超深井地質(zhì)剖面的建立

超深井地質(zhì)剖面的建立

數(shù)千公里科學(xué)井的挖掘是一項系統(tǒng)工程。這是解決人類問題、資源、環(huán)境等問題所不可或缺的重要手段。它反映了國家地質(zhì)調(diào)查的綜合實力。對地球奧秘最直接的探索和對地球物理及實驗室取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證,必須通過鉆探手段深入到地球內(nèi)部,獲取真實樣品及各種信息。自20世紀(jì)70年代,世界少數(shù)發(fā)達(dá)國家先后實施了自己的科學(xué)深井、超深井鉆探工程,獲得了令人矚目的科學(xué)成果,推動了鉆探科學(xué)技術(shù)的長久發(fā)展。近年來,我國也實施了中國大陸科學(xué)鉆探工程科鉆一井(CCSD-1)、中國白堊紀(jì)科學(xué)鉆探松科一井(SK1)、汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程(WFSD)等科學(xué)鉆探工程,取得了一系列的地學(xué)、工程技術(shù)成果。我國正在進(jìn)行預(yù)研究的超萬米科鉆工程,將所鉆地層定位于堅硬的結(jié)晶巖。巖心提取方式、驅(qū)動方式的選擇,及機(jī)械鉆速和回次進(jìn)尺的提高,是提高深部堅硬地層取心鉆進(jìn)效率的關(guān)鍵技術(shù),采取率和巖心原狀性是最重要的技術(shù)指標(biāo)。我國硬巖科學(xué)鉆探的最大井深為CCSD-1井的5158m,更深部的取心鉆進(jìn)缺乏理論和經(jīng)驗基礎(chǔ),因此,應(yīng)分析科學(xué)超深井深部硬巖地層取心技術(shù)難題,并展開針對性的研究,為將來我國實施萬米科學(xué)超深井做技術(shù)準(zhǔn)備。1地層內(nèi)索取心鉆進(jìn)技術(shù)巖心打撈方式主要是繩索取心和提鉆取心兩種。提鉆取心每打撈一次巖心都需提大鉆,繩索取心只有當(dāng)鉆頭磨損需要更換時或打撈失敗時才提大鉆。相比而言,繩索取心可節(jié)省大量的起下鉆時間,且鉆孔越深,優(yōu)勢越大。但對于深部取心鉆進(jìn),提鉆取心方法可以使用井底動力近鉆頭驅(qū)動,而繩索取心鉆進(jìn)方法目前仍未實現(xiàn)井底動力的回轉(zhuǎn)驅(qū)動。經(jīng)驗表明,在深部堅硬地層進(jìn)行大口徑取心鉆進(jìn),地表驅(qū)動的機(jī)械鉆速極低。我國地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域已成功研制出了繩索取心液動錘鉆具,并得到迅速推廣,但繩索取心回轉(zhuǎn)驅(qū)動的井底動力仍未獲得可應(yīng)用推廣的成果,且大直徑繩索取心液動錘鉆具仍有待工程驗證。我國在煤田地質(zhì)鉆探施工中,在ue54e215.9mm井眼內(nèi)使用ue54e127mm內(nèi)平API鉆桿進(jìn)行大口徑繩索取心鉆進(jìn),采取ue54e70mm的巖心,獲得了成功,但因鉆深較淺(一般為1500m以內(nèi)),僅適應(yīng)可鉆性較好的地層,且回次進(jìn)尺短和機(jī)械鉆速低,該成果暫未推廣。即將實施的松遼盆地資源與環(huán)境深部鉆探工程(SK-2井),我所將探索試驗獲取ue54e95mm巖心的深井繩索取心液動錘技術(shù)的可行性,同時,還將與相關(guān)單位合作開展井底動力鉆具的創(chuàng)新性研究,以解決大口徑繩索取心鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)驅(qū)動的難題,若都能獲得成功,可將繩索取心鉆進(jìn)方法作為科學(xué)超深井巖心打撈方式之一。提鉆取心方法雖在起下鉆時間的消耗上處于劣勢,但仍是最成熟、可靠的技術(shù),且隨著回次長度的不斷突破,該方法仍將是巖心打撈的主要方式。