松遼盆地西部斜坡區油砂礦鉆探工藝研究

高興文，聶新明

1.中化地質礦山總局吉林地質勘查院，吉林 長春 130022；2.中化地質礦山總局河北地質勘查院，河北 石家莊 050031

0 引言

油砂是指富含天然瀝青的沉積砂[1]。也稱“瀝青砂”。油砂實質上是一種瀝青、砂、粘土和水的混合物，其開采方法與傳統石油開采截然不同。簡單地說，油砂開采是“挖掘”石油，而不是“抽取”石油。從地學角度上說油砂礦既有別于固體礦床，也不同于石油礦床，它具有固體和液體兩重性。這就要求在地質勘探鉆探施工中，必須要有與之相適配的鉆探工藝。從2007年至2020年，歷時13年，我院先后與吉林省地球物理調查研究所、吉林大學油氣研究所和中國地質調查局油氣資源調查中心合作，在松遼盆地西部斜坡區域內，完成了“吉林省鎮賚縣大崗機械林場和西北溝一帶油砂礦的普查、詳查”、“松遼盆地西部斜坡區油砂礦基礎地質調查和成藏研究”和“松遼盆地西斜坡油砂礦地質調查”等鉆探施工任務，共施工鉆孔194個，累計完成鉆探工作量近5萬余米，形成了一套完整的松遼盆地西部斜坡區油砂礦鉆探施工工藝。

1 地質概況

松遼盆地是一個發育在古生代褶皺基底之上自白堊紀以來形成的大型的中新生代沉積盆地，盆地形狀近似菱形，西臨大興安嶺，北與小興安嶺為界，東部為張廣才嶺，南接康平—法庫丘陵地帶。盆地中間是嫩江、松花江、遼河水系流經的平原沼澤區，地面海拔120～300 m，長約750 km，寬330～370 km，主軸沿北北東方向展布，面積約26×104km2，是當今世界上最大的典型陸相沉積盆地之一[2]。

根據中淺層構造地質特征，考慮深層構造和基底性質，松遼盆地劃分有6個一級構造單元，即西部傾沒區、西部斜坡區、中央坳陷區、東南隆起區、東北隆起區、西南隆起區。工作區域位于吉林白城鎮賚境內西部斜坡區(圖1)。西斜坡位于大慶長垣以西地區，面積大約15 000 km2，在構造上為一傾角很緩、傾向南東向的斜坡。

圖1 工作區地質圖Fig.1 Geologic map of working area

工作區下白堊統發育較全，油砂鉆孔均在白堊系鉆進[3]。油砂井鉆穿第四系冰磧層之后，還鉆遇有明水組、四方臺組、嫩江組及姚家組。巖性從上到下分別為第四系冰磧層；明水組上段以灰綠色粉砂質泥巖、粉砂巖為主，底部見有薄層礫巖；四方臺組以紅色與灰綠色夾層砂泥質巖石組合為主，底部有厚層礫巖；嫩江組三至五段頂部見少量紅色薄層泥巖，主要為灰色細砂巖為主，下部嫩江組一二段為厚層灰黑色泥巖，為區域性蓋層分布于松遼盆地大部分地區，下伏姚家組二三段含油粉—細砂巖。局部地區白堊系發育不全，如鎮賚大崗—西北溝工作區塊，油砂井鉆穿第四系冰磧層之后，直接就鉆遇嫩江組下部(嫩江組一二段)大段灰黑色泥巖及姚家組二三段油砂層位。

2 施工難點與對策

2.1 施工難點分析

在松遼盆地西部斜坡工作區域內，自上而下鉆遇地層為第四系、白堊系明水組、四方臺組、嫩江組、姚家組，鉆遇巖性主要為泥巖、粉細砂巖、含油粉細砂巖砂、砂礫巖等。工作區內施工難點主要有以下五方面：

