青海木里冻土区天然气水合物 钻探施工技术 衣风龙 二0一四年十月

内容摘要： 该文简要介绍了青海木里冻土地带天然气水合物钻探施工情况，针对施工中遇到的孔壁稳定性差、泥页岩易坍塌、水合物易分解、破碎岩层取芯困难、气侵泥浆及孔内涌水、漏失等技术性难题，进行积极探索研究，并在生产实践中取得了较好的效果，为青海木里冻土地带再次成功钻获水合物实物样品奠定了基础。 关键词： 天然气水合物；聚合物低温泥浆；大口径绳索快速取芯技术；泥浆制冷技术

1.地层概况 青海木里煤田聚乎更矿区三露天调查区地层自上而下可分为第四系（Q）、中侏罗统（J2）、下侏罗统（J1）、上三叠统（T3）。 图1-1 木里三露天地层构造简图 青海木里煤田聚乎更矿区三露天调查区地层自上而下可分为第四系（Q）、中侏罗统（J2）、下侏罗统（J1）、上三叠统（T3）。 中侏罗统江仓组为本次水合物钻探主要目的层，岩性主要以泥页岩为主，局部夹杂油页岩和粉砂岩及细粒砂岩等，岩层破碎、软硬交错，断层裂隙发育，弱研磨性，可钻性1-4级，以往钻探施工过程中主要面临钻进效率不高、孔壁稳定性差、岩心采取困难等问题。

2.质量技术要求 目前，针对天然气水合物钻探取芯施工，还没有系统的质量技术规范规程可供遵循，因此施工主要以《煤炭勘探钻孔工程质量标准》作为验收竣工钻孔的重要依据和准则，主要内容如下： （1）岩心采取率：全孔岩心采取率不低于60%、水合物异常层段岩心采取率不低于80%； （2）孔斜要求：孔深每增加100m、孔斜度增加不超过1-1.5°，终孔直径要求不小于φ99mm； （3）回次进尺：异常地层（目的层）小于1.5m、无异常地层2-3m； （4）钻进时间：异常地层（目的层）小于或等于2h、无异常地层2-3h； （5）泥浆温度：入口不超过2℃、出口不超过4℃； （6）测井要求：每钻遇一层水合物、每百米、换径前、终孔各要进行一次测井。

3.钻探施工难点 3.1水合物易分解 天然气水合物是在高压低温的特殊条件下形成的，钻进取芯过程中随着温压条件的改变会迅速融化分解，分解过程中会释放大量的甲烷气体，对钻探安全，人员设备等构成危害（图3-1）。 3.2孔壁稳定性差 中侏罗统江仓组是水合物的主要储集层，岩性以泥页岩、粉砂岩为主，上段含纸片状油页岩层段遇水稳定性极差，钻进时极易裂解、坍塌，同时水合物分解释放的水分子进入储层裂隙间，导致泥页岩胶结性能变差，气体侵入泥浆易导致泥浆比重及孔底压力下降，由此造成孔壁失稳、孔径扩大、下钻遇阻等问题。 3.3取心难度较大 上部松散破碎地层钻进时，如果泥浆失水量较高、岩心极易被泥浆中自由水泡散，造成卡簧无法卡取岩心或者被泥浆水流冲散，导致取心失败（图3-2）。 3.4钻进效率低 该区以煤系地层为主，可钻性不高，但地层软硬交错、倾角大，上部泥页岩地层打滑、泥包钻头，以往钻月效率不足300米。

图3-1 水合物分解气体侵入泥浆和井口被点燃

图3-2 松散破碎岩心和孔内排出坍塌物

4.水合物钻探设备机具配备 4.1主要设备和工具 4.2主要钻具、管材 名称 型号 主要性能 备注 钻 机 XY-6B 钻进深度：2000米 钻 塔 四角塔 17．5米 泥浆泵 BW 320 流量：320—60L/min BW 150 流量：150—32L/min 供应制冷系统 发电机组 康明斯6135 （160Kw） 钻机泥浆泵动力源 玉柴 （150KW） 泥浆制冷系统 勘探研究所研制 绳索取心绞车 SJ-3000 7.5千瓦 张家口探矿机械厂 为了达到快速取芯的目的，施工选用S127和S89两种规格的绳索取心钻具，每个机台配备20-30米的Φ168mm反丝套管。 4.2主要钻具、管材