2硬巖地層導(dǎo)向+執(zhí)法力量復(fù)合鉆機(jī)鉆頭驅(qū)動方式分地表驅(qū)動和井底動力驅(qū)動。地表單回轉(zhuǎn)是轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)回轉(zhuǎn)通過鉆柱將轉(zhuǎn)速和扭矩至上而下傳至取心鉆頭,傳遞過程鉆柱自身的回轉(zhuǎn)及其與井壁的摩擦不僅能耗高,也增加了井壁失穩(wěn)和斷鉆桿等井底復(fù)雜情況的風(fēng)險。井底動力回轉(zhuǎn)驅(qū)動是指通過井底動力鉆具將液能轉(zhuǎn)化為動能驅(qū)動取心鉆具及鉆頭回轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)盤不回轉(zhuǎn)或僅低速回轉(zhuǎn)以消除井壁磨阻,目前井底回轉(zhuǎn)動力鉆具主要有螺桿馬達(dá)和渦輪馬達(dá),在回轉(zhuǎn)動力鉆具與取心鉆具之間增加液動錘即可實現(xiàn)井底沖擊回轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)。前蘇聯(lián)12262m深的科拉3井(СГ-3)進(jìn)行了9000余米取心鉆進(jìn),主要采用了渦輪馬達(dá)驅(qū)動中空牙輪鉆頭取心,我國CCSD-1井首創(chuàng)了硬巖地層螺桿馬達(dá)+液動錘沖擊回轉(zhuǎn)取心技術(shù),該技術(shù)在WFSD工程極破碎地層中得到沿用,大幅提高了WFSD工程機(jī)械鉆速、巖心采取率和回次進(jìn)尺。井底動力驅(qū)動無論是取心鉆進(jìn),還是全面鉆進(jìn),都可以大幅度提高機(jī)械鉆速,已成為石油鉆井和科學(xué)鉆探最主要的鉆進(jìn)工藝方法。以WFSD-2孔為例,如表1和表2所示,在同等井深、地層條件下,頂驅(qū)+螺桿復(fù)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速較地表單回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高2倍,螺桿+液動錘復(fù)合沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速較螺桿純回轉(zhuǎn)提高1倍。我國液動錘處于世界領(lǐng)先水平,螺桿馬達(dá)也取得了飛速發(fā)展,產(chǎn)品不僅迅速占領(lǐng)國內(nèi)市場,還遠(yuǎn)銷國外多個國家和地區(qū);我國渦輪鉆尚處于研究試用階段,已研發(fā)出4種規(guī)格的產(chǎn)品,目前,我所等多家研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行相關(guān)研究。高溫是萬米超深井深部地層需要解決的技術(shù)難題,而螺桿馬達(dá)目前尚未找到耐高溫材料替代橡膠定子,因此,全金屬的渦輪馬達(dá)將是深部地層唯一可選的井底回轉(zhuǎn)動力鉆具,而液動錘也尚未研究密封件的耐高溫問題。因此,科學(xué)超深井驅(qū)動方式可采用如下組合:(1)淺、中、深井段(<6000m):轉(zhuǎn)盤+螺桿(或渦輪)馬達(dá)+液動錘+取心鉆具;(2)超深部井段(≥6000m):轉(zhuǎn)盤+渦輪馬達(dá)+取心鉆具。3ccsd-1井采用的超地層鉆具取心鉆具經(jīng)過多年的發(fā)展,在各領(lǐng)域都形成了成熟的系列產(chǎn)品,我所研制的KZ型取心鉆具,采用了軸承置鉆具外總成、全泵量開式強(qiáng)制潤滑與局部微循環(huán)清污的設(shè)計方式,具有結(jié)構(gòu)簡單、單動可靠、拆卸組裝方便、回次進(jìn)尺長、整機(jī)連續(xù)工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)。