(1)上部鉆遇第四系100 m左右砂卵石層。粒徑0.1 ～10 cm不等，膠結松散，正循環取心鉆進較困難，易埋鉆，事故頻發，鉆進效率低。

(2)工作區鉆遇地層主要為細砂巖、粉砂巖及泥巖，砂巖松散、膠結差，易破碎；泥巖水敏性強，遇水松散膨脹，此種地層極易發生坍塌、縮徑，導致埋鉆、折鉆及鉆具粘卡事故。

(3)油砂礦層膠結差、極松散、易破碎、怕污染，鉆遇礦層時易擾動，易丟心，易污染礦心。取心到地表后，油砂礦易氧化及輕質組分極易揮發流失[4]。

(4)嫩江組和姚家組砂巖中賦存承壓水，最大承水壓力大于2 MPa，在鉆進過程中對鉆井液嚴重稀釋，使其護壁性能失效；另外，在高承壓水作用下對鉆孔封孔產生巨大困難。

(5)物探測井需要放入放射源，風險大，因此對成井質量要求較高。

2.2 技術應對措施

(1)根據地質資料，上部卵石層覆蓋較連續，變化小，地層分層及巖性明確，在鉆進工藝上采用反循環鉆進工藝，連續鉆進，撈取巖樣后，下入套管至巖層位置、并用水泥加固。

(2)針對松散砂巖及水敏性泥巖地層，配制優質無固相高聚物PAB沖洗液，高聚物沖洗液特有的網狀成膜結構，保證沖洗液低失水性，保護孔壁。

(3)針對油砂礦層松散的特點及保護礦心不受污染、不被擾動、不易揮發的目的，采用自主研發的專用三重管鉆具采心，保證礦心質量。

(4)對于高承壓涌水地層，使用加重高密度泥漿，保持平衡鉆進，直至鉆穿含水層；高承壓水鉆孔封孔使用大方量高密度水泥漿，大泵量快速上行式注漿封孔。

(5)鉆進中掌握好壓力及泥漿稠度及護壁質量，孔底保留沉淀坑。

3 成熟的鉆探工藝

3.1 主要設備

在松遼盆地西部斜坡區工作區域內，地面海拔120～300 m之間，地勢呈西北高東南低。區內多為草原、農田及人工防護林。油砂礦鉆探孔以中淺孔為主，在設備選型上按照設備能力在能夠滿足孔深要求的情況下，盡可能地選擇較輕型、易拆卸安裝、移孔搬家方便為原則。在本工作區內主要設備選型見表1。

表1 主要設備選型

3.2 鉆孔結構

經過我們在該工作區內長期的探索，根據鉆遇地層特點，總結出一套成熟的二開鉆孔結構的施工工藝(圖2)：一開用φ325反循環鉆具與牙輪鉆頭開孔，下入φ116套管，二開用φ98鉆頭鉆至終孔。它既能滿足基巖段取心的任務又能保障鉆井施工的安全，同時能夠最大限度提高生產效率。

圖2 鉆孔結構圖Fig.2 Bore-hole structure diagram

3.3 鉆進方法

一開用φ325反循環鉆具與牙輪鉆頭組合進行施工，鉆穿第四系冰磧層(一般情況下在100～120 m)，下入φ116套管，套管加裝扶正器、下端加裝扶正管鞋、吊正對中，就地取土從四周均勻固管。

淺孔(孔深≤300 m)二開基巖用普通φ50鉆桿+φ89單管取心鉆具+φ98復合片鉆頭鉆具組合鉆進。油砂礦層及頂底板用普通φ50鉆桿+φ89三重管取心鉆具+φ98復合片底噴鉆頭鉆具組合鉆進。

中、深孔(孔深>300 m)二開用φ89繩索取心鉆具+φ98復合片鉆頭組合鉆進。油砂礦層及頂底板用φ89繩索取心鉆桿+變徑接頭+φ89三重管取心鉆具+φ98復合片底噴鉆頭鉆具組合鉆進。

3.4 油砂礦礦心采取與保護

(1)提高巖礦心采取率的措施，首先要做到精準判層，準確判斷換層位置，工作區內各組巖性分層界線主要以底部礫巖為界(圖3)，明水組底部見有薄層礫巖與四方臺組分界；四方臺組底部有厚層礫巖與嫩江組分界；嫩江組三到五段頂部見少量薄層泥巖，主要為細砂巖為主，下部嫩江組一二段為厚層泥巖，層理發育，姚家組以粉細砂巖為主，含有泥巖及泥質粉砂巖，層理不發育，與嫩江組泥巖最明顯的區別為滴酸起泡，而嫩江組泥巖滴酸不起泡。

