改裝ZJ15石油鉆機在大口徑深水井施工中的應用

王公遠，王念理，王成貴

（1.青州市抗旱服務站，山東青州262600；2.青州市水利局，山東青州262600）

ZJ15石油鉆機是山東榮利中石油機械有限公司生產的小型石油鉆機，鉆井深度1500～2000m。為了滿足鉆鑿大直徑深水井和地熱井的需要，我們對該鉆機進行了減配、改裝。2012年以來，改裝后的ZJ15石油鉆機在玄武巖地區鉆鑿孔深500～900m的大直徑深水井28眼，無論在鉆鑿深度、鉆進速度、成井效率、成井質量及安全性方面和水源系列鉆機相比都具有明顯的優勢。

以887m井（CHANGCHO-1井）為例，說明改裝ZJ15石油鉆機在玄武巖地區大口徑深水井施工中的應用效果。

1 工程概況

埃塞俄比亞水委會為了解決首都居民的供水問題，在城郊東部海拔2700m的高原地區規劃設計了2眼800m的大口徑水文地質勘察井，主要目的是探明該地區的地層和地下水賦存情況，為水源地的供水井設計提供依據，同時在出水量較大時作為水源地的生產井使用。

1.1 地層情況

鉆孔（CHANCHO-1井）揭露的地層為3個噴發旋回的玄武巖建造。0～16m為粘土和殘坡積的碎石土層，碎石為玄武巖碎石。16～152m中等風化玄武巖和微風化玄武巖。152～154.5m紅色粘土和玄武巖礫石層，154.5～281m為強風化至微風化的玄武巖地層。281～282m玄武巖礫、卵石地層，礫卵石間充填褐色粘土。282～821m為中風化玄武巖和微風化致密塊狀玄武巖。821～830m為強風化玄武巖和砂礫石地層，礫石成分為玄武巖，從電測井結果和砂樣分析，本段為主要含水層。830～887m強風化至中風化玄武巖地層。

1.2 鉆孔結構

覆蓋層0～26m鉆孔直徑?660mm，下?550mm表套護壁；26～265m鉆孔直徑?450mm，下?325mm套管；265～506m鉆孔直徑?311mm,下?219mm套管；506～887m鉆孔直徑?220mm，下?168mm套管。

2 施工設備

為了滿足業主對施工工期和施工質量的要求，我們選用了改裝ZJ15石油鉆機及相應的配套設備。

改裝ZJ15石油鉆機，鉆臺高度1.2m，井架主體結構為k型，鉆塔有效高度34m，二層臺高度17.5m，立根容量為(?127mm鉆桿，19m立根)2000m。

配套YG-90游車大鉤，大鉤鉤載90t；XSL-110水龍頭，中心管通徑?63.5mm，最高工作壓力35MPa；ZP275轉盤總成，最大靜負荷4500kN，最大扭矩28kN·m。

配套?127mm鉆桿,7吋和6.25吋鉆鋌，指重表、傳感器等附件，3NB-1000泥漿泵,PZ12V190B（880kW）柴油機和6135（120kW）柴油機，75kW節能發電機組。

配套26吋（?660mm）鋼齒三牙輪鉆頭，22吋（?560mm）17.5吋（?445mm）鑲齒牙輪組合鉆頭，12.25吋（?311mm）和8.5吋（?216mm）鑲齒三牙輪鉆頭和PDC鉆頭。

配備壽力螺桿空壓機（型號：PDSJ750S-4B1），國產10MPa增壓機（型號：SF-1.3/17-100）。

配備物探測井設備：JGS-1B測井儀及自然電位、電阻率、自然γ探頭。

配備抽水設備ZL250QJ360-150/220kW、ZL250QJ180-150/125kW、200QJ32-150/13kW、150QJ32-230/70kW潛水泵和砂漿泵等相關設備。