與石油鉆井相比,同一口徑可取更大巖心、鉆進(jìn)效率更高。該鉆具在CCSD-1井取心鉆進(jìn)4633.77m,經(jīng)受了螺桿馬達(dá)與液動錘高頻復(fù)合沖擊回轉(zhuǎn)的惡劣工況,后又經(jīng)過了SK-1井沉積巖地層和WFSD工程極破碎地層的考驗,可作為科學(xué)超深井的取心鉆具結(jié)構(gòu)。提下鉆速度、機(jī)械鉆速及回次長度三大因素決定科學(xué)超深井取心鉆進(jìn)總效率。提下鉆速度在選定施工設(shè)備時即已確定;地層的可鉆性級別很大程度上制約著機(jī)械鉆速的提高;而提高回次進(jìn)尺是可以成倍增加超深井取心鉆進(jìn)效率的技術(shù)手段。我國已實施的科學(xué)鉆探取心鉆具長度一般為9m,為進(jìn)一步提高科學(xué)超深井深部取心鉆進(jìn)效率,可對鉆具內(nèi)、外管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,2~3根巖心管對接并研究中間扶正技術(shù),同時開展相適應(yīng)的大扭矩井底動力鉆具,成倍提高回次長度。4孕鑲金剛石鉆頭科學(xué)超深井深部地層將以堅硬的結(jié)晶巖地層為主,取心鉆頭可選用中空牙輪鉆頭和金剛石鉆頭,這取決于巖石硬度、鉆進(jìn)深度、鉆孔直徑、鉆進(jìn)方法和巖心采取要求等。牙輪鉆頭在大口徑取心中機(jī)械鉆速和鉆頭壽命表現(xiàn)較好,但采取率和巖心質(zhì)量較差,前蘇聯(lián)СГ-3井和德國KTB項目采用牙輪取心巖心采取率都不超過50%。薄壁孕鑲金剛石鉆頭可由井底動力鉆具高速回轉(zhuǎn)驅(qū)動,在深部地層和小直徑取心(ue54e152、216mm口徑)中可以獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。此外,如采取率和巖心質(zhì)量要求高,牙輪鉆頭則不能滿足高指標(biāo)要求,金剛石鉆頭具有明顯優(yōu)勢。圖1為德國KTB主孔采用的牙輪取心鉆頭。隨著高速渦輪鉆具及孕鑲金剛石鉆頭技術(shù)的發(fā)展,發(fā)達(dá)國家新的研究和實踐表明,在深部極其堅硬地層中采用不帶減速器的高速渦輪馬達(dá)(轉(zhuǎn)速1000~2000r/min)驅(qū)動孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn),可大幅度提高機(jī)械鉆速,此外,薄壁孕鑲金剛石鉆頭相比牙輪鉆頭巖石的破碎體積小很多,在同一口徑中可獲得更大直徑的巖心供科學(xué)研究。孕鑲金剛石鉆頭技術(shù)已被列為石油鉆井重點(diǎn)發(fā)展方向,預(yù)計5~10年內(nèi)水平將得到顯著的提升,進(jìn)而促進(jìn)深部難鉆地層鉆進(jìn)效率的明顯進(jìn)步。因此,孕鑲金剛石鉆頭將是未來實施萬米科學(xué)超深井取心鉆進(jìn)主要的鉆頭形式。在大口徑井段(尤其指直徑≥311mm)取心,通常的做法是采用小直徑超前孔取心鉆進(jìn),再擴(kuò)孔至設(shè)計井眼直徑,該方法增加了大量高風(fēng)險擴(kuò)孔鉆進(jìn)工作量。如采用金剛石鉆頭同徑取心鉆進(jìn),則面臨大口徑取心鉆具及配套鉆頭的研制難度大、機(jī)械鉆速低、巖心拔斷力大、出心困難等一系列難題?？刹捎迷需偨饎偸脱垒喗M合鉆頭同徑取心(見圖2),其實現(xiàn)方法如下:中空牙輪鉆頭由上部大直徑低速、大扭矩井底動力鉆具驅(qū)動,在大直徑動力鉆具與取心鉆具之間內(nèi)置一小直徑高速動力鉆具,并采用分流技術(shù)實現(xiàn)鉆井液流量的匹配,超前孕鑲金剛石鉆頭則由內(nèi)置小直徑井底動力鉆具驅(qū)動,可同時發(fā)揮孕鑲金剛石鉆頭對巖心的保護(hù)作用和牙輪鉆頭的高效特征,實現(xiàn)大口徑井段一次成孔。