劉玉仙， 丁冠濤， 曹光明， 孫中瑾， 劉玉想， 韓　昱， 高　帥，2， 姬晟翔

(1.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014； 2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟南 250061； 3.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南 250021)

0　引言

在過去的鉆孔采鹽時，一直采用單井對流水溶采鹵法開采，這種采鹵技術(shù)存在較多的缺點，如礦產(chǎn)回采率不足20%，鹵井壽命短，產(chǎn)量低，采出的鹵水濃度低而且不穩(wěn)定等[1-2]。海晶鹽化項目中采用了雙井對接連通水溶采鹵法，即采用定向鉆進技術(shù)實現(xiàn)兩井對接成功后用清水循環(huán)的采鹽方式。與單井對流采鹵相比，對接井采鹵具有投產(chǎn)快、成本低、鹵水產(chǎn)量大、濃度高等優(yōu)點[3-5]。

該項目實施中，首先對水平鉆井軌跡進行精確設(shè)計，為鉆探施工提供依據(jù)。鉆井區(qū)需要穿過復(fù)雜的地層，在非含鹽地層鉆進階段，通過合理使用鉆井液，以及鉆進工藝的技術(shù)調(diào)整，保障了鉆井工程的順利實施；在含鹽礦段地層鉆進及時替換為鹵水鉆井液井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵。水平對接階段，通過MWD無線測斜儀技術(shù)實時測量井斜角，進而通過旋轉(zhuǎn)鉆桿，改變螺桿鉆具方向調(diào)整鉆探方向，使鉆井軌跡朝向靶區(qū)方向前進，在臨近靶區(qū)位置使用旋轉(zhuǎn)磁鐵測距系統(tǒng)(RMRS)精確測量鉆井方向和位置，保證中靶作業(yè)的成功。

1　工程概況

該礦區(qū)的地表為第四系所覆蓋，地表下部為古近系(大汶口組上段與大汶口組中段連續(xù)沉積)，在大汶口組中段的上部為巖鹽段，巖鹽段主要為硬石膏巖和巖鹽互層，組成了很多Ⅲ級韻律層。巖鹽層中上部夾雜鹵石巖、鈣芒硝巖和鈉鎂巖鹽，局部夾無水釩礦層。厚度298.87～345.68 m。在區(qū)塊內(nèi)共見礦29層，其中第31、32層未見，第1、14、17、29和30層只局部可見，其他礦層均在全區(qū)塊范圍內(nèi)展布。在礦層內(nèi)單層厚度最大者16.49 m，最小厚度0.79 m，各礦層厚度相差較大，但每個礦層厚度在區(qū)塊內(nèi)相對比較穩(wěn)定，變化系數(shù)絕大多數(shù)在10%以內(nèi)，只有個別礦層變化較大，而這些礦層的厚度也相對較薄，如第3、4、6、18和20層；厚度比較大的礦層如第7、15、21、25層等非常穩(wěn)定。

本工程來源山東肥城海晶鹽化有限公司，其目的對礦鹽地層開采，共設(shè)計鹵井8組，井號分別為H1/H2、H3/H4、H5/H6、H7/H8、H9/H10、H11/H12、H13/H14、H15/H16、H17/H18，每組包括一口豎直井和一口水平井。以H17/H18井為例，如圖1所示，先施工豎直井H18作為開采井，然后施工水平井H17井，井底與H18井連通后作為注水井，形成一個井下礦鹽“溶解式”開采通道，其開采原理為：向H17井中注入常溫淡水或者不飽和鹽水，溶解鹽礦地層中的礦鹽，經(jīng)H18井流出地層后，進行鹽、水析出分離，分離后的水可再次注入H17井，實現(xiàn)循環(huán)開采。

圖1　H17/H18對井示意圖

2　水平井設(shè)計

2.1　鉆井區(qū)地層

鉆井區(qū)各地層依次是：0～40 m為第四系粘性土、沙土；40～1124 m為泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、石膏；1124～1469 m為含鹽礦段，主要巖性為巖鹽、石膏、泥質(zhì)灰?guī)r，該礦段共見巖鹽礦層29層，自下向上編號為地1、2、…、29礦層，厚度最大者16.49 m，最小0.79 m。本項目目標(biāo)開采礦層為第7礦層，其傾角為7.4°，厚度為9.9 m，根據(jù)H18井揭露的地層，第7礦層中心埋深1228.7 m(標(biāo)高-1318.5 m)。地層柱狀圖如圖2所示。

