松辽盆地西部斜坡区油砂矿钻探工艺研究

2020-10-21高兴文聂新明

吉林地质 2020年3期

高兴文，聂新明

1.中化地质矿山总局吉林地质勘查院，吉林长春 130022；2.中化地质矿山总局河北地质勘查院，河北石家庄 050031

0 引言

油砂是指富含天然沥青的沉积砂[1]。也称“沥青砂”。油砂实质上是一种沥青、砂、粘土和水的混合物，其开采方法与传统石油开采截然不同。简单地说，油砂开采是“挖掘”石油，而不是“抽取”石油。从地学角度上说油砂矿既有别于固体矿床，也不同于石油矿床，它具有固体和液体两重性。这就要求在地质勘探钻探施工中，必须要有与之相适配的钻探工艺。从2007年至2020年，历时13年，我院先后与吉林省地球物理调查研究所、吉林大学油气研究所和中国地质调查局油气资源调查中心合作，在松辽盆地西部斜坡区域内，完成了“吉林省镇赉县大岗机械林场和西北沟一带油砂矿的普查、详查”、“松辽盆地西部斜坡区油砂矿基础地质调查和成藏研究”和“松辽盆地西斜坡油砂矿地质调查”等钻探施工任务，共施工钻孔194个，累计完成钻探工作量近5万余米，形成了一套完整的松辽盆地西部斜坡区油砂矿钻探施工工艺。

1 地质概况

松辽盆地是一个发育在古生代褶皱基底之上自白垩纪以来形成的大型的中新生代沉积盆地，盆地形状近似菱形，西临大兴安岭，北与小兴安岭为界，东部为张广才岭，南接康平—法库丘陵地带。盆地中间是嫩江、松花江、辽河水系流经的平原沼泽区，地面海拔120～300 m，长约750 km，宽330～370 km，主轴沿北北东方向展布，面积约26×104km2，是当今世界上最大的典型陆相沉积盆地之一[2]。

根据中浅层构造地质特征，考虑深层构造和基底性质，松辽盆地划分有6个一级构造单元，即西部倾没区、西部斜坡区、中央坳陷区、东南隆起区、东北隆起区、西南隆起区。工作区域位于吉林白城镇赉境内西部斜坡区(图1)。西斜坡位于大庆长垣以西地区，面积大约15 000 km2，在构造上为一倾角很缓、倾向南东向的斜坡。

图1 工作区地质图Fig.1 Geologic map of working area

工作区下白垩统发育较全，油砂钻孔均在白垩系钻进[3]。油砂井钻穿第四系冰碛层之后，还钻遇有明水组、四方台组、嫩江组及姚家组。岩性从上到下分别为第四系冰碛层；明水组上段以灰绿色粉砂质泥岩、粉砂岩为主，底部见有薄层砾岩；四方台组以红色与灰绿色夹层砂泥质岩石组合为主，底部有厚层砾岩；嫩江组三至五段顶部见少量红色薄层泥岩，主要为灰色细砂岩为主，下部嫩江组一二段为厚层灰黑色泥岩，为区域性盖层分布于松辽盆地大部分地区，下伏姚家组二三段含油粉—细砂岩。局部地区白垩系发育不全，如镇赉大岗—西北沟工作区块，油砂井钻穿第四系冰碛层之后，直接就钻遇嫩江组下部(嫩江组一二段)大段灰黑色泥岩及姚家组二三段油砂层位。

2 施工难点与对策

2.1 施工难点分析

在松辽盆地西部斜坡工作区域内，自上而下钻遇地层为第四系、白垩系明水组、四方台组、嫩江组、姚家组，钻遇岩性主要为泥岩、粉细砂岩、含油粉细砂岩砂、砂砾岩等。工作区内施工难点主要有以下五方面：