5公園內(nèi)管破碎巖心造成堵心,入心提鉆困難СГ-3井和我國塔深1井等超深井實施經(jīng)驗表明,在地應(yīng)力強(qiáng)烈釋放的條件下,地層不僅堅硬,且破碎、片化嚴(yán)重,這給取心鉆進(jìn)帶來極大困難,巖心在進(jìn)入內(nèi)管后,應(yīng)力逐漸釋放而破碎,之后破碎巖心相互擠壓造成堵心,取心回次將被迫終止而提鉆,嚴(yán)重時在鉆頭與卡簧座結(jié)合部即已破碎。對于提鉆取心方法,回次進(jìn)尺是決定取心鉆進(jìn)效率的決定性技術(shù)指標(biāo),即使采用繩索取心方法,超深井段巖心打撈時間也較長,另外,堵心后將給地表無損出心帶來很大難度。5.1解決或緩解阻塞的方法5.1.1增加而增長之情況普通鋼內(nèi)管內(nèi)表面是凹凸不平的,與巖心之間的摩擦力將隨巖心長度及應(yīng)力釋放的程度增加而增長,最終導(dǎo)致堵心。因此,提高內(nèi)管內(nèi)表面光潔度,降低其摩擦系數(shù)是緩解內(nèi)管堵心的有效方法之一,而最簡單的方式便是在內(nèi)表面鍍層。鍍層可選擇化學(xué)穩(wěn)定性較好的鎳和鉻,鍍層不僅可成倍的降低內(nèi)表明摩擦系數(shù),且均具有高的硬度和耐磨性。5.1.2拉伸力學(xué)性能玻璃鋼學(xué)名玻璃纖維增強(qiáng)塑料,俗稱FRP(FiberReinforcedPlastics),即纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料。FRP具有很好的表面光潔度,強(qiáng)度相當(dāng)于鋼材,相對密度在1.5~2.0之間,只有碳鋼的1/4~1/5,拉伸強(qiáng)度接近、甚至超過碳素鋼。一般的FRP不能在高溫下長期使用,但可以選擇耐高溫樹脂,使其長期工作溫度在200~300℃是可能的,且其高溫穩(wěn)定技術(shù)正逐步提高。因此,FRP管可以作為解決超深井堵心的一種解決方案,將厚壁FRP管直接代替鋼內(nèi)管,或采用在鋼內(nèi)管內(nèi)加一層薄FRP管作為襯管組成單動三管鉆具。5.1.3襯管和保壓機(jī)技術(shù)在常規(guī)取心內(nèi)管中使用一層或兩層襯管結(jié)構(gòu),襯管可采用鋁合金等其他材料,襯管用銷釘固定在鋼內(nèi)管下邊,銷釘?shù)膹?qiáng)度根據(jù)地層性質(zhì)確定。當(dāng)巖心在襯管里遇堵心或襯管填滿時,增加鉆壓剪斷銷釘,釋放襯管,使堵著的巖心和襯管一起上行;當(dāng)新巖心形成后進(jìn)入第二層襯管,遇到第二次堵心又會剪斷銷釘,使第二層疊式襯管繼續(xù)上行;第三次堵心或填滿內(nèi)管后再提鉆。該技術(shù)可以解決3次堵心,但存在銷釘?shù)膹?qiáng)度設(shè)計困難,需根據(jù)不同地層硬度、襯管的摩擦系數(shù)計算及現(xiàn)場實驗,還需鉆進(jìn)時準(zhǔn)確判斷是否堵心,這需要工程技術(shù)人員有豐富的經(jīng)驗。該技術(shù)可作為后備方案,當(dāng)其他方法無法解決堵心時可嘗試采用。5.2巖心無損出管巖心承載著重要地層信息,采取率和巖心的原狀性是科學(xué)鉆探的重要技術(shù)指標(biāo),但堵心后的破碎巖心往往在出管過程中被人為損壞,因此,巖心的無損出管對于科學(xué)鉆探極其重要。半合管出心技術(shù)是將薄壁巖心管做成半合管形式,出心時卸開卡簧座、內(nèi)管接頭及卡箍,破碎巖心即可被原狀取出,該技術(shù)在WFSD工程項目獲得了極大的成功,半合管長度已達(dá)9m(圖3),并已配合螺桿馬達(dá)+液動錘進(jìn)行井底復(fù)合沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。6超深部結(jié)晶巖地層取心鉆進(jìn)技術(shù)我國已實施的科學(xué)鉆探項目都具有取心比例高的特點(diǎn),實施13000m科學(xué)超深井系統(tǒng)工程,6000m以深的巖心更為珍貴,超深部地層高比例取心鉆進(jìn)的可能性較大,