1、青海木里凍土區天然氣水合物鉆探施工技術 內容摘要：內容摘要：該文簡要介紹了青海木里凍土地帶天然氣水合物鉆探施工情況，針對施工中遇到的孔壁穩定性差、泥頁巖易坍塌、水合物易分解、破碎巖層取芯困難、氣侵泥漿及孔內涌水、漏失等技術性難題，進行積極探索研究，并在生產實踐中取得了較好的效果，為青海木里凍土地帶再次成功鉆獲水合物實物樣品奠定了基礎。關鍵詞：關鍵詞：天然氣水合物；聚合物低溫泥漿；大口徑繩索快速取芯技術；泥漿制冷技術1.1.地地地地層層概況概況概況概況圖1-1 木里三露天地層構造簡圖 青海木里煤田聚乎更礦區三露天調查區地層自上而下可分為第四系（Q）、中侏羅統（J2）、下侏羅統（J1）、上三疊統（

2、T3）。中侏羅統江倉組為本次水合物鉆探主要目的層，巖性主要以泥頁巖為主，局部夾雜油頁巖和粉砂巖及細粒砂巖等，巖層破碎、軟硬交錯，斷層裂隙發育，弱研磨性，可鉆性1-4級，以往鉆探施工過程中主要面臨鉆進效率不高、孔壁穩定性差、巖心采取困難等問題。2.2.2.2.質質量技量技量技量技術術要求要求要求要求 目前，針對天然氣水合物鉆探取芯施工，還沒有系統的質量技術規范規程可供遵循，因此施工主要以煤炭勘探鉆孔工程質量標準作為驗收竣工鉆孔的重要依據和準則，主要內容如下：（1）巖心采取率：全孔巖心采取率不低于60%、水合物異常層段巖心采取率不低于80%；（2）孔斜要求：孔深每增加100m、孔斜度增加不超過1-

3、1.5，終孔直徑要求不小于99mm；（3）回次進尺：異常地層（目的層）小于1.5m、無異常地層2-3m；（4）鉆進時間：異常地層（目的層）小于或等于2h、無異常地層2-3h；（5）泥漿溫度：入口不超過2、出口不超過4；（6）測井要求：每鉆遇一層水合物、每百米、換徑前、終孔各要進行一次測井。3.3.鉆鉆探施工探施工探施工探施工難難點點點點3.13.1水合物易分解水合物易分解 天然氣水合物是在高壓低溫的特殊條件下形成的，鉆進取芯過程中隨著溫壓條件的改變會迅速融化分解，分解過程中會釋放大量的甲烷氣體，對鉆探安全，人員設備等構成危害（圖3-1）。3.23.2孔壁穩定性差孔壁穩定性差 中侏羅統江倉組是水

4、合物的主要儲集層，巖性以泥頁巖、粉砂巖為主，上段含紙片狀油頁巖層段遇水穩定性極差，鉆進時極易裂解、坍塌，同時水合物分解釋放的水分子進入儲層裂隙間，導致泥頁巖膠結性能變差，氣體侵入泥漿易導致泥漿比重及孔底壓力下降，由此造成孔壁失穩、孔徑擴大、下鉆遇阻等問題。3.33.3取心難度較大取心難度較大 上部松散破碎地層鉆進時，如果泥漿失水量較高、巖心極易被泥漿中自由水泡散，造成卡簧無法卡取巖心或者被泥漿水流沖散，導致取心失敗（圖3-2）。3.43.4鉆進效率鉆進效率低低 該區以煤系地層為主，可鉆性不高，但地層軟硬交錯、傾角大，上部泥頁巖地層打滑、泥包鉆頭，以往鉆月效率不足300米。圖圖3-1 3-1 水

5、合物分解氣體侵入泥水合物分解氣體侵入泥漿漿和井口被點燃和井口被點燃圖圖3-2 3-2 松散破碎巖心松散破碎巖心和孔內排出坍塌物和孔內排出坍塌物4.4.4.4.水合物鉆探水合物鉆探水合物鉆探水合物鉆探設備機具配備設備機具配備設備機具配備設備機具配備4 4.1.1主要設備和工具主要設備和工具 為了達到快速取芯的目的，施工選用S127和S89兩種規格的繩索取心鉆具，每個機臺配備20-30米的168mm反絲套管。4 4 4 4.2.2.2.2主要鉆具、管材主要鉆具、管材主要鉆具、管材主要鉆具、管材4 4.3 3鉆具組合一覽表鉆具組合一覽表5.5.鉆孔結構選擇鉆孔結構選擇 根據施工設計，結合地層變化，最

