新型科學鉆探技術(shù)體系在科鉆一井中的應(yīng)用

國家重要科學建設(shè)項目和中國大陸科學勘察項目的現(xiàn)場建設(shè)已經(jīng)完成?！翱沏@一井”的勝利竣工標志著我國入地工程步入了世界先進行列。在堅硬的結(jié)晶巖中施工全孔連續(xù)取心的5000m深井難度巨大,在我國尚屬首次,在世界上也屬高難度的鉆井工程。在近4年的時間里,我國鉆探科技人員發(fā)揮了自身的聰明才智,從工程可行性論證開始,歷經(jīng)工程設(shè)計、鉆井施工、關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用、現(xiàn)場施工問題的解決直至工程順利完工,克服了無數(shù)困難。在汲取世界各國科學鉆探先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)我國的具體情況制定了先進適用的總體技術(shù)戰(zhàn)略和方案,發(fā)明創(chuàng)造和成功應(yīng)用了一系列新技術(shù)、新工藝與新器具,形成了獨具中國特色的新型科學鉆探技術(shù)體系。這套技術(shù)體系主要由總體施工技術(shù)戰(zhàn)略與方案、井底動力驅(qū)動的沖擊回轉(zhuǎn)取心鉆探技術(shù)、硬巖大直徑長井段擴孔鉆進技術(shù)、強致斜地層井斜控制技術(shù)、性能優(yōu)良的LBM-SD泥漿技術(shù)、小間隙固井及活動套管應(yīng)用技術(shù)、孔內(nèi)事故預(yù)防處理技術(shù)、鉆探數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)等組成?！翱沏@一井”先導孔于2001年6月25日開鉆,前期主要是開孔、下表層套管和試驗性鉆進等準備性工作,8月4日現(xiàn)場舉行隆重的開工典禮,正式宣告開工。2002年4月15日先導孔鉆達2046.54m,經(jīng)測量后認為井斜僅4.1°,全孔段狗腿度<1°/30m,井身質(zhì)量優(yōu)良,現(xiàn)場指揮部決定采用設(shè)計中的第二方案,即“二孔合一”的單孔方案,在先導孔基礎(chǔ)上進行擴孔。2002年5月8日主孔擴孔開始,這也是主孔的正式開鉆日期,經(jīng)過991天,主孔歷經(jīng)2次擴孔,1次糾斜,1次繞過事故障礙(繞障)造斜鉆進,分3個階段取心,至2005年1月23日鉆達5118.2m,順利完成全部取心施工任務(wù)。之后在2個多月的時間里進行了新型鉆具試驗、下尾管、固井、通井、測井、VSP(井中垂直地震剖面測量)及完井等工作。2005年4月18日舉行了隆重的現(xiàn)場施工竣工典禮,正式宣告“科鉆一井”現(xiàn)場施工任務(wù)全部完成,施工工程全部歷時1395天。此后,鉆探子工程進入技術(shù)總結(jié)階段,幾個月來先后進行了中國大陸科學鉆探工程“硬巖深井取心鉆探新技術(shù)的研究與應(yīng)用”和“新型鉆井技術(shù)體系的研究與應(yīng)用”的報告編寫和鑒定工作。2006年還將完成鉆探子工程的驗收以及整個科學鉆探工程總項目的國家驗收工作?！翱沏@一井”鉆探工程進展可以劃分為10個階段:(1)開孔全面鉆進(一開);(2)先導孔CCSD-PH取心鉆進(二開);(3)主孔第一次擴孔和下套管、固井;(4)主孔第一段CCSD-MH取心鉆進(三開);(5)主孔糾斜施工;(6)主孔第二段CCSD-MH-1C取心鉆進;(7)主孔第二次擴孔和下套管、固井;(8)主孔第三段CCSD-MH-2C取心鉆進(四開);(9)試驗鉆具;(10)掛尾管、固井和完井(見圖1)。新型科學鉆探技術(shù)體系在“科鉆一井”施工中取得的主要技術(shù)指標是:在8～11級的堅硬巖層(榴輝巖和片麻巖)中,鉆取的巖心總長度4290.9m、平均巖心采取率為85.7%。