圖2　H18井地層柱狀圖

2.2　水平井鉆井軌跡設(shè)計

假設(shè)鉆井軌跡為平面軌跡，如圖3所示，H17/H18設(shè)計井距280 m、造斜頂角0°，目標(biāo)開采層為厚度為9.9 m的第7礦層，礦層傾角為7.4°，因此設(shè)計水平段井斜角為90°-7.4°=82.6°可以完全順著礦層中靶，開采時溶解面積最大。最優(yōu)靶點C位置為在第7礦層中心面與靶井H18交點，即H18井深1228.7 m處(標(biāo)高為-1318.5 m)。

圖3　鉆井造斜軌跡設(shè)計圖

各軌跡參數(shù)[6]可由以下公式計算。

造斜半徑：

R=1/k

(1)

造斜段長度：

L1=(2πR/360)×83.2°

(2)

造斜段垂直距：

(3)

水平段垂直距：

H2=L2sin7.4°

(4)

水平井造斜段水平距：

(5)

水平井水平段水平距：

S2=L2cos7.4°

(6)

鉆井總水平距：

S=S1+S2=280 m

(7)

式中：k——鉆井造斜率，(°)/m；R——造斜半徑，m；L1——造斜段長度，m；L2——水平段長度，m；H1——造斜段垂直距，m；H2——水平段垂直距，m；S1——水平井造斜段水平距，m；S2——水平井水平段水平距，m；S——水平井水平段水平距，m。

使用螺桿鉆具單彎為1.50°鉆具造斜時，造斜率k=0.4°/m=1/143.24 rad/m。將造斜率k帶入公式(1)～(7)得：R=143.24 m，L1=208.00 m，L2=155 m，H1=142.23 m，H2=19.88 m，H=155 m，S1=126.28 m,S2=153.72 m。可求得造斜段A標(biāo)高：-1318.5+H1+H2=-1156.39 m。造斜段計劃采用?177.8 mm的套管，曲率半徑設(shè)計值范圍是120～150 m，滿足設(shè)計要求[7]。

根據(jù)計算可知，H17井垂直井段鉆至標(biāo)高-1156.39 m時使用單彎1.5°螺桿鉆具定向造斜，預(yù)計造斜鉆進208.00 m時，以井斜角82.6°水平鉆進155 m時可實現(xiàn)與豎直井H18井在標(biāo)高-1318.5 m處實現(xiàn)對接連通。

3　水平對接井施工

3.1　主要設(shè)備

(1)GZ-2600型工程鉆機。該鉆機為轉(zhuǎn)盤鉆機，最大提升力100 kN，最大扭矩25 kN·m，滿足鉆進過程中提升力和扭力要求。

(2)RL3NB500型泥漿泵。該泥漿泵可以滿足螺桿鉆進過程中的高泵量、泵壓要求。

(3)MWD無線隨鉆測斜儀(如圖4所示)。鉆進過程中，MWD探管將井底鉆進參數(shù)通過鉆井液傳輸至地面，通過遠程計算機系統(tǒng)將鉆井液脈沖信號進行解析后反饋給軌跡控制人員。軌跡控制人員根據(jù)井下鉆進情況，通過采用滑動鉆進、復(fù)合鉆進、調(diào)整工具面、選擇鉆具造斜率等手段進行鉆孔軌跡的控制[8]。

圖4　MWD無線隨鉆測斜儀

(4)螺桿鉆具。螺桿鉆具可以通過鉆井液驅(qū)動螺桿馬達旋轉(zhuǎn)，將扭矩傳動給鉆頭實現(xiàn)孔底定向鉆進。螺桿鉆具單彎具有1.50°角度，可以用來實現(xiàn)鉆孔造斜，實現(xiàn)靈活控制鉆井軌跡。

(5)RMRS對接儀器。旋轉(zhuǎn)磁鐵測距系統(tǒng)(RMRS)包括一個旋轉(zhuǎn)磁性接頭(磁信號發(fā)射單元)，位于鉆頭和馬達之間，接頭內(nèi)部由磁性很強的稀土永磁制成，在隨鉆頭轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生交變磁場。產(chǎn)生的磁場由位于附近有效范圍內(nèi)的目標(biāo)井中的有線測量探管(磁接收單元)測量，探管中的磁場傳感器感應(yīng)出磁場強度的變化，從而提供關(guān)于探管與鉆頭之間距離和方位的數(shù)據(jù)，進而引導(dǎo)其與靶點精確對接，提高對接成功率，圖5為RMRS精準對接示意圖。

圖5　RMRS精準對接示意圖

水平井鉆井主要設(shè)備見表1。

表1　主要設(shè)備配備

3.2　主要鉆井技術(shù)參數(shù)

H17井水平鉆井技術(shù)參數(shù)如表2所示,H17水平井鉆具組合情況如表3所示。

表2　H17井各井段鉆進參數(shù)