6、終鉆孔結構如下（圖5-1）：首先以172mm合金取芯鉆頭鉆穿第四系表土層進入基巖（孔深約8-20m）下入168mm套管作為孔口管，然后以135mm鉆頭和S127繩索取芯鉆具鉆進至孔深280-300m（視地層情況而定），完成測井工作后，將127mm鉆桿留在孔內作為下一級套管，然后換99mm鉆頭和S89繩索取芯鉆具鉆進至終孔，泥漿護壁，事實證明這種鉆孔結構比較優化，降低了孔內事故發生的幾率。典典型型鉆鉆孔孔結結構構示示意意圖圖6.6.施工關施工關施工關施工關鍵鍵技技技技術術 天然氣水合物鉆探，不同于地質巖心鉆探，既有回次進尺的限制、又有鉆進時間的限制，還要保證巖心采取率及水合物樣品較少分解的可能性

7、，所以合適的取芯工藝及鉆進參數對鉆獲原狀性較好的水合物實物樣品至關重要。6.16.1鉆進參數鉆進參數 鉆進參數對鉆獲水合物樣品至關重要，影響鉆進參數的主要因素有巖層性質、鉆頭類型、設備能力等，研究表明，當使用較大口徑鉆具進行水合物鉆探取芯時，由于在較高鉆壓和線速度條件下，單位時間內產生的巖粉較多，大量巖粉堆積在鉆頭底部重復破碎，摩擦產生大量熱量，對加速巖心樣品周圍和內部水合物的分解起到積極的推動作用，不利于鉆獲較理想的原狀水合物樣品，綜合以上因素，最終選用的鉆進參數見表6-1。表表表表6-1 6-1 鉆進鉆進參數一參數一參數一參數一覽覽表表表表6.26.2低溫泥漿體系低溫泥漿體系 研究表明，通

8、過地面泥漿制冷系統將泥漿（入口）溫度控制在2以內，最大限度的滿足水合物賦存的原始溫壓條件，既可有效抑制水合物的臨時性分解。因此，施工原則上采用了高比重（增加孔底壓力）+低溫（抑制水合物分解）+低失水量（維護儲層穩定）泥漿進行水合物取芯鉆進。6.2.16.2.1低溫泥低溫泥低溫泥低溫泥漿漿配制與配制與配制與配制與應應用用用用 經過室內實驗室不斷研究和現場反復生產試驗，最終得到了適用于凍土區水合物鉆探的最優泥漿配方，基本配方及應達到的性能參數如下：泥泥漿漿配配方方：水1+優質鈉基膨潤土25-50kg+廣譜護壁劑10-15kg+高粘防塌劑8-10kg+磺化褐煤樹脂 5-8kg 性能指標：性能指標：比

9、重1.06-1.08g/cm、粘度28-36s、失水量5-6mL/30min、PH7-9、泥皮厚度0.5-0.8mm 上述配方在使用過程中，可根據地層和孔內情況需要，加入石灰石粉（碳酸鈣）來進一步增加泥漿比重及孔內液柱壓力，抑制鉆進取芯過程中水合物的分解和不穩定地層坍塌。如果上部松散、破碎不穩定地層巨厚或孔壁坍塌嚴重及孔內出現涌水、涌氣等復雜情況時，可逐步將泥漿比重調至1.20g/cm以上，迅速鉆穿后下入技術套管進行隔離，此類不穩定地層泥漿護壁的關鍵是減少泥漿中的自由水向孔壁滲透，盡量減少或者抑制孔壁巖層呈散體狀。現場實踐證明，將泥漿進孔溫度控制2以內，并保持一定的孔底壓力是凍土區成功鉆獲水合