其中取心鉆進累計進尺5004.95m、擴孔鉆進累計進尺3429.07m,加上側(cè)鉆進尺等累計鉆進總長度達9086.23m。從2001年6月25日開鉆,至2005年1月23日鉆進至5118.2m,施工總時間1309天,平均日進尺6.91m,平均機械鉆速為0.93m/h,其中取心鉆進1071個回次、平均機械鉆速為1.01m/h。采用螺桿馬達液動錘金剛石雙管取心鉆進638個回次,進尺4042.73m,平均機械鉆速為1.34m/h,平均回次進尺長度6.34m,平均巖心采取率為85.7%。在堅硬的巖層中擴孔鉆進82個回次,總進尺3429.07m,平均機械鉆速1.09m/h,平均擴孔鉆頭壽命54.43m。以上指標是全孔的平均數(shù)值,如果分方法、分階段來看,主要技術(shù)指標是逐步提高的。如“科鉆一井”使用了9種取心鉆進方法,不同方法的效果如圖2所示。顯然螺桿馬達液動錘取心方法有明顯的優(yōu)勢。螺桿馬達液動錘取心方法也是不斷改進逐步成熟的,這項技術(shù)分階段的效果如圖3所示。中國大陸科學鉆探工程“科鉆一井”鉆探施工技術(shù)取得的主要成果有:(1)科學鉆探總體施工戰(zhàn)略與方案的研究有新的突破。在廣泛吸取各國科學鉆探經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,創(chuàng)造性地將“組合式鉆探技術(shù)”、“靈活的雙孔方案”、“超前孔裸眼小直徑取心鉆進程序”有機地結(jié)合起來,形成獨具中國特色在堅硬結(jié)晶巖中施工科學深鉆孔的一整套技術(shù)方案。這種駕馭各項技術(shù)措施的理念及技術(shù)路線,是整個工程實現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟的最關(guān)鍵的、核心的技術(shù)戰(zhàn)略。根據(jù)這套技術(shù)方案而進行的詳細的初步設(shè)計是整個鉆探工程順利實施的技術(shù)基礎(chǔ)。(2)研制成功的井底動力驅(qū)動沖擊回轉(zhuǎn)取心鉆探技術(shù)系統(tǒng)屬世界首創(chuàng)。在世界上首次創(chuàng)造了螺桿馬達液動錘金剛石取心鉆探系統(tǒng)。實踐證明,這項技術(shù)用于硬巖深井取心鉆進具有機械鉆速高、回次進尺長、取心效果好、鉆柱磨損輕微、功耗低以及鉆柱對井壁擾動小等優(yōu)點,在“科鉆一井”中采用該取心鉆進技術(shù),機械鉆速提高50%～100%,回次取心進尺長度提高1～2倍,防斜和降斜效果明顯。是一項新型的復(fù)合式取心鉆探技術(shù)。以這套系統(tǒng)為主要工具完成了5000m取心鉆探任務(wù),確保了“科鉆一井”優(yōu)質(zhì)、高效、安全、低成本的順利完工。螺桿馬達液動錘金剛石取心鉆探系統(tǒng)包括螺桿馬達的優(yōu)選和匹配技術(shù)、液動錘的研制與應(yīng)用技術(shù)、新型長壽高效金剛石鉆頭的研制與應(yīng)用技術(shù)、大直徑薄壁單動雙管取心鉆具的研制與應(yīng)用技術(shù)、整套鉆具的施工工藝研究等。其中特別要指出的是液動錘和鉆頭的創(chuàng)造性工作。液動錘鉆進技術(shù)在硬巖深井應(yīng)用中取得了重大突破,經(jīng)不斷研究改進、調(diào)整其設(shè)計參數(shù)和零部件結(jié)構(gòu),創(chuàng)造性地解決了阻卡、工作穩(wěn)定性和井深背壓影響等關(guān)鍵技術(shù)問題,液動錘鉆進技術(shù)取得了重大突破,創(chuàng)造了5118.2m的使用深度和4057.39m的單井進尺世界紀錄,確立了我國在該技術(shù)方面的世界領(lǐng)先地位。