(2)進入油砂礦心目標層采用三重管取心，為了更好的提取油砂樣品，我院總結多年油砂鉆探經驗，設計研發出三重管取心鉆具鉆取礦心，此鉆具獨特的設計結構可以保證礦樣不受擾動，保持巖礦心的原始狀態，采心率可達到95%以上，第三層內插管為透明管，取心到地表后，不用從管中倒出巖心，可以直接對透明管進行切割封閉，保存巖心，防止油砂的輕質成分及水分的流失，有利于化驗分析的準確性，并且用肉眼可觀察到礦心的外觀狀況。

(3)提高油砂礦心的收獲率；從技術操作上，鉆遇油砂層時，應限制轉速，壓力和泵量，限制回次進尺。

(4)油砂的保存，因地質對油砂層的礦心有特殊要求(如：密閉、防止輕質組分揮發等)，礦心層段用三重管取心，油砂樣品取得后及時密封、放入冰柜或者其它冷藏工具進行避光、冷藏保存(圖4)，野外施工階段性結束后，采用冷凍車及時將油砂樣品送到指定化驗室進行相關化驗，最大限度減少油砂樣中的輕質組分和水分的散逸，確保巖心樣品測試的準確性。

圖4 油砂樣品保存Fig.4 Preservation of oil sand samples

3.5 鉆井液設計與配制

3.5.1 設計原則

沖洗液設計要根據鉆遇地層特點，井身結構、地質取心要求，參照工作區以往實鉆資料，本著安全、優質、低耗、高效地實現安全鉆進為原則，趨向使用低固相或無固相沖洗液。

3.5.2 鉆井液類型及性能

根據鉆遇地層的實際情況，要求無污染。圍巖井段采用優質鈉基膨潤土配制低固相沖洗液；油砂礦層及頂底板主要用PA+PB等高聚物配制無固相沖洗液[5]。鉆井液類型及性能參數見表2。

表2 鉆井液類型及性能參數

3.6 鉆頭及鉆井參數設計

3.6.1 鉆頭選型

根據鉆遇地層巖性和可鉆性級別，選用合適的鉆頭。在松遼盆地西部斜坡區工作區域內為白堊系，以泥巖，砂巖和砂質泥巖為主，可鉆性在6級以內。可選用合金和復合片鉆頭，同時要考慮到砂巖研磨性較強，嚴重影響合金鉆頭使用壽命，泥巖遇水膨脹，鉆頭需要有較大的外出刃，故在本工作區內主要應使用外出刃和水口較大的復合片鉆頭。偶遇可鉆性6～11級或研磨性的巖層，如砂礫巖選用外出刃較大的階梯式金鋼石鉆頭。

3.6.2 鉆進技術參數

根據井內巖層情況，合理選用鉆壓、轉速和泵量，選取的鉆進參數見表3。

表3 鉆進技術參數表

3.7 預防鉆孔彎曲的措施

堅持執行鉆孔施工中的開孔、終孔通知書制度，直孔每鉆進100 m進行天頂角、方位角測量，測量結果記錄于班報表中。采取如下措施確保鉆孔垂直度。

(1)鉆塔、鉆機安裝底盤牢固、水平、周正。為防止地基下沉，鉆塔四腳打水泥墩，長×寬×高:1.2 m×1.2 m×0.7 m。鉆機在滑軌上不得松晃。鉆塔、立軸，井口必須三點一線。