10、物實物樣品的關鍵（表6-2），尤其泥漿溫度在水合物鉆進取芯過程中起著決定性作用，如果泥漿溫度過高，水合物就會快速分解。由勘探技術研究所專為凍土區天然氣水合物鉆探研制的泥漿冷卻裝置，可將泥漿進孔溫度始終控制在2以內，對水合物樣品的快速鉆獲起著重要作用。表表6-2 6-2 現場現場鉆獲確認鉆獲確認的的水合物樣品鉆進取芯時泥漿水合物樣品鉆進取芯時泥漿的的各項性能各項性能參數參數6.2.26.2.2低溫泥低溫泥低溫泥低溫泥漿維護漿維護管理管理管理管理（1）水合物鉆探對泥漿要求較高，機臺應選配優秀的泥槳管理人員，負責現場泥漿的配制、測定、調整和儀器、材料的保管，配齊泥漿性能測儀器，現場泥槳由鉆探工程師統

11、一管理。（2）開鉆前，泥漿性能必須調整到設計要求的范圍，正常鉆進每8小時做一次泥漿常規性能（比重、粘度）測定，每24小時做一次全套性能測量，若發現泥漿氣侵或孔內情況情況要及時向工程技術人員匯報，同時加密測定泥漿比重、粘度，做好現場記錄。（3）嚴格按質量技術要求做好泥漿進孔和出孔溫度的檢測，泥漿循環槽及沉淀池要搭建簡易防雨棚，避免陽光照射導致泥漿溫度的升高。（4）鉆進過程中保持孔內液柱壓力與地層壓力平衡，提升鉆具時，要及時向孔內注入泥漿，注漿方法是立軸移開孔口后，開泵向孔內注入，使孔內始終保持一定的孔底壓力。6.36.3大口徑大口徑大口徑大口徑繩繩索取芯索取芯索取芯索取芯鉆進鉆進（5）為了保證泥

12、漿性能良好，每個鉆程都應清撈循環槽中的巖粉，并根據泥漿使用時間，鉆時的巖層及泥漿性能的變化，及時更換或補充新泥漿，如發現氣侵泥漿，則應徹底更換泥漿。（6）鉆進過程中，要不斷地補充高分子聚合物在泥漿中的有效含量，在攪拌新泥漿前，必須對孔口返出的泥漿進行測試，并根據孔內情況及時調整新泥漿的材料加量以調整泥漿性能，不要讓污水、雨水流進泥漿中，地表配備使用好固控設備及時清除泥漿中的有害固相。三露天以煤系沉積地層為主，巖層結構松散、膠結性能極差、取芯較困難，并且斷層破碎帶多、裂隙發育等，為了防止上部地層坍塌、涌、漏等復雜情況發生的可能，保證巖心采取率和水合物樣品較少分解的可能性。開孔后在上部孔深20-3

13、00米范圍內采用S127繩索取芯鉆具鉆進取芯，孔深300-600米范圍內采用S89繩索取芯鉆具鉆進取芯，低溫泥漿護壁。6.3.16.3.1鉆頭選鉆頭選型與型與型與型與試驗試驗 實踐證明，當采用較大口徑鉆具取芯鉆進時，由于鉆獲的巖心直徑較粗，巖心的力學性能也較為穩固，巖心中間受溫度影響較小，有利于水合物樣品的獲取，同時采用繩索取芯鉆進能有效減少上下鉆具次數和時間，減輕工人勞動強度，防止頻繁上鉆具致使孔內停止泥漿循環，造成孔內溫度上升導致水合物的分解。鉆頭對巖層的適應性是影響取心質量和鉆進速度的重要因素，不同地層選用不同類型鉆頭，可有效提高鉆頭的使用壽命，提高鉆進效率，最有利于水合物樣品的快速獲取

14、。根據地層特征，針對上部致密打滑油頁巖地層選用高效尖齒復合片取芯鉆頭，軟硬交錯地層選用齒輪型孕鑲金剛石取芯鉆頭（金剛石目數46-60、胎體硬度35-40），以上鉆頭現場生產試驗效果見表6-3。表表表表6-3 6-3 鉆頭鉆頭現場現場生生生生產產試驗試驗效果一效果一效果一效果一覽覽表表表表 現場技術統計表明，金剛石齒輪鉆頭比尖齒復合片鉆頭更適合于水合物復雜地層鉆進，當使用尖齒鉆頭剛開始能保持較高鉆速，但是隨著巖層變化，鉆速會迅速下降，主要原因分析為：尖齒鉆頭主要以剪切方式破碎巖石，破巖過程中形成的巖粉顆粒較大，繩索鉆具與孔壁間隙較小，大量巖粉顆粒堆積到鉆頭與擴孔器處，造成憋泵、磨損鉆具，不利于提