針對“科鉆一井”巖石堅硬、研磨性強的地層條件和沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的使用工況,在金剛石鉆頭的研制中,對鉆頭胎體、水路、保徑、金剛石參數(shù)設(shè)計以及鉆頭制造工藝等方面,采取了多項新的優(yōu)化措施,研制成功了適用于硬巖深井條件的耐沖擊、高鉆速、長壽命的金剛石取心鉆頭。鉆頭的主要制造方法有3種:二次成型熱壓鑲嵌、一次熱壓成型、二次成型電鍍。“科鉆一井”全部取心井段共使用各類金剛石取心鉆頭219只,采用孔底動力的鉆頭有163只,各井段的使用情況和使用效果如表1所示。通過優(yōu)化設(shè)計,研制成功了大直徑薄壁單動雙管取心鉆具,能夠適應(yīng)高速回轉(zhuǎn)、沖擊、小環(huán)狀間隙等工況條件,保證了取心鉆具的單動性能、強度、壽命和取心效果。在“科鉆一井”施工后期還研制了世界首創(chuàng)的螺桿馬達液動錘繩索取心三合一鉆具,經(jīng)下入5000多米深的主孔進行生產(chǎn)試驗,表明這套新型鉆具初步成功。(3)首次實現(xiàn)堅硬結(jié)晶巖長井段擴孔鉆進。研制了獨特的整體式導向擴孔牙輪鉆頭,通過選材、改進制造工藝、加強保徑、鉆具組合中加入了減震器和金剛石擴孔器,解決了地層堅硬、擴孔鉆進效率低、鉆具憋跳、孔壁掉塊、鉆頭和鉆具磨損嚴重、井下落物多、回轉(zhuǎn)扭矩大等一系列問題,圓滿地完成了主孔2次擴孔鉆進施工,為“科鉆一井”的順利完成奠定了良好的基礎(chǔ)。擴孔鉆進總進尺3429.07m,總回次數(shù)82個,平均機械鉆速為1.09m/h,在國內(nèi)實現(xiàn)了迄今為止最長井段的硬巖擴孔鉆進,為今后類似施工提供了寶貴經(jīng)驗。在擴孔中首次采用了大于?200mm的大直徑液動錘用于深孔鉆進施工,驗證了液動錘對提高堅硬地層的擴孔鉆進效率有明顯的作用,為大直徑液動錘在石油、水文水井和地熱鉆進領(lǐng)域的應(yīng)用積累了大量珍貴的第一手資料。(4)攻克易斜地層的難關(guān),完成了“科鉆一井”井斜控制與造斜鉆進。在先導孔中采用剛、直、滿、重鉆具組合與合理的鉆進參數(shù)等綜合措施,終孔頂角<5°,全孔段狗腿度<1°/30m,保證了“二孔合一”的實現(xiàn),縮短了100多天的施工時間,從而為國家節(jié)約了上千萬元的投資。在主孔中成功進行了糾斜鉆進和側(cè)鉆繞障,這是在我國尚未有類似先例的技術(shù)背景下進行的探索與實踐。這一整套技術(shù)方法的成功,必為我國今后大口徑深孔硬巖側(cè)鉆提供有益的示范。在工程施工過程中,科研人員發(fā)明了螺桿馬達驅(qū)動的連續(xù)造斜器,初步試驗獲得成功,實現(xiàn)了鉆探人員多年追求的同徑造斜、邊造斜邊取心的設(shè)想。(5)低粘、低切、低密度、低失水及潤滑性優(yōu)良的泥漿技術(shù)應(yīng)用取得良好效果。該泥漿體系既適用于取心鉆進,又適用于全面鉆進及擴孔鉆進,滿足了科學鉆探的苛刻要求,泥漿性能能長期保持穩(wěn)定,對測試分析無干擾,現(xiàn)場應(yīng)用效果進一步證明了LBM-SD泥漿體系完全能滿足中國大陸科學鉆探工程采用的螺桿馬達液動錘金剛石雙管取心鉆具的鉆進技術(shù)要求,具有良好的性能價格比。(6)小間隙套管及活動套管的應(yīng)用技術(shù)。在“科鉆一井”中進行了小間隙套管固井并獲得成功,在國內(nèi)首次成功實現(xiàn)了2019m長活動套管的安裝和回收,為科學鉆探開發(fā)了實用新型的配套技術(shù)。(7)采用了獨特的鉆探數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)。