳索取心)，钻孔深度1700.83 m，下入146 mm套管30.4 m。

该地区0～20 m为卵砾石层，卵石最大直径20～30 cm，而且呈冰冻状态，采用回转钻进、泥浆护壁，冰冻状态会逐渐溶解，导致孔壁坍塌。强行钻进会发生大径卵石随钻头下行导致钻孔开偏，不利于下步施工。为此，采用冲击钻进，高粘度水泥泥浆护壁，选择冲击钻头进行往复冲击钻进，在大密度水泥泥浆护壁的情况下保证地层压力平衡，保证套管下放顺利。表层套管要进行水泥浆回灌为下一步安装防喷器打下基础。

3 钻探技术措施

陆地冻土天然气水合物钻探与岩心钻探要求有所不同:首先，回次进尺≯3 m，破碎地层≯1.5 m;第二，回次钻进时间≯1 h，以防止天然气水合物融化分解;第三，钻进中，冲洗液进井温度必须控制在0～2℃;第四，钻进冲洗液必须有高效的润滑性能，且不能产生气泡和污染样品。针对以上特殊要求，应采取以下钻进技术参数和工艺技术措施。

3.1 深孔段钻进参数

孔段477～1700.83 m，钻孔直径98.5 mm，立轴转速95～487 r/min，钻压10～20 kN，泵量120～160 L/s，泵压40～90 MPa。

3.2 施工中的主要技术措施

(1)为防止钻杆折断事故的发生，应在保持合适进尺速度的条件下，尽量采用低钻压、慢转速。

(2)严格执行倒杆拉伸制度，仔细观察钻参仪大钩荷载数值。钻参仪大钩荷载数值应大于孔内钻具的实际质量，倒杆前刹紧卷筒，然后进行下一步操作。

(3)内管到位的确定:认真监听孔内回声。按每100延米2 min计算。必要时可采用绳索取心绞车送下去，即在前一次打捞岩心时做好标记。防止“打空管”导致提钻。

(4)认真检查卡簧、卡簧座的磨损情况，防止岩心脱落导致提钻。

(5)当班班长应认真观察泵压的变化情况，发现泵压突然大幅度下降，应及时寻找原因，防止钻杆穿刺和折断事故发生，如由于泵压下降而提钻时，禁止下捞矛捞取内管以防止捞矛卡在孔内，钢丝绳掉入孔中。

(6)钻杆入井前要严格检查其丝扣、管体，发现丝扣损坏、管体变形、螺纹磨圆等问题要马上更换，防止问题钻杆入井。

(7)提下钻时要认真检查每一个立根的连接情况，发现问题及时更换。

(8)每一次提钻后都要认真检查、测量钻头、扩孔器尺寸和磨损情况，做到钻头排队使用每次提钻都要更换钻头、扩孔器并且仔细检查弹卡室情况。

(9)提下钻时要匀速慢提，注意回灌泥浆，保持孔壁稳定，严禁猛提快下导致孔内掉块增加，在长距离扫孔时又造成钻头损坏而提钻的恶性循环。

(10)开孔套管下完后，要进行水泥浆回灌处理，二层套管要做隔水，三层套管采用反丝扣，并在各连接处采用专用胶密封防止倒扣脱节。特别提出套管的机械性能要求。

(11)严格执行交接班制度，交班班长要详细介绍孔内及地面设备运行情况，交班记录员要认真介绍地面准备入井的钻具、钻杆、卡簧、卡簧座的使用和质量情况。

(12)发现泵压突然持续升高，应将钻具迅速提离孔底，分析出原因后方可开始正常钻进。

(13)严禁用大锤敲击钻杆接头，要使用高质量的高压密封脂涂抹钻杆螺纹。

(14)机、班长每天要检查钻机主绳和绞车钢丝绳的使用情况，发现问题及时更换。

3.3 钻具的减震与润滑

冻土天然气水合物钻探取样，应尽量减小钻具的震动，达到回转平稳、进尺均匀。钻具的抖动会导致摩擦热不利于可燃冰取样，借助钻参仪可观察到小时进尺数值的变化控制在1.8～3 m，进尺陡增到3 m/h以上并进尺在10 cm时，必须提钻取样。有时，钻具的抖动导致钻参仪很难准确反应进尺数值的变化，为达到这一要求我们采用在钻具上部增加稳定器3道，每隔3 m加一道的措施。稳定器外径与使用的扩孔器外径一致并在稳定器上铣出8～10个水口。