15、高鉆速。6.3.26.3.2快速取芯技快速取芯技快速取芯技快速取芯技術術措施措施措施措施 為達到快速取芯的目的，應嚴格控制鉆進時間、回次進尺、泥漿溫度和鉆進參數及內管提升速度，優化泥漿性能及潤滑性，結合現場實際情況，制定以下取芯技術措施：（1）根據巖層變化及時調整卡簧大小，每一次取芯后要認真檢查卡簧、卡簧座的磨損情況，防止巖心脫落導致提鉆，現場配備了大、中、小三種尺寸的高強度卡簧以供選配。（2）下鉆前必須對取芯工具進行全面檢查，取芯工具應單動靈活、水路暢通，鉆頭與卡簧配合尺寸要合理，鉆頭內徑與卡簧的自由內徑必須合理配合。（3）為保證巖心樣品在提升過程中水合物不被分解，適當控制打撈速度，以防產生

16、載抽吸作用下加速水合物分解，內管提升速度以25-80米分為宜。（4）每一次撈取內管時，要及時向孔內回灌泥漿，泥漿可以為巖心樣品提供向上的支持力，防止巖心脫落，防止水合物快速分解和孔壁坍塌。7.7.7.7.水合物鉆探水合物鉆探水合物鉆探水合物鉆探遇到的難題與對策遇到的難題與對策遇到的難題與對策遇到的難題與對策7.17.1永凍層快速鉆穿技術永凍層快速鉆穿技術 木里永久凍土層平均厚度約80m，其中0至20m為四系表土層，常年呈冰凍狀態，如果采用回轉鉆進泥漿護壁方法鉆進，在泥漿的浸泡和鉆桿回轉產生的熱量，使凍土層解凍、垮塌。為此采取了干鉆方法+短鉆具取芯+快速鉆穿方法鉆進，為了防止永凍層孔壁坍塌等事故

17、的發生，盡量減少鉆孔裸露時間，開孔前必須做好充分準備，減少輔助工作時間，快速鉆穿并及時下入套管護壁。7.27.2孔壁坍塌處理措施孔壁坍塌處理措施 以DK-9試驗井為例，孔深240米處泥頁巖破碎嚴重，原先使用國外泥漿材料配制的低溫泥漿護壁，結果上鉆具更換鉆頭后下鉆遇阻，掃孔時憋泵嚴重，上提鉆具后下放又還原，分析孔內上返的巖粉顆粒，判斷為孔壁坍塌。表表7-1 7-1 調調整前后泥整前后泥漿漿性能參數性能參數 后改用了國產聚合物高比重低失水量優質泥漿配合小一級60常規鉆具進行處理，即在調整原有泥漿性能的基礎上增大了環形空間，經處理后效果明顯改觀、孔內上返巖屑逐漸減少，之后繼續使用聚合物泥漿體系鉆進至

18、終孔。國產高比重低失水量聚合物防塌泥漿配方：1立方清水+150kg石灰石粉+12kg高粘防塌劑+12kg廣譜護壁劑+3kg磺化褐煤樹脂。實踐證明，國產聚合物泥漿在低溫下具有流變性好、潤滑性好、攜帶巖粉能力強、低失水量等優點，由國產泥漿材料配制的泥漿比國外泥漿更能有效抑制水合物孔壁的坍塌，鉆進時將配制好的聚合物泥漿通過地表冷卻裝置進行制冷后基本能滿足水合物鉆探需要。7.37.3井涌井涌井涌井涌預預防與防與防與防與處處理措施理措施理措施理措施 鉆進取芯時水合物極易分解，以往曾發生過多次井涌事故，有時氣體壓力可將孔內的鉆具和鉆桿頂起，為防止鉆進過程可能發生氣體噴出情況，根據實際情況，應采取以下技術措

19、施來預防井涌、井噴事故的發生。（1）鉆遇含氣地層或水合物異常層段，將泥漿比重提高至1.20g/cm以上，增加孔內液柱壓力。（2）若含氣層段已發生泥漿氣侵現象，嚴禁將已氣侵污染的泥漿重復循環到孔內，應快速調整泥漿的性能，保持泥漿處于良好的狀態，做到均勻加重。（3）上鉆具要降低起鉆速度，盡量減少抽吸壓力，上提鉆具要做到隨提隨灌泥漿，保持孔內壓力平衡。（4）機臺人員隨時觀察孔口和泥漿池液面變化，按時測定泥漿常規性能，現場配備足夠的石灰石粉、水泥等壓井材料以及消防滅火器材等，發現異常情況立即報告機長和技術人員，充分做好壓涌準備工作。7.47.47.47.4鉆孔護壁堵漏措施鉆孔護壁堵漏措施鉆孔護壁堵漏措