在石油鉆井的綜合錄井系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過二次開發(fā),完善了地表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),研究開發(fā)了隨鉆孔底鉆探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以補充地表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足,提高鉆進過程監(jiān)測和施工決策的水平,在“科鉆一井”現(xiàn)場施工中獲得良好的應(yīng)用效果。將鉆探實時數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中,為后續(xù)的鉆探數(shù)據(jù)再開發(fā)和利用提供了良好的軟件平臺?？傊?以“靈活的雙孔方案”、“組合式鉆探技術(shù)”、“超前孔裸眼鉆進方法”為核心的科學鉆探總體技術(shù)戰(zhàn)略和方案,以螺桿馬達液動錘驅(qū)動雙管取心鉆進技術(shù)為核心的井底動力驅(qū)動取心鉆進技術(shù),以帶導向的牙輪鉆頭的硬巖長井段擴孔鉆進技術(shù),以剛、直、滿、重井底鉆具組合和金剛石鉆頭異徑側(cè)鉆降斜技術(shù)為主的井斜控制與造斜鉆進技術(shù),以低粘度、低切力、低密度、低失水、低固相及潤滑性優(yōu)良為特征的泥漿技術(shù),以小間隙套管、活動套管安裝與回收為特征的套管固井應(yīng)用技術(shù),以及孔內(nèi)事故預(yù)防與處理和鉆探數(shù)據(jù)采集與處理等一系列鉆探施工技術(shù)經(jīng)受住了蘇魯超高壓變質(zhì)帶堅硬巖石和復(fù)雜地層的嚴峻考驗,取得了輝煌的成績。這套技術(shù)體系中的各項技術(shù)之間是相輔相成的,互相支撐的,沒有性能優(yōu)良的泥漿,井底動力驅(qū)動沖擊回轉(zhuǎn)取心鉆探技術(shù)就不可能實現(xiàn);堅硬巖石擴孔鉆探技術(shù)不過關(guān),整個施工程序和活動套管的應(yīng)用就要重新考慮。因此說這是圍繞結(jié)晶巖科學鉆探形成的完整的鉆探技術(shù)體系,不是一個一個孤立的技術(shù),而是一個有機組合的整體。但是各項新技術(shù)或它們的技術(shù)思想又是可以獨立應(yīng)用于其他鉆探工程的單項技術(shù)?！翱沏@一井”的鉆探施工取得了令世人矚目的重大工程技術(shù)成果,這些成果對促進科學鉆探技術(shù)進步,乃至能源資源的勘探、鉆探活動都有重要意義。不僅如此,“科鉆一井”施工所獲得的巖心樣品和測井所獲取的大量原位信息為地學研究提供了豐富的、翔實可靠的實物資料,科學家通過深入研究已經(jīng)取得令人振奮的科學成果和重大發(fā)現(xiàn)。如:證實了蘇魯?shù)貐^(qū)2億年前發(fā)生過巨量物質(zhì)超深俯沖的壯觀地質(zhì)事件,對超高壓俯沖與折返進行了精確定年,提出了新的多重性、穿時性俯沖與折返模型;在無水礦物中發(fā)現(xiàn)含大量結(jié)晶水,對地幔礦物的流變狀態(tài)進行了科學論證,通過高溫高壓實驗,還提出了俯沖帶中等深源地震的產(chǎn)生與榴輝巖脫水有關(guān)的理論創(chuàng)新成果;發(fā)現(xiàn)多種來自深部下地幔的新礦物組合;發(fā)現(xiàn)了大量極端條件下形成的太古菌及細菌,并在3910m巖心中培植成功微生物活體;發(fā)現(xiàn)來自深部的甲烷、氦氣、二氧化碳和氬氣等特殊流體異常以及這些異常與地質(zhì)體和重大地質(zhì)事件的對應(yīng)關(guān)系;首次完成結(jié)晶巖區(qū)的三維地震探測,揭示了精細的地殼結(jié)構(gòu),通過科學鉆探的巖心和原位測井驗證了結(jié)晶巖地區(qū)的地球物理探測結(jié)果,建立了結(jié)晶巖區(qū)的地球物理標尺等。中國大陸科學鉆探工程的第一口鉆井已經(jīng)接近尾聲了,然而我國的科學鉆探事業(yè)才剛剛起步。