3500 m岩心钻探装备在油气井勘查中的示范应用

任启伟, 刘凡柏, 高鹏举, 赵 远, 伍晓龙

(中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

3500 m岩心钻探装备(即YDX-6型钻机，后文统一用YDX-6型钻机表示3500 m岩心钻探装备)是由中国地质科学院勘探技术研究所设计并制造的新型全液压动力头式深孔用地表岩心钻机，是“京津冀一体化协同发展区地质保障工程”重点项目“京津冀综合地质调查”中子项目“华北平原重点地区地面沉降调查”的研究成果，是我国自主研发的深部矿产资源勘查技术装备[1]。为了考核验证钻机主要技术性能和设计制造质量，该钻机进行了2轮野外生产试验。首轮试验在山东招远市阜山镇牛草涧矿区，于2015年8月28日—2015年11月11日，完成一个终孔口径122 mm、终孔孔深619.2 m的生产勘探孔[2]；第二轮试验是在辽宁金羊盆地施工“羊D1井”油气勘查孔，于2016年3月1日-2017年1月2日，完成一个终孔口径99.5 mm、终孔深为2019.22 m的油气勘探孔。期间2016年11月3日该项目成果通过了中国地质调查局华北地区地质调查管理办公室组织的专家验收。验收意见认为：完成的YDX-6型钻机，采用长油缸钻进和起下钻，结构新颖，在升降系统、提下钻方式等方面有较大的技术创新，具有较高的机械化、自动化水平，满足金刚石绳索取心、冲击回转、定向钻进等深孔地质钻探工艺要求。现将该钻机的第二轮试验情况详细介绍如下，与大家共享交流。

1 试验应用情况

1.1 矿区地理、交通位置及钻场布置

钻探生产示范区位于辽西地区金羊盆地，辽西地区金羊盆地走向长约200 km，东西宽约39 km，面积约5530 km2，呈NE向展布，部署的“羊D1井”处于金羊盆地西南天门断裂带中部，位于北票章吉营子乡北西约5 km处[3]。

交通位置：辽宁省北票市上园镇土宝营村史家梁屯。北票市境内的锦承铁路可直通北京、沈阳、大连、锦州、承德等城市，国道101、305线和长深高速贯穿城乡。中心城区距朝阳机场45 km、距锦州港口150 km。

图1 金羊盆地示意

图2 金羊盆地构造分区与羊D1井位置示意

气象水文：工作区地处中纬段，属于温带大陆性季风气候区。北部受蒙古高原高压影响较大，气候大陆性特性特征显著。东南部距渤海虽不足百公里，但由于受燕山山脉阻隔，南来暖湿气流不能流入境内，所以形成半干旱半湿润的易旱地区。境内四季雨热同期，日照充足，昼夜温差较大。

风力：2～3级，最大可达3～7级。

气温、降雨：气温在-20～40 ℃，工区冬季有发生暴雪可能，有轻雪灾的灾害天气，春、夏季需要预防大风、沙尘天气及瞬时集中降雨形成的泥石流灾害。

为顺利地完成示范钻探工程，按照设计要求组织施工人员，将设备、器材运进现场，做好开钻前的准备工作，如修通道路、平整场地，建好现场值班室、仓库，架设好供电线路，安装好水泵站、泥浆循环系统、储水池、废浆池等。钻场布置见图3，施工现场图见图4。

1.2 地质情况

本次生产示范所施工的钻探孔编号为YD01，设计的倾角为90°，设计深度为2500 m。地层情况为：0～2 m为第四系；2～1100 m为土城子组，以凝灰质砂岩、泥砂质胶结砾岩夹砂岩、页岩夹粉砂岩为主；1100～1200 m为髫髻山组，以火山岩段为凝灰岩、凝灰质集块岩，沉积岩为炭质泥岩和煤线为主；1200～2450 m为北票组，以砾岩，砾岩夹泥页岩、煤层和煤线为主；2450～2500 m为兴隆沟组，以角砾岩、安山集块岩、安山质角砾岩、安山岩为主。岩石可钻性3～7级，局部研磨性特强，该区局部构造较为完整。

图3钻场布置图

图4 施工现场图

1.3 钻孔结构

依据地质资料预算、YDX-6型钻机设计钻探能力、同时考虑井控装置中套管与防喷器级别的匹配，钻孔拟采用二级成孔。表面覆盖层开孔直径194 mm，采用牙轮钻头和Ø89 mm标准钻杆全面钻进，钻深25 m，下入Ø178 mm孔口管。一开采用金刚石绳索取心钻进，钻孔直径122 mm，采用P规格金刚石绳索取心钻杆、钻具、钻头钻进至1450 m。二开采用金刚石绳索取心钻进，钻孔直径97 mm，采用H规格加强型金刚石绳索取心钻杆、钻具、钻头钻进至设计孔深。钻孔结构图见图5。

图5 钻孔结构示意图

为施工中能安全可靠下入套管，包括套管头内各层套管的悬挂座封逻辑、下入次序等关系。选用Ø178 mm的API套管作为固井套管，固井深度150 m。在一开至300 m时拔出孔口管，进行245 mm口径扩孔下套管，之后进行固井作业，为安装井控装置做准备。为了保证进行Ø122 mm口径钻进时返浆速度≤0.3 m/s，在Ø178 mm套管内插入150 m口径为146 mm的地质套管，以减小Ø178 mm套管内的环状间隙从而提高返浆流速[4]。