(1)上部钻遇第四系100 m左右砂卵石层。粒径0.1 ～10 cm不等，胶结松散，正循环取心钻进较困难，易埋钻，事故频发，钻进效率低。

(2)工作区钻遇地层主要为细砂岩、粉砂岩及泥岩，砂岩松散、胶结差，易破碎；泥岩水敏性强，遇水松散膨胀，此种地层极易发生坍塌、缩径，导致埋钻、折钻及钻具粘卡事故。

(3)油砂矿层胶结差、极松散、易破碎、怕污染，钻遇矿层时易扰动，易丢心，易污染矿心。取心到地表后，油砂矿易氧化及轻质组分极易挥发流失[4]。

(4)嫩江组和姚家组砂岩中赋存承压水，最大承水压力大于2 MPa，在钻进过程中对钻井液严重稀释，使其护壁性能失效；另外，在高承压水作用下对钻孔封孔产生巨大困难。

(5)物探测井需要放入放射源，风险大，因此对成井质量要求较高。

2.2 技术应对措施

(1)根据地质资料，上部卵石层覆盖较连续，变化小，地层分层及岩性明确，在钻进工艺上采用反循环钻进工艺，连续钻进，捞取岩样后，下入套管至岩层位置、并用水泥加固。

(2)针对松散砂岩及水敏性泥岩地层，配制优质无固相高聚物PAB冲洗液，高聚物冲洗液特有的网状成膜结构，保证冲洗液低失水性，保护孔壁。

(3)针对油砂矿层松散的特点及保护矿心不受污染、不被扰动、不易挥发的目的，采用自主研发的专用三重管钻具采心，保证矿心质量。

(4)对于高承压涌水地层，使用加重高密度泥浆，保持平衡钻进，直至钻穿含水层；高承压水钻孔封孔使用大方量高密度水泥浆，大泵量快速上行式注浆封孔。

(5)钻进中掌握好压力及泥浆稠度及护壁质量，孔底保留沉淀坑。

3 成熟的钻探工艺

3.1 主要设备

在松辽盆地西部斜坡区工作区域内，地面海拔120～300 m之间，地势呈西北高东南低。区内多为草原、农田及人工防护林。油砂矿钻探孔以中浅孔为主，在设备选型上按照设备能力在能够满足孔深要求的情况下，尽可能地选择较轻型、易拆卸安装、移孔搬家方便为原则。在本工作区内主要设备选型见表1。

表1 主要设备选型

3.2 钻孔结构

经过我们在该工作区内长期的探索，根据钻遇地层特点，总结出一套成熟的二开钻孔结构的施工工艺(图2)：一开用φ325反循环钻具与牙轮钻头开孔，下入φ116套管，二开用φ98钻头钻至终孔。它既能满足基岩段取心的任务又能保障钻井施工的安全，同时能够最大限度提高生产效率。

图2 钻孔结构图Fig.2 Bore-hole structure diagram

3.3 钻进方法

一开用φ325反循环钻具与牙轮钻头组合进行施工，钻穿第四系冰碛层(一般情况下在100～120 m)，下入φ116套管，套管加装扶正器、下端加装扶正管鞋、吊正对中，就地取土从四周均匀固管。

浅孔(孔深≤300 m)二开基岩用普通φ50钻杆+φ89单管取心钻具+φ98复合片钻头钻具组合钻进。油砂矿层及顶底板用普通φ50钻杆+φ89三重管取心钻具+φ98复合片底喷钻头钻具组合钻进。

中、深孔(孔深>300 m)二开用φ89绳索取心钻具+φ98复合片钻头组合钻进。油砂矿层及顶底板用φ89绳索取心钻杆+变径接头+φ89三重管取心钻具+φ98复合片底喷钻头钻具组合钻进。

3.4 油砂矿矿心采取与保护

(1)提高岩矿心采取率的措施，首先要做到精准判层，准确判断换层位置，工作区内各组岩性分层界线主要以底部砾岩为界(图3)，明水组底部见有薄层砾岩与四方台组分界；四方台组底部有厚层砾岩与嫩江组分界；嫩江组三到五段顶部见少量薄层泥岩，主要为细砂岩为主，下部嫩江组一二段为厚层泥岩，层理发育，姚家组以粉细砂岩为主，含有泥岩及泥质粉砂岩，层理不发育，与嫩江组泥岩最明显的区别为滴酸起泡，而嫩江组泥岩滴酸不起泡。

(2)进入油砂矿心目标层采用三重管取心，为了更好的提取油砂样品，我院总结多年油砂钻探经验，设计研发出三重管取心钻具钻取矿心，此钻具独特的设计结构可以保证矿样不受扰动，保持岩矿心的原始状态，采心率可达到95%以上，第三层内插管为透明管，取心到地表后，不用从管中倒出岩心，可以直接对透明管进行切割封闭，保存岩心，防止油砂的轻质成分及水分的流失，有利于化验分析的准确性，并且用肉眼可观察到矿心的外观状况。

(3)提高油砂矿心的收获率；从技术操作上，钻遇油砂层时，应限制转速，压力和泵量，限制回次进尺。

(4)油砂的保存，因地质对油砂层的矿心有特殊要求(如：密闭、防止轻质组分挥发等)，矿心层段用三重管取心，油砂样品取得后及时密封、放入冰柜或者其它冷藏工具进行避光、冷藏保存(图4)，野外施工阶段性结束后，采用冷冻车及时将油砂样品送到指定化验室进行相关化验，最大限度减少油砂样中的轻质组分和水分的散逸，确保岩心样品测试的准确性。

