“双孔方案”在沧州盐矿深部取心钻探的应用

景 龙， 李 伟， 崔国树

(河北省地矿局第四水文工程地质大队，河北 沧州 061000)

“双孔方案”在沧州盐矿深部取心钻探的应用

景 龙， 李 伟， 崔国树

(河北省地矿局第四水文工程地质大队，河北 沧州 061000)

在沧州深部盐矿普查项目中，施工完成的ZK002孔，500～3290 m孔段进行取心工作。钻探过程中，设计了深、浅“双孔方案”，分别采用地质和石油钻探设备，将常规岩心钻探技术与钻井取心技术组合，实现了两类设备、不同取心工艺之间的优势互补，最终降低了施工风险、确保了钻孔质量、节约了施工成本、缩短了工期。

深部钻探；取心技术；盐矿普查

沧州深部盐矿普查工作始于2012年。截止2016年底，已先后施工完成CY-1孔、ZK001孔、ZK002孔3个勘探孔，钻孔深度均达到深及特深孔级别[1]。以沧州盐矿普查钻探工程为依托，我队开展了沧州深部钻探、大口径盐矿取心钻进技术研究，通过对已完钻孔的施工总结研究，指导后期取心工作。特别在2016年指导施工完成ZK002孔钻探取心工作，采用了“双孔方案”，将常规岩心钻探技术与大口径钻井取心技术组合应用，最终钻探深度3290.12 m，应用效果良好。

1 组合取心技术方案

1.1 钻遇问题分析

以往完成了CY-1孔，孔深3000 m，取心段1650～3000 m；ZK001孔，孔深3451 m，取心段2300～3451 m。2016年计划施工ZK002孔，设计500 m至终孔全部取心。这种超3000 m全孔段的钻探取心工作，在工区内尚属首例，据以往经验，钻进中将遇到如下问题。

(1)地质条件复杂。工区是典型的新生界沉积盆地，勘探目的层为古近系沙河街组。区内连续沉积了新生代各组地层，包括第四系、新近系的明化镇组和馆陶组、古近系东营组和沙河街组(甚至钻达孔店组)等，不同时代成岩性的差异很大，缩径、坍塌、漏失、溶蚀将是施工面临的主要问题。在单孔内完成500 m至终孔的全部取心工作，即要克服上述所有的施工问题，风险大大增加。

(2)钻孔结构设计困难。重视钻孔结构设计，是保证安全高效施工的关键[2]。按照常规技术思路，浅部为非稳定地层，不同特性的地层需要套管层层护壁，每下一层套管孔径即要小一级，终孔要求矿层取心直径达到90 mm以上，如此计算，开孔直径需要很大，需要不断地取心再扩孔、下套管，如此施工难度倍增。

(3)工期难以保证。全孔段的深部钻探取心，施工速度慢，2016年内很难完工。

(4)资金难于确保。由于地质条件、工期、施工难度等综合因素的影响，按照CY-1孔、ZK001孔的全孔段大口径钻井取心方法施工，勘探经费明显不足。

1.2 技术方案

1.2.1 取心方式选择

借鉴目前类似工程，获取岩心的方式可采用绳索取心及提钻取心。分析了河南盐矿绳索取心方法[3-4]发现，其取心直径无法满足我们目的层岩心直径要求。大口径绳索取心的应用在铀矿深钻、科钻一井等[5-7]工程均有应用，多数均是成岩性较好的地层，地层固结、孔壁稳定。与工区地层相近的大口径绳索取心方法，在河北赵县地热井施工中有所应用，然进尺短、打捞频繁，影响施工效率[8]。即使下部成岩段使用绳索取心方式，上部的松散半胶结层仍需下套管护壁，会提高护壁成本；购置满足岩心直径要求的大口径绳索取心钻具，其强度及钻机的提升能力都是问题，且钻具价值不菲。综合比较，采用绳索取心的方式不可行，因此选用提钻取心。该方法在石油天然气钻井取心、盐矿取心中广泛应用[9-13]，且在CY-1孔[14]、ZK001孔取心施工中已成熟应用。

1.2.2 组合取心技术选择

确定了提钻取心方式，即要考虑在此方式前提下提高施工效率的问题。参考科钻施工案例[6,15-17]，我们也设计采用了双孔方案。双孔方案即由2台钻机同时施工，共同完成ZK002孔取心工作，在浅部500～2000 m取心由常规岩心钻机完成，该段施工非目的层，对岩心直径无特殊要求，取心直径可适当减小，常规岩心钻机即可完成。2000 m至终孔为近目的层孔段，因岩心直径的特殊要求，需使钻孔口径增加、孔深增加，采用大功率石油钻机完成。因此ZK002孔设计成ZK002-1主孔(深部)和ZK002-2副孔(浅部)，深、浅钻孔间距59 m,在同一场地同时施工，将大口径钻井取心与常规小口径钻探取心技术进行组合应用，完成取心任务。双孔孔身结构见图1。