表3　H17井鉆具組合

3.3　施工過程

一開0～55.22 m段：采用?346.1 mm鋼齒牙輪鉆頭開孔，鉆至井深55.22 m后提鉆，下入?273 mm×8.89 mm表層套管55.22 m，并使用普通硅酸鹽42.5號水泥固井止水。

二開55.22～1429.00 m段：直井段采用?215.9 mm牙輪鉆頭鉆至造斜點井深1239.00 m(標(biāo)高-1150.10 m)。造斜段采用?215.9 mm鑲齒牙輪鉆頭+1.5°/?165 mm螺桿馬達組合造斜鉆具，使用MWD隨鉆測斜儀實時測量并控制造斜鉆進，鉆進至井深1429.00 m，最終下入?177.8 mm×9.19 mm生產(chǎn)套管全長1426.00 m，使用G級油井水泥固井。

三開1429.00～1610.70 m段：采用?152.4 mm鑲齒牙輪鉆頭+1.5°/?120 mm螺桿馬達造斜組合鉆具，使用MWD隨鉆測斜儀實時測量并控制造斜鉆進。

在距離靶點還有50 m左右時，使用RMRS對接儀器。提鉆在鉆頭和馬達之間下入一個磁信號發(fā)射單元。在H18井溶腔中下入磁接收單元，精確測出定向孔軌跡的偏斜角度和方位，及時調(diào)整軌跡，鉆至井深1610.70 m與H18井對接連通成功。施工現(xiàn)場如圖6所示。

圖6　施工現(xiàn)場

3.4　中靶施工效果評價

H17井鉆井軌跡水平投影圖如圖7所示，可以看出，在直井段鉆進過程中，鉆井出現(xiàn)了一定程度西偏移和北偏移，在造斜及水平段鉆進過程中，鉆井軌跡比較粗糙、一直朝向東側(cè)靶區(qū)方向前進，最終與溶腔相交。表明在鉆進過程中，鉆井軌跡經(jīng)過了多次技術(shù)調(diào)整，使鉆井軌跡保持正確方向前進，在鉆至靶井H18附近，H17井軌跡與H18井溶腔靶區(qū)連通，成功中靶，最終實現(xiàn)對接井成功連通。

H17井定向鉆井自2015年3月1日開始，2015年3月31日鉆至靶區(qū)，完成鉆探工作量1610.70 m。水平段井斜角82.6°，水平穿越第7礦層159.8 m，水平鉆進過程中從未偏離礦層，保證第7礦層礦產(chǎn)資源得到最大程度開發(fā)利用。鉆進至1610.70 m時，發(fā)現(xiàn)井口不返漿，泥漿泵正常工作，說明水平井成功鉆到靶區(qū)，實現(xiàn)兩井連通。整個定向施工過程遵循安全生產(chǎn)原則，嚴格把控工程質(zhì)量，沒有出現(xiàn)人身安全、儀器設(shè)備及任何井內(nèi)事故。

圖7　H17井軌跡水平投影圖

4　主要難點和技術(shù)對策

H17井鉆探對接距離遠，且需要穿越多層復(fù)雜地層，極易出現(xiàn)鉆井縮徑、坍塌、卡鉆以及脫靶等事故，主要難點和技術(shù)對策如下。

(1)鉆井區(qū)域含有多層泥巖，為水敏性地層，鉆進過程中會自然造漿，增大鉆井液濾失量，一方面造成鉆井液濾餅增厚，另一方面大量濾失液進入泥巖地層會使泥巖吸水膨脹，容易造成井徑縮小，造成鉆具扭矩加大，使井壁粘結(jié)力增加，提鉆時會增加井壁環(huán)空吸力，形成“抽真空”現(xiàn)象，嚴重影響孔壁穩(wěn)定性。主要技術(shù)對策如下。

①使用優(yōu)質(zhì)膨潤土。吸水性強，水膜強度高，泥餅薄而堅硬，鉆井液濾失量低。

②添加護壁劑、潤滑劑、磺化瀝青等多種鉆井液添加劑。護壁劑可以降低鉆井液濾失量、在泥巖地層有效抑制井壁縮徑進而可以降低鉆機扭矩，防止粘附卡鉆事故發(fā)生；潤滑劑可以降低鉆井液的流動阻力和濾餅?zāi)Σ料禂?shù)，降低鉆機扭矩，以防鉆具粘卡井壁；磺化瀝青具有堵漏、防塌、潤滑、減阻等作用，近一步改善鉆井液性能[9]。

③常測鉆井液粘度。根據(jù)工程需要改善鉆井液性能參數(shù)。

④使用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速，盡量使用鉆鋌加壓?？梢杂行Х乐咕保档妥匀辉鞚{速度以及避免包鉆事故發(fā)生。