1.4 主要设备及器具

钻机主要参数见表1，主要配套器具见表2，主要施工工具见表3。

表1 YDX-6型钻机主要技术参数

表2 施工主要配套器具

表3 主要施工钻具

1.5 钻进过程与冲洗液

本井于2016 年3 月1 日开钻，2016 年3月23 日经过245 mm 口径扩孔、安装井控、侧钻、下套管、固井等阶段一开完钻。一开使用Ø122 mm 孕镶金刚石钻头，进尺1476.7 m。一开扩孔采用Ø216/245 mm PDC 钻头，先进行Ø216 mm 孔径扩孔，后进行Ø245 mm扩孔。扩孔完成后下Ø178 mm 套管固井，安装35 MPa 井控装置。一开钻至1476.7 m下Ø114 mm套管1475.4 m，实施固井作业。

一开主要钻遇上侏罗统土城子组、中侏罗统髫髻山组，由于上部易垮塌，可能含有浅层气，采用满眼钻具组合防斜，旋转开孔，并采用轻压吊打的方。充分循环携砂，根据井深和钻速情况不断调整泵量。及时调整钻井液性能满足井下携砂要求，保证泥浆泵钻进上水良好。为保证下套管顺利，一开完钻后进行起下钻扫孔，充分循环钻井液清洗井底。上侏罗统土城子组二段50.45～500.52 m、上侏罗统土城子组一段500.52～1207 m井段地层较软，地层容易缩径、垮塌，钻井液配置：1 m3水+2%～3%膨润土+0.3%纯碱+0.3%～0.5%LV-PAC+0.2%～0.3%K-PAM+0.5%铵盐。在1000～1050 m发生垮塌后掉套管导至施工无法继续，决定采用侧钻避开该井段。侧钻采用氯化钾钻井液体系：1 m3水+2%～3%膨润土+0.3%纯碱+0.4%～0.5%K-PAM+5%～7%KCl+0.8%～1%LV-PAC，孔壁较稳定，顺利完成测钻。

二开主要钻遇中侏罗统髫髻山组，地层较硬，裂隙较多，多为方解石填充，容易反生井漏、井塌。二开井眼尺寸：Ø99.5 mm，井段：1476.7～2019.22 m。2016 年9 月24 日二开开钻，2017 年1 月2 日由于井下情况复杂，钻孔风险极大，二开完钻，完钻井深2019.22 m。钻具组合：ST-04 水龙头+转换接头+H规格绳索取心钻杆+H规格绳索取心钻具+Ø99.5 mm金刚石钻头。采用氯化钾强抑制钻井液体系，随钻加入多种堵漏材料效果均不理想。二开配合测井四次，由于井内孔壁极不规则，四次通井作业均未能顺利下放测井仪器，为保证测井仪器安全，仅实施了部分测井项目。

1.6 钻进效果

该井终孔深度2019.22 m，完成取心共计677回次，岩心长度总计2010.39 m，全井岩心采取率最低75%，最高100%，平均取心率高达99.56%。孔深与回次数关系见图6。

图6 孔深与回次数关系图

2 YDX-6型钻机与井控设备衔接

井控设备一般包括钻井四通、防喷器组、防溢管及对应管线等，安装这些需要一定高度，需满足防喷管线的出口位置从井口贴地面而出[5]。由于地质岩心钻机在设计时一般不会考虑安装井控设备，因此钻机平台下部没有足够空间，而YDX-6型钻机1.8 m高的平台为井控设备提供足够的安装空间，可满足石油天然气行业钻井要求，即井控设备安装以后内控管线应贴地面而出。本井在固井时，将固井套管与套管头连接螺纹设计在地表之下，完成固井之后，再通过钻井四通与防喷器、防喷管线、节流压井管汇连接。井口装置见图7。

图7 井口防喷器

3 YDX-6型钻机与录井设备衔接

按照地质设计，工程设计等相关规范要求本项目需开展岩心荧光、钻时、转速、扭矩、泵压、井深、泵冲、气测、泥浆性能、井温与井口油气观察等多项地质综合录井工作。这些参数中与设备有关的项目包括钻时、转速、扭矩、井深、泵冲、泵压等参数，若使用常规岩心钻机需增加各个功能的传感器，而YDX-6型钻机采用数字化操作，钻进过程中对各个钻进参数实时监控，系统框图见图8，同时YDX-6型钻机提供RS-232接口，录井设备通过RS-232串口实时调用钻机的钻探参数。

图8 YDX-6型钻机钻进过程参数监控系统框图

4 YDX-6型钻机在生产示范应用中的性能表现

(1)本轮实验采用P规格加强型绳索取心钻杆钻到为1476.7 m，采用H规格加强型钻杆钻到2019.22 m，基本达到钻机设计能力，但是钻机整体性能还未能完全体现出来。

(2)动力头工作稳定，即使在夏天高温天气，动力头整体温升也正常，润滑系统工作可靠。

(3)钻机液压系统采用负荷敏感控制系统、恒功率控制系统，实际应用效果好。液压油散热系统工作可靠，即使在室外最高温，液压油温升一直在允许范围内。

(4)在整个实验中YDX-6型岩心钻机主要性能表现见表4。

5 结论及建议

(1)YDX-6型钻机在第二次野外生产示范试验中取得成功，展示了它的优良性能，满足以金刚石绳索取心钻进为主体的深孔地质钻探工艺要求，在深部矿产资源勘查、油气井勘查等中能够提供技术装备支撑。

表4 YDX-6型钻机性能参数表

(2)该钻机为多功能钻探装备，既可用于深孔岩心钻进，也可用于我国浅部石油勘探，以及新兴能源如煤层气、页岩气、干热岩等的勘探，既可以打丛式井，又可以钻进定向孔，因此，该钻机将有非常大的潜在市场。