1.3 可行性分析

综合分析，采用双孔取心方案可降低单孔长段取心所遇的地质风险，简化钻孔结构，以确保工期，降低成本，切实可行。

图1 ZK002孔孔身结构示意图

(1)双孔方案完全满足目的层内岩心直径(>90 mm)的要求。

(2)浅部2000 m以浅采用常规小口径取心钻进，比采用大功率石油设备钻井取心可明显节约成本[16]。

(3)深、浅2孔同时施工，施工速度明显提高，可确保工期。

(4)取心段不同，选用设备不同，最大限度地发挥了设备优势。

(5)施工安全得到了保证。风险较高的主孔，取心段缩短，2000 m以浅段采用全面钻井工艺，快速穿过松散层，其成孔质量可靠，能够为下部目的层取心创造优良的钻孔条件。将上、下孔段分开，主孔可以借鉴CY-1孔、ZK001孔以及石油钻井取心的施工经验，副孔取心可借鉴以往工区内2000 m以浅的地质取心经验，相对施工风险大幅降低。

2 施工工艺

2.1 施工机具

主要施工设备型号及参数见表1。

表1 钻探取心机具

注：ZK002-1孔选择庆申-98-Ⅱ型取心筒，为单动双管结构，岩心筒外筒Ø180 mm×144 mm×18 mm(外径×内径×壁厚)，内筒Ø127 mm×112 mm×7.5 mm，单节筒9 m左右。

2.2 施工关键技术概述

2.2.1 主孔施工

2.2.1.1 长筒取心

采用双节筒取心，力求提高回次进尺。经统计，主孔取心段内进尺达到16 m以上的为56个回次，达到8～16 m的23个回次，8 m以下仅13个回次(多数为机械故障)，满管取心占绝对优势，一定程度上提高了施工效率，且岩心呈完整柱面，主孔岩心见图2，实测岩心直径为95～98 mm。

图2 主孔岩心

2.2.1.2 钻头优选

合理选择钻头类型，以适应不同的地质层段。经过几年来在沧州深部钻探施工经验总结，将工区内揭露的地层划分为若干层段单元，适应不同层段[18]，定型了薄片硬质合金、大小齿PDC复合片等4种类型的钻头，根据每个回次取心钻速、钻头切削刃磨损情况及时进行钻头选型。

2.2.1.3 充分发挥泥浆护壁作用

主孔从开孔的松散层逐步钻穿至微胶结、半胶结、胶结性砂泥岩、钙质泥岩、石膏泥岩、石膏盐岩等地层，各段地层不稳定因素不同。我们采用了四段式的泥浆体系[19-20]，最终确保了长裸眼段孔壁的稳定，各段性能见表2主孔分段泥浆性能一览表，同时按照钻井工艺常规技术要求，采用振动筛、除砂器、离心机三级固控，确保泥浆性能稳定。

2.2.1.4 钻进参数优化

由于钻遇地层各段成岩特征具有较大区别，表现在钻进特性上的不同。经在典型孔段内反复试验调整，最终确定了最优钻进规程，主孔取心钻进参数详见表3。

2.2.1.5 动力改造

为降低施工成本，将用于主孔施工的石油钻机进行动力改造，原出厂配套的2台1000 kW 195柴油机动力，改造成由2台355kW电动机并车的动力输入方式，同时保留一台柴油机动力备用。通过施工检验，这种改造可以满足深部钻井取心期间小泵量、低钻压、低转速的运转工况。动力改造后，大幅降低了设备的动力费用。参考CY-1孔施工期间柴油动力耗油量，折合2016年柴油价格，同样钻机月均电动力费用仅是柴油机动力费用的36%。

表2 主孔分段泥浆性能

表3 主孔取心钻进参数

注：本表只统计取心钻进孔段，以沙河街组地层为主；钻头外径为215.9 mm(8in)，内径101 mm；平均钻速=该孔段内钻进长度m/纯钻时间h。

2.2.2 副孔施工

2.2.2.1 孔斜控制

副孔施工虽然也是采用钻铤加压的方式，但由于整体加重钻具细，其刚度远不及主孔钻具，因此孔斜控制是难题。通过钻进过程测斜检测，顶角偏斜较大的孔段往往发生在塑性较强的层段内，例如钻进至1350～1370 m段时，顶角由8.5°突增至12.0°，该处正处于进尺极慢的大段泥岩层内。最终导致该孔在钻进至1069、1508 m时进行了纠斜。塑性层段现场主要以增加钻具刚度、控制钻压为主，增加Ø105 mm钻铤，控制钻压上限不超钻铤悬量的70%，同时加长岩心管，利用粗径钻具的导正作用确保钻孔垂直度。