大直径深孔绳索取心钻探，钻具润滑非常关键，尤其是冻土天然气水合物钻探取样既有回次进尺长度限制又有回次钻进时间限制，而且还要达到应有的经济效益和生产效率，既要保证取样技术要求又要有较高的生产效率，就必须使钻具有一定的转数，满足金刚石钻探工艺的需求。我们除采用具有高润滑性能的泥浆外，在钻杆外侧涂抹专用的润滑脂，该涂抹脂是我们经过反复试验研制的，其性能特点是附着力强、润滑性能好，制作、使用方便，效果好。涂抹方法下钻时人工涂抹和专用的涂抹装置。表4为润滑脂配方表。

表4 润滑脂配方 /%

3.4 钻头的使用情况

加大起钻间隔可提高钻探效率，但绳索取心钻进的起钻间隔受钻头使用寿命的直接影响。为此，我们对钻头工作层高度提出了15 mm的要求，尽量提高钻头的使用寿命，减少提钻时间。同时，严格执行排队使用。

钻头平均寿命76.49 m。最高的202.5 m，最差的1.51 m，属非正常使用，是在下钻过程中遇掉块扫孔造成的(详见表5)。

3.5 低温泥浆的配制、维护

3.5.1 低温泥浆的配制

根据陆地冻土水合物钻探特殊情况和以往千米以深深孔的施工经验，选用了3种泥浆配方:

(1)CMC+PAM+皂化溶解油+氯化钠无粘土乳化泥浆。具有携粉、润滑、絮凝能力强的优点，并具有一定的网状结构，是本次施工首选的主力类型，在正常施工中使用，它是通过调整CMC、PAM的含量来调节泥浆的性能，CMC胶液的比例要大于50%。氯化钠的加入是为了有效的控制孔底水合物的分解。其加量是控制低温泥浆冰点温度的关键，通常可控制在－10℃以下。

表5 钻头实际使用情况

(2)钠土+CMC+改性石蜡胶液+防塌剂型低固相防塌泥浆。具有优良的防塌降失水性能，还具有一定的润滑减阻功能，在水敏地层、易垮塌地层、泥加石地层等复杂地层中使用，在孔壁形成泥皮后再视情况逐渐调整到第一种泥浆类型。

(3)CMC+PAM+皂化溶解油+氯化钾。氯化钾的添加量要少于氯化钠就能达到泥浆冰点零下的要求。但是氯化钾的价格要高于氯化钠(约4倍)。

3.5.2 低温泥浆维护

(1)施工现场配备了2个容积3 m3的搅拌罐和一个3 m3的配药罐，常备高浓度CMC胶液2 m3。

(2)机台设专职泥浆工1人，负责泥浆的维护和处理、常规性能的测试、泥浆处理剂的配制，并经常检测泥浆的入井温度≯2℃。

(3)现场要储备足量的CMC、PAM、改性石蜡胶液、NV－1土、皂化溶解油、防塌剂和磺化沥青、FA－368、HA－树脂等泥页岩抑制剂。

(4)根据进尺和地层情况对泥浆进行及时调整，每进尺50 m要更换1/3的泥浆量。

(5)根据环境温度及时调整泥浆的冷却温度。

3.5.3 循环系统的布置

泥浆从孔内流出经过防喷器上出口，再通过密封管道流向1号箱(3 m3)，1号箱设有气体分离器通向气体分析室，实时监测泥浆中甲烷气体的含量。并且还设有2PN水泵进行泥浆的除砂除泥处理。然后流向2号箱。在2号箱中设有BW150型污泥泵对沉淀的岩粉及时排除。在3号箱中对泥浆制冷然后进入孔内，同时该箱泥浆的温度≯2℃。1～3号泥浆箱上部要有遮雨棚，防止阳光直接照晒、雨水侵蚀造成泥浆性能的改变。设有摄像头可在操作平台上看到泥浆的流出。在每一个泥浆箱上都有红外线测温仪，钻参仪上可准确反映体积的变化。