新的更多的科學鉆探項目正在啟動中,“青海湖環(huán)境科學鉆探”在國家科學技術(shù)部、中國科學院、國家自然科學基金委員會和ICDP的聯(lián)合資助下,已于2005年完工,正在對取上來的巖心進行室內(nèi)研究,以圖解開盆地演化與青藏高原隆升的關(guān)系以及植被演化與風化的歷史。以研究青藏高原環(huán)境演化為目標的一系列高原湖泊鉆探即將開始。羅布泊鉆探將揭示西北干旱歷史。鶴慶鉆孔將研究構(gòu)造演替與印度季風演化的關(guān)系。江漢平原的鉆探將揭示長江切開三峽的時間、研究巨水系演化與高原隆升的關(guān)系。在我國大慶將實施另一項科學鉆探計劃——“松科一井”,這是號稱全球第一口研究陸相白堊紀的科學鉆孔,其意義有二:一是研究古溫室氣候,以便對未來氣候變化做出科學預(yù)測;二是研究大慶油田陸相油氣盆地烴源巖的形成,探討氣候演變以及重大氣候地質(zhì)事件對烴源巖生成發(fā)育的控制和影響作用。此外我國更大規(guī)模的“地球深部探測計劃”也正在制定中?？茖W鉆探計劃的實施極大地推動了我國鉆探事業(yè)的發(fā)展,在鉆探技術(shù)方面的創(chuàng)新成果將用于資源和環(huán)境調(diào)查,在人才方面的積累將為今后鉆探技術(shù)的研究開發(fā)打下良好基礎(chǔ),同時吸引一大批年青人投身于鉆探事業(yè)。近十幾年來由于國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,地質(zhì)勘探工作處于低谷期,中國地質(zhì)調(diào)查局的成立雖然為國家公益性地質(zhì)調(diào)查工作開創(chuàng)了新局面,然而在體制轉(zhuǎn)軌階段國家對礦產(chǎn)資源勘查的直接投入大幅度減少,造成鉆探工作量急劇下滑。近年來雖然社會資金對礦業(yè)的投入有所增加,但規(guī)模有限,全社會用于礦產(chǎn)資源勘探的鉆探工作量和20世紀鼎盛時期(80年代中)仍然有相當大的距離。大量從事地質(zhì)巖心鉆探的設(shè)備、隊伍、技術(shù)人員或轉(zhuǎn)產(chǎn)或老化退役,使鉆探界有識之士心急如焚,盡管在地基基礎(chǔ)施工中發(fā)揮了地質(zhì)隊伍善于和地球打交道的優(yōu)勢,但是與國民經(jīng)濟發(fā)展息息相關(guān)的資源危機卻深深地令人擔憂。這個令鉆探工作者最為關(guān)心的鉆探工作量的問題近期有望出現(xiàn)巨大轉(zhuǎn)機,《國務(wù)院關(guān)于加強地質(zhì)工作的決定》即將出臺,我國將完善礦產(chǎn)勘查的體制和機制,建立地質(zhì)勘查基金,支持重點勘查,拉動社會資金投入。從2005年開始我國已啟動危機礦山接替資源的找礦勘查工作計劃,預(yù)計到2010年中央政府、地方政府和礦山企業(yè)將總計投入40億元,主要工作經(jīng)費中:地質(zhì)測量8000萬元、物化探測量40000萬元、淺井9000萬元、槽探20000萬元、鉆探180000萬元、坑探95000萬元,主要實物工作量概算約352000萬元,占總預(yù)算的88%,其他工作量經(jīng)費48000萬元,占12%。如果平均按600元/m計算,僅此一項計劃五年巖心鉆探工作總量將達到300萬米,每年50～60萬m。加上地質(zhì)大調(diào)查、資源補償費和礦業(yè)市場的投入資金,全國每年巖心鉆探工作量有望突破20世紀80年代末90年代初的水平。其中能源方面的勘查投入增長最快,除了石油天然氣以外,煤礦和鈾礦勘查將成為新的亮點。危機礦山接替資源勘查的任務(wù)主要包括3個層次:一是在礦山采掘工程附近開展“探邊摸底”的探礦工作,擴大礦山近期可采礦量;二是在礦山近外圍找礦,擴大保有儲量;三是開展礦區(qū)外圍的找礦評價,為礦山的中長期發(fā)展提供新的后備基地。同時,運用成礦系統(tǒng)的新思維