配備25t吊車、自備吊卡車、翻斗車、裝載機等。

3 鉆井工藝

3.1 鉆具組合結構

從下至上，牙輪鉆頭（或牙輪組合鉆頭）+塔式鉆鋌組合和扶正器+?127mm鉆桿+方鉆桿，塔式鉆鋌為7吋2根+6.25吋鉆鋌8根，鉆鋌總長72m。

3.2 鉆進參數

鉆頭選用鑲齒三牙輪鉆頭或牙輪組合鉆頭。采用泥漿護壁，正循環牙輪鉆進。鉆壓選擇配重鉆鋌總重量的60%～80%，即60～80kN。轉速60～100r/min，泵量1800～2400L/min。在地層由軟變硬的情況下,特別要輕壓慢轉,進尺慢時不要盲目加壓,以防造成孔斜。

3.3 沖洗液

采用優質低固相泥漿作為鉆井沖洗液，進行沖孔排渣和護壁。覆蓋層采用地層自然造漿，將泥漿密度控制在1.05～1.1g/cm3，粘度23～25s之間。安裝并固定好表套之后、鉆進玄武巖地層時，將泥漿密度控制在1.10～1.2g/cm3之間，粘度30s以上，當鉆進滲漏地層時，根據具體情況適當提高泥漿的粘度。

3.4 改裝ZJ15石油鉆機和水源（2000）系列鉆機對比

改裝ZJ15石油鉆機和水源（2000）系列鉆機對比，鉆井速度快，質量好。

從表1可以看出，類似地質條件和相同井身結構的情況下，改裝ZJ15石油鉆機比水源2000型鉆機的鉆進速度優勢明顯。

表1 相同口經、類似地質條件下鉆進速度比較（m/h)

（1）ZJ15石油鉆機使用了?127mm鉆桿+7吋和6.25吋鉆鋌8根，鉆鋌總重量超過了10t，大鉆壓下，牙輪鉆頭破巖能力顯著增強，鉆進速度明細提高。

（2）改裝鉆機的提升能力900kN，配套ZP275轉盤的扭矩28kN·m,使22吋和17.5吋牙輪組合鉆頭高鉆壓、大扭矩鉆進成為可能。

（3）3NB-1000泥漿泵在使用170mm缸套、活塞，中轉速的工況下，泵壓可以達到16.4MPa，排量可以達到2230L/min，高泵壓和大排量保障了破碎巖屑的快速排出，使鉆進效率進一步提高。

4 成井工藝

4.1 物探測井

鉆探終孔提鉆后，立即進行物探測井。測試視電阻率、自然電位、自然伽馬3項參數，通過對電測曲線和砂樣的對比分析，準確判明地層的巖性及含水層位置。

4.2 井壁管的安裝

所有規格的套管都在終孔測井后一次性下入，濾水管的位置和數量按照測井數據和砂樣分析結果確定。

按照測井判明的地層和含水層位置，確定濾水管的位置和數量，做好排管設計方案。采用一次提吊下管法下管，大小管之間用變徑接頭連接。上部200m下?377mm×9mm鋼套管，下部300m下?219mm×7mm的鋼套管，濾水管采用同規格鋼套管割逢，縫寬2～2.5mm，孔隙率大于10%。

4.3 觀察管的安裝

水位觀察管以直線的方式安裝在套管的外側，觀察管選用1.2吋的鍍鋅鋼管。底部開槽部分用弓形鉅切割，觀察管底端封閉。觀察管的安裝深度為180m。

4.4 沖孔、填礫

下管結束后,下鉆桿至井底,用泥漿泵向井內注入輕質泥漿，把孔內稠泥漿排出，等孔內輕質泥漿循環均勻后填礫。填礫采用動水填礫法進行填礫，即邊填礫邊循環的辦法。濾料采用?9mm～?12mm的玄武巖礫石，填礫過程必須嚴格按操作規程進行，嚴防中途礫石搭橋。

4.5 洗井

為了更好地清除鉆孔井壁上的泥皮，減少水井沉淀物的數量，增加井的出水量，洗井按以下步驟進行。

（1）用鉆桿連接專用噴頭使用泥漿泵在篩管位置注入多磷酸鹽溶液，等待24h。

（2）在所有篩管部分進行活塞洗井。

（3）使用空壓機和增壓機分段進行壓縮空氣洗井，直至洗清為止。

（4）用空壓機、2吋高壓膠管和鉆桿實施氣舉法排出井底沉砂。

4.6 改裝ZJ15石油鉆機成井速度快、質量高、安全性強

（1）改裝ZJ15石油鉆機和水源2000型鉆機相比，鉆塔有效高度達到34m，提升能了達到90t，887m套管采用一次提吊下管法，大大縮短了下管時間,保障了下管過程的安全。兩鉆機參數對比見表2。