(2)含鹽礦段鉆進時，使用常規(guī)鉆井液會溶解地層，造成井壁不穩(wěn)定。定向鉆進階段，鉆井液還需滿足潤滑性和低固相條件，以降低鉆具摩擦，保證井下螺桿馬達的正常工作[10]。主要技術(shù)對策如下：

①更換鹵水鉆井液。鉆至含鹽礦段時使用鹵水鉆井液替換膨潤土泥漿鉆井液，可以有效抑制地層鹽類溶解，防止孔壁不穩(wěn)定。本工程使用欠飽和鹵水鉆井液(鹵水完全飽和，會出現(xiàn)堵塞鉆頭事故，影響鉆進施工效率)。

②加入CMC、純堿、火堿、腐植酸鉀、磺化酚醛樹脂、潤滑劑、護壁劑等鉆井液添加劑。CMC具有良好的降濾失效果、提高鉆井液粘度以及具有堵漏作用；純堿、火堿可以增加鉆井液pH值，保證鉆井液中聚合物發(fā)揮性能；腐植酸鉀和磺化酚醛樹脂具有降濾失效果，可近一步改善鹵水鉆井液性能[11-12]。

③常測鉆井液粘度和控制鉆井液中固相含量。及時加水稀釋鹵水濃度，并添加鉆井液添加劑，維持鉆井液優(yōu)良性能；造斜和水平鉆進階段及時降低鉆井液中的固相含量,可以保證隨鉆測斜儀器的正常工作,延長螺桿鉆具的使用壽命。

(3)定向鉆進過程中，鉆桿本身不轉(zhuǎn)動，造斜段曲率高，鉆遇地層復(fù)雜，工藝控制不當(dāng)容易出現(xiàn)粘鉆、孔壁坍塌等事故，主要技術(shù)對策如下。

①定期旋轉(zhuǎn)鉆具，改變鉆具的受力狀態(tài)，及時檢查鉆具，清理有問題隱患鉆具和問題鉆具。

②每鉆進25 m左右，作短起下鉆一次，若需要停鉆檢修超過1 h，必須將鉆具提入套管中，防止出現(xiàn)粘鉆、卡鉆事故。

③嚴格控制起鉆、下鉆速度，若上下鉆遇阻時，禁止強拉硬拽。尤其在曲率大和不穩(wěn)定井段，造成井壁擾動過大，出現(xiàn)坍塌事故。

(4)中靶施工難度高。靶點為H18井深1228.7 m處，實現(xiàn)零誤差對接難度極高。主要技術(shù)對策如下。

①在靶區(qū)位置溶一水平直徑約5 m的葫蘆形溶腔，擴大了靶區(qū)范圍，大大提高中靶機率。

②使用MWD無線隨鉆測斜系統(tǒng)精確控制井眼軌跡的同時，配合鉆時錄井、巖屑錄井進行地質(zhì)導(dǎo)向，根據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向所提供的層位數(shù)據(jù)，來分析、判斷井下鉆頭所處的位置，實時調(diào)整定向參數(shù)，以控制水平井的鉆進軌跡沿著設(shè)計軌跡鉆進。隨鉆測量系統(tǒng)的誤差和誤差積累特性，僅依靠隨鉆測量技術(shù)無法保證對接井的準確連通，在距離靶點還有50 m左右時，使用RMRS對接儀器，可以消除誤差積累性，可精確測量鉆孔方位和井斜角，確保對接一次成功。若測出偏斜的角度和方位過大，就需要提鉆后在水平段選擇合適的位置重新造斜對接。

5　結(jié)語

(1)與單井相比，水平井對接井開采鹵可以增大開采面積，大幅度提高了巖鹽的開采率，具有投產(chǎn)快、成本低、鹵水產(chǎn)量大、濃度高等優(yōu)點。

(2)嚴格的鉆井軌跡設(shè)計是保證工程順利進行的前提。無線隨鉆測斜導(dǎo)向技術(shù)和人工磁導(dǎo)向技術(shù)是整個定向?qū)蛹夹g(shù)的核心，只有準確地判斷鉆井軌跡和精確的鉆進導(dǎo)向才能提高定向?qū)庸こ痰膶映晒β剩ＷC工程質(zhì)量。

(3)鉆井過程中及時更換鉆井液的類型以及控制鉆井液參數(shù)是保證鉆井順利施工的關(guān)鍵，在含鹽段地層必須采用欠飽和鹽水鉆井液抑制地層溶解的同時防止鹽類沉淀堵塞鉆具。

(4)本項目鉆井區(qū)域地層復(fù)雜，水平定向?qū)泳嚯x長，可達280 m。鉆井施工過程中的所遇難點及采取的技術(shù)對策可為同類鉆井施工提供借鑒和指導(dǎo)依據(jù)。