2.2.2.2 水敏性泥岩段取心质量控制

工区1800 m以浅地层(明化镇组和馆陶组)成岩性差，富含大段水敏性地层，其钻进特性是钻速低、孔壁坍塌，取心质量差。分析认为，因采用单管取心钻具，在钻速较低时，单回次钻进时间的增长加剧了泥浆对岩心的冲蚀，加之成岩性较差，导致岩心表面冲蚀呈沟槽，严重时不成柱状，而钻速较快的回次不存在此现象。改进措施主要是以取出的岩心质量为标准，严格控制回次纯钻时间。通过在750～1659 m不同深度钻进试验，一般回次纯钻时间控制在2～3 h时即可保证岩心质量。以纯钻时间来控制回次进尺，使取心质量得到了提高。而非水敏性孔段，进尺放宽。

2.2.2.3 单、双管钻具的应用

在单管取心质量较差的孔段，参考类似案例[21]，试验性地应用了单动双管钻具。对比1195～1361 m(对应150～200回次)段内单、双管钻具取心情况，单、双管取心效率对比见图3，可见单动双管钻具取心钻进机械钻速普遍较低。在该段内统计单管取心42个回次，平均采取率95%，双管取心9个回次，平均采取率94%，取心质量相近，因此浅孔内未普遍采用。双管钻进取心方法还有待以后进一步完善并研究试用。

注：单动双管取心分别是154、155、156、157、189、190、193、194、196回次，累计9个，其余为单管取心。

图3单、双管取心效率对比图

2.2.2.4 泥浆固控

钻进中地层造浆严重，泥浆质量的控制很关键，机台虽配备了振动筛、除砂器，但在局部孔段钻进期间，泥浆密度仍居高不下。现场采用定期排浆的方法，力求降低泥浆固相，以提高钻进效率。施工期间一般泥浆性能控制范围：马氏漏斗粘度35～40 s、密度1.10～1.25 g/cm3、失水量10～15 mL/30 min，该性能范围基本可满足正常钻进效率。施工时重点关注密度指标，在现有固控措施下，密度超限时，即考虑排浆措施。

2.3 取心技术对比

通过ZK002孔深、浅孔段钻探实践，对两类工艺效果进行对比。以2012年CY-1孔所用的钻井取心工艺与2016年ZK002-2孔常规岩心钻探取心工艺进行比较，同样钻进1650～2000 m段，两类方法施工效率、质量效果数据见表4。就本工程而言，对比两类工艺，取心效率相近。岩心钻机与石油钻机相比，施工成本明显降低，因此2000 m以浅采用常规岩心钻探取心工艺是合理的。

以ZK002孔施工期间所获得的施工数据，对比两类钻机所代表的两种取心方法优劣势，见表5。

表4 取心效果对比

表5 取心方法优劣势对比

通过双孔方案的实施，可见2种取心工艺在沧州深部钻探中可以优势互补。

3 结论及认识

通过在ZK002孔中钻井取心和小口径钻探取心工艺的应用，获得了以下认识体会。

(1)把大口径钻井取心方法与小口径岩心钻探取心方法组合，应用于工区的深部钻探，深、浅结合，发挥了各自设备、工艺优势，方法可行，可以确保质量，有利于降低成本。

(2)在深部全孔段取心作业中，双孔方案明显降低了施工风险，提高了施工效率。

(3)四段式的泥浆护壁工艺适合沧州工区深部钻探施工，可以满足大口径取心要求。

(4)对于工区内连续大段水敏性地层的特性，钻进效率偏低，还需继续完善钻进技术、探索新的钻进方法。

(5)浅孔段内双管钻具应用不成功，还需进一步试用研究。

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ApplicationofDouble-holeDesigninDeepCoringDrillinginCangzhouSaltMine

/JINGLong,LIWei,CUIGuo-shu

(Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources No.4 Hydrological Engineering Geology Team, Cangzhou Hebei 061000, China)

In Cangzhou deep salt mine survey project, coring in 500～3290m section of the completed ZK002 was carried out. Deep and shallow double-hole was designed and geological and petroleum drilling equipments were used respectively. The conventional core drilling technology and drilling coring technology were combined to realize the complementary advantages of 2 types of equipment and different coring processes, the construction risk reducing, drilling quality ensuring, construction cost saving and construction period shortening.

deep drilling; coring technology; salt mine survey

2017-02-21；

2017-10-08

沧州市科技局项目“沧州深部钻探技术研究”(编号：151305001)；河北省地矿局科技项目“沧州深部大口径盐矿钻进技术研究”(编号：454-0601-YBN-MU6P)

景龙，男，汉族，1978年生，探矿工程专业，从事钻探及钻井技术和管理工作，河北省沧州市新华区蔡御街，jing_longd@163.com。

P634

B

1672-7428(2017)11-0016-05