表2 鉆機主要參數

（2）改裝ZJ15石油鉆機在鉆具結構上，使用大組合塔式鉆鋌和扶正器，鉆鋌總重量超過了10t，不僅提高了鉆進速度，還保障了鉆孔的垂直度，提高了成孔質量。

（3）鉆塔有效高度34m，2層臺17.5m，立根鉆桿長度19m，且穩定性好，上、下鉆和接桿等附屬工作時間明顯縮短。

（4）改裝ZJ15石油鉆機配套了螺桿空壓機和10MPa增壓機組合，使壓縮空氣洗井一次性洗到井底（887m），極大地縮短了洗井時間。增壓機的使用改變了之前300m以下只能使用繁瑣的雙管（氣舉反循環）洗井的局限，特別是800m以下含水層使用壓縮空氣洗井成為可能。增壓機洗井速度快，洗井更加徹底，洗井質量明顯提高。

5 抽水試驗、封井和井口建造

5.1 抽水試驗

根據鉆井和洗井的情況，選用相應型號的潛水電泵做初步抽水，初步抽水試驗顯示水井有足夠的出水量時，對水井進行抽水試驗。抽水試驗包括間歇抽水、持續抽水及水位恢復，按照抽水試驗的要求記錄水位、流量，導電率、溫度，繪制Q-T、Q-S曲線，編制抽水試驗報告。

5.2 封井和井口建造

抽水試驗完畢后用粘土將套管外沒有填滿礫石的環空填滿夯實。然后用C25混凝土在井口上建長寬高都是1m的混凝土井臺，并將井口用鐵板焊牢。

6 結論

改裝ZJ15石油鉆機和水源（2000）系列鉆機相比，鉆井速度快、質量好，成井效率高，并且在安全性方面也有明顯優勢。

（1）改裝ZJ15石油鉆機大提升能力達900kN，使用?127mm鉆桿和鉆鋌組合，鉆鋌總重量超過了10t，高鉆壓鉆進使牙輪鉆頭破巖能力顯著增強，鉆進速度明顯提高。

（2）改裝ZL15石油鉆機配套ZP275轉盤的最大扭矩達28kN·m，最大靜負荷4500kN，使大口徑牙輪組合鉆頭的高鉆壓鉆進得到保障。

（3）3NB-1000泥漿泵在使用170mm缸套、活塞，中轉速的工況下，泵壓可以達到16.4MPa，排量可以達到2230L/min，高泵壓和大排量保障了破碎巖屑的快速排出，使鉆進效率進一步提高。

（4）改裝ZJ15石油鉆機和水源系列型鉆機相比，鉆塔有效高度達到34m，提升能力達到900kN，二層臺17.5m，立根鉆桿長度19m，且穩定性好，不僅使上、下鉆和接桿等附屬工作時間明顯縮短，還保障了（887m）套管一次提吊安放，大大縮短了下管時間,保障了下管過程的安全。

（5）改裝ZJ15石油鉆機在鉆具結構上，使用大組合塔式鉆鋌和扶正器，不僅提高了鉆進速度，也保障了鉆孔的垂直度和成孔質量。

（6）改裝ZK15石油鉆機配備了螺桿空壓機和10MPa增壓機，使壓縮空氣洗井一次性洗到井底（887m），極大地縮短了洗井時間。增壓機的使用還改變了之前300m以下只能使用繁瑣的雙管（氣舉反循環）洗井的局限，特別是800m以下含水層使用壓縮空氣洗井成為可能。增壓機洗井速度快，洗井更加徹底，洗井質量明顯提高。

（7）改裝ZL15石油鉆機體積、重量大，調遣費用高，配套動力大，運行成本高，還有待進一步改進提高。