图4 油砂样品保存Fig.4 Preservation of oil sand samples

3.5 钻井液设计与配制

3.5.1 设计原则

冲洗液设计要根据钻遇地层特点，井身结构、地质取心要求，参照工作区以往实钻资料，本着安全、优质、低耗、高效地实现安全钻进为原则，趋向使用低固相或无固相冲洗液。

3.5.2 钻井液类型及性能

根据钻遇地层的实际情况，要求无污染。围岩井段采用优质钠基膨润土配制低固相冲洗液；油砂矿层及顶底板主要用PA+PB等高聚物配制无固相冲洗液[5]。钻井液类型及性能参数见表2。

表2 钻井液类型及性能参数

3.6 钻头及钻井参数设计

3.6.1 钻头选型

根据钻遇地层岩性和可钻性级别，选用合适的钻头。在松辽盆地西部斜坡区工作区域内为白垩系，以泥岩，砂岩和砂质泥岩为主，可钻性在6级以内。可选用合金和复合片钻头，同时要考虑到砂岩研磨性较强，严重影响合金钻头使用寿命，泥岩遇水膨胀，钻头需要有较大的外出刃，故在本工作区内主要应使用外出刃和水口较大的复合片钻头。偶遇可钻性6～11级或研磨性的岩层，如砂砾岩选用外出刃较大的阶梯式金钢石钻头。

3.6.2 钻进技术参数

根据井内岩层情况，合理选用钻压、转速和泵量，选取的钻进参数见表3。

表3 钻进技术参数表

3.7 预防钻孔弯曲的措施

坚持执行钻孔施工中的开孔、终孔通知书制度，直孔每钻进100 m进行天顶角、方位角测量，测量结果记录于班报表中。采取如下措施确保钻孔垂直度。

(1)钻塔、钻机安装底盘牢固、水平、周正。为防止地基下沉，钻塔四脚打水泥墩，长×宽×高:1.2 m×1.2 m×0.7 m。钻机在滑轨上不得松晃。钻塔、立轴，井口必须三点一线。

(2)严格按设计钻具组合配备钻具，并选用钢性好、不弯曲、不偏磨的钻具

(3)下一开φ114套管加装扶正器，扶正鞋，固管从套管四周要均匀送固井材料，固井材料内不得含有固体块状物，以防把套管推挤至偏。

(4)选择适宜的钻头和合理的钻进技术参数，钻进压力不可过大。

(5)换径应带外导向器，扩孔时要带内导正器，换以防偏斜。

(6)提下钻具应轻提轻放，不得碰撞。下钻遇阻时，不能猛墩强扭钻具，以防钻具弯曲，造成孔斜。

(7)岩心堵塞时立即打捞内管，不得强行加压钻进，以防孔斜。

(8)不使用旷动的立轴(导管)。

3.8 孔深误差的测量和校正措施

(1)要求每钻进100 m、经地质编录人员确认见重要构造、标志层、矿层以及处理重大孔内事故后和终孔时均要进行孔深校正。

(2)孔深校正需提钻前对机上余尺、机高进行准确丈量；提钻后，对机上钻杆、孔内提出的每个钻杆立根、单根及钻具用钢尺准确丈量，记录到报表上并计算孔深；出现误差要及时查明原因，超差应按规定平差。

3.9 涌水、漏水、缩孔处理等预防措施

本区域内50%以上的钻孔在施工过程中发生过不同程度的涌、漏水和坍塌现象。在施工过程中应严格按钻进规程要求操作，防止人为因素造成涌、漏、坍塌；泥浆工应随时观察井口返浆情况，按时测定钻井液性能，发现异常情况及时采取措施处理[6]。遇涌、漏水时，记录涌、漏水层位、深度及水位变化情况。做好充分的压涌、堵漏的物质准备。

(1)涌水处理：处理涌水前首先必须测定涌水压力，计算出所需泥浆的相对体积质量。压住涌水后，严格控制的泥浆相对体积质量，保持平衡钻进。

(2)漏水处理：根据不同的漏失层位和漏失情况，选用适合的堵漏方法[7]，本区域内施工过程中使用过锯沫、镶嵌剂、801堵漏剂、191树脂及水泥浆等多种堵漏方法，其中上行式泵送水泥浆堵漏方法最为行之有效。

(3)坍塌缩孔处理：①严格控制钻井液失水量，保持钻井液稳定，按钻井液配方，配制钻井液。②注意观察岩心岩性，结构，地层构造和钻井液性能变化，随时调正钻井液性能指数。③备足钻井防塌剂、降失水剂，遇坍塌，缩径地层，及时调正钻井液性能。④不稳定地层钻进，提升钻具，需回灌钻井液，保持钻井压力平衡防止翻塌。⑤适当控制升降钻具和打捞岩心速度，减少压力对井壁的破坏。⑥缩径、造浆地层加大钻头水口和外出刃，每次取心时进行短提钻划眼。