20、施鉆孔護壁堵漏措施（5）當泥漿出口比重比入口比重下降0.5-0.15 g/cm時，應停止鉆進，一邊加大泥漿比重，一邊大泵量循環，直至進出口泥漿比重基本平衡，井涌包括溢流跡象消失為止。（6）如果出現井涌或者壓井失敗時，通過管道將氣體引流到距離孔口外500m以遠點燃，避免對現場人員和設備造成危害，保護施工現場安全。以DK11-14號孔為例，自開孔后孔內開始泥漿漏失，初步判斷為第四系及基巖交界處孔隙漏失，為了較好的封堵孔內泥漿漏失，采取以下堵漏技術措施。泥漿配方：1水+150kg膨潤土+3kg高粘纖維素+20kg高粘堵漏劑+25kg磺化褐煤樹脂+鋸末（根據漏失情況添加）性能指標：比重：1.06g/c

21、m、粘度：45-60s、失水量：8mL/30min、PH:7-9、泥皮厚度：1mm。經過多次的反復堵漏后，孔內泥漿返水正常，通過優化泥漿性能，降低了孔內泥漿漏失，保證了孔壁穩定。7.57.5提高巖心采取率的措施提高巖心采取率的措施 為了提高巖心樣品采取率，減少水合物樣品的快速分解，嚴格限制回次進尺長度和鉆進時間來提高巖心樣品采取率，堅持少鉆勤提的原則，采取重要異常地層最關鍵的巖心樣品時，通常把回次進尺控制在0.5-1m以內，鉆進時間限制在1h以內，同時不斷優化調整泥漿的性能參數，通常將泥漿失水量控制在6mL/30min以內，防止巖心樣品在鉆進時間內被泥漿中的自由水泡散，保持巖心樣品的穩定性和完

22、整性。7.67.6優化泥漿凈化系統優化泥漿凈化系統 為了降低泥漿中的有害固相含量，減少巖粉二次進入孔內，加長泥漿循環槽，改進泥漿循環系統，循環槽長度達到25m左右，并在循環槽內多處設置擋板、循環槽拐彎處設置泥漿沉淀坑4個，使得巖粉較好的沉淀.同時機臺配備旋流除泥器，便于更好的清除泥漿中的有害固相，使得孔內泥漿處于良好的狀態，維護了孔壁穩定，泥漿循環槽及沉淀坑全部采取簡易防雨措施，避免雨水進入泥漿以及陽光照射后導致泥漿溫度的升高。8.8.8.8.鉆探技術成果鉆探技術成果鉆探技術成果鉆探技術成果 通過采取以上技術方法和工藝措施，由我方在該區已鉆進完成的5口天然氣水合物鉆孔中取得了明顯效果，平均鉆月

23、效率360米/月、施工周期53天，全孔巖心采取率平均達到87%以上，詳見表8-1。表表8-1 8-1 青海木里凍土區天然氣青海木里凍土區天然氣水合物鉆探技術成果水合物鉆探技術成果9.9.結語結語 以上水合物鉆孔的順利終孔，給項目后續水合物取芯鉆探提供了寶貴的經驗，同時也更加證明了我們所運用的凍土區水合物鉆探取芯工藝及技術方法的是切實可行的。在鉆探施工過程中我們采取了生產科研相結合的模式，在總結以往成功經驗的基礎上運用了泥漿制冷技術、大口徑繩索快速取芯鉆進技術、聚合物低溫泥漿等技術工藝。積極探索不斷加強技術研究和工藝改進，先后克服了水合物易分解、泥頁巖易坍塌、松散破碎地層取芯困難、油頁巖地層鉆進效率低及孔內涌氣、涌水、漏失、氣侵泥漿等諸多技術性難題，總結出了一套適合于陸域凍土地帶天然氣水合物鉆探取芯的技術工藝及應對措施。不足之處，請各位專家不足之處，請各位專家提出寶貴意見！提出寶貴意見！謝謝大家！謝謝大家！