(2)嚴格按設計鉆具組合配備鉆具，并選用鋼性好、不彎曲、不偏磨的鉆具

(3)下一開φ114套管加裝扶正器，扶正鞋，固管從套管四周要均勻送固井材料，固井材料內不得含有固體塊狀物，以防把套管推擠至偏。

(4)選擇適宜的鉆頭和合理的鉆進技術參數，鉆進壓力不可過大。

(5)換徑應帶外導向器，擴孔時要帶內導正器，換以防偏斜。

(6)提下鉆具應輕提輕放，不得碰撞。下鉆遇阻時，不能猛墩強扭鉆具，以防鉆具彎曲，造成孔斜。

(7)巖心堵塞時立即打撈內管，不得強行加壓鉆進，以防孔斜。

(8)不使用曠動的立軸(導管)。

3.8 孔深誤差的測量和校正措施

(1)要求每鉆進100 m、經地質編錄人員確認見重要構造、標志層、礦層以及處理重大孔內事故后和終孔時均要進行孔深校正。

(2)孔深校正需提鉆前對機上余尺、機高進行準確丈量；提鉆后，對機上鉆桿、孔內提出的每個鉆桿立根、單根及鉆具用鋼尺準確丈量，記錄到報表上并計算孔深；出現誤差要及時查明原因，超差應按規定平差。

3.9 涌水、漏水、縮孔處理等預防措施

本區域內50%以上的鉆孔在施工過程中發生過不同程度的涌、漏水和坍塌現象。在施工過程中應嚴格按鉆進規程要求操作，防止人為因素造成涌、漏、坍塌；泥漿工應隨時觀察井口返漿情況，按時測定鉆井液性能，發現異常情況及時采取措施處理[6]。遇涌、漏水時，記錄涌、漏水層位、深度及水位變化情況。做好充分的壓涌、堵漏的物質準備。

(1)涌水處理：處理涌水前首先必須測定涌水壓力，計算出所需泥漿的相對體積質量。壓住涌水后，嚴格控制的泥漿相對體積質量，保持平衡鉆進。

(2)漏水處理：根據不同的漏失層位和漏失情況，選用適合的堵漏方法[7]，本區域內施工過程中使用過鋸沫、鑲嵌劑、801堵漏劑、191樹脂及水泥漿等多種堵漏方法，其中上行式泵送水泥漿堵漏方法最為行之有效。

(3)坍塌縮孔處理：①嚴格控制鉆井液失水量，保持鉆井液穩定，按鉆井液配方，配制鉆井液。②注意觀察巖心巖性，結構，地層構造和鉆井液性能變化，隨時調正鉆井液性能指數。③備足鉆井防塌劑、降失水劑，遇坍塌，縮徑地層，及時調正鉆井液性能。④不穩定地層鉆進，提升鉆具，需回灌鉆井液，保持鉆井壓力平衡防止翻塌。⑤適當控制升降鉆具和打撈巖心速度，減少壓力對井壁的破壞。⑥縮徑、造漿地層加大鉆頭水口和外出刃，每次取心時進行短提鉆劃眼。

3.10 封孔技術措施

我院在松遼盆地西部斜坡區工作區域內施工的鉆孔中，出現涌水的鉆孔數量占總鉆孔數50%以上，從西北向東南涌水壓力逐漸變大，我院施工的鉆孔遇最大涌水壓力高達2.5 MPa。為克服油砂層與地下水相互污染嚴把封孔關。具體封孔技術措施[8]如下：

(1)所有鉆孔均采取泵送上行式注漿封孔。

(2)終孔后均要進行清水替漿，清水替入量不小于鉆孔容積的2倍。

(3)水泥必須用清水攪拌均勻，水灰比0.5∶1。水泥漿攪拌量不小于鉆孔容積的1.1倍。

(4)注漿管選用φ71繩索取心鉆桿。

(5)注漿管下深距孔底0.3～0.5 m，注漿過程不要中斷，每次封孔段長30～50 m，每次提拔注漿管下口水泥埋深不得小于5 m。直至水泥漿返出孔口。

(6)對于無涌水鉆，先封好套管下部孔段，起拔套管后，再繼續注漿封孔，至水泥漿返出孔口。對于有涌水鉆孔，直至水泥漿返出孔口，不再起拔套管。

(7)注漿封孔結束后，在孔口做永久性鉆孔標記。

4 結論

(1)松遼盆地西部斜坡區油砂礦鉆探工藝，是我單位在松遼盆地西部斜坡區油砂礦鉆探施工十多年工作的經驗總結，可直接應用于鉆探工程實際工作中。

(2)針對松遼盆地西斜坡油砂層固結差巖心松散的特點、為保護礦心不受污染、不被擾動、不易揮發的目的，我單位研制的三重管鉆具是一種十分實用的油砂礦取心鉆具，具有巨大應用價值和推廣空間。