4.3钻具组合一览表 开钻次序 钻进孔段 钻具组合 开孔口径 0-20m Φ172mm钻头 + Φ89mm钻杆 + 主动钻杆 过度口径 20-300m Φ135mm钻头 + Φ135.5mm扩孔器 + Φ130mm外管 +Φ127mm绳索钻杆 + 主动钻杆 终孔口径 300m-终孔 Φ99mm钻头 + Φ99.5mm扩孔器 + Φ92mm外管 + Φ89mm绳索钻杆 + 主动钻杆 5.钻孔结构选择 根据施工设计，结合地层变化，最终钻孔结构如下（图5-1）：首先以Φ172mm合金取芯钻头钻穿第四系表土层进入基岩（孔深约8-20m）下入Φ168mm套管作为孔口管，然后以Φ135mm钻头和S127绳索取芯钻具钻进至孔深280-300m（视地层情况而定），完成测井工作后，将Φ127mm钻杆留在孔内作为下一级套管，然后换Φ99mm钻头和S89绳索取芯钻具钻进至终孔，泥浆护壁，事实证明这种钻孔结构比较优化，降低了孔内事故发生的几率。

典型钻孔结构示意图

6.施工关键技术 天然气水合物钻探，不同于地质岩心钻探，既有回次进尺的限制、又有钻进时间的限制，还要保证岩心采取率及水合物样品较少分解的可能性，所以合适的取芯工艺及钻进参数对钻获原状性较好的水合物实物样品至关重要。 6.1钻进参数 钻进参数对钻获水合物样品至关重要，影响钻进参数的主要因素有岩层性质、钻头类型、设备能力等，研究表明，当使用较大口径钻具进行水合物钻探取芯时，由于在较高钻压和线速度条件下，单位时间内产生的岩粉较多，大量岩粉堆积在钻头底部重复破碎，摩擦产生大量热量，对加速岩心样品周围和内部水合物的分解起到积极的推动作用，不利于钻获较理想的原状水合物样品，综合以上因素，最终选用的钻进参数见表6-1。

研究表明，通过地面泥浆制冷系统将泥浆（入口）温度控制在2℃以内，最大限度的满足水合物赋存的原始温压条件，既可有效抑制水合物的临时性分解。 表6-1 钻进参数一览表 钻头规格 钻压 转速 泵量 Φ135mm 12-18 KN 80-260r/min 80-140 L/min Φ99mm 10-15 KN 80-360r/min 80-120 L/min 6.2低温泥浆体系 研究表明，通过地面泥浆制冷系统将泥浆（入口）温度控制在2℃以内，最大限度的满足水合物赋存的原始温压条件，既可有效抑制水合物的临时性分解。 因此，施工原则上采用了高比重（增加孔底压力）+ 低温（抑制水合物分解）+ 低失水量（维护储层稳定）泥浆进行水合物取芯钻进。

泥浆配方：水1³+ 优质钠基膨润土25-50kg + 广谱护壁剂10-15kg + 高粘防塌剂8-10kg + 磺化褐煤树脂 5-8kg 6.2.1低温泥浆配制与应用 经过室内实验室不断研究和现场反复生产试验，最终得到了适用于冻土区水合物钻探的最优泥浆配方，基本配方及应达到的性能参数如下： 泥浆配方：水1³+ 优质钠基膨润土25-50kg + 广谱护壁剂10-15kg + 高粘防塌剂8-10kg + 磺化褐煤树脂 5-8kg 性能指标：比重1.06-1.08g/cm³、粘度28-36s、失水量5-6mL/30min、PH7-9、泥皮厚度0.5-0.8mm 上述配方在使用过程中，可根据地层和孔内情况需要，加入石灰石粉（碳酸钙）来进一步增加泥浆比重及孔内液柱压力，抑制钻进取芯过程中水合物的分解和不稳定地层坍塌。 如果上部松散、破碎不稳定地层巨厚或孔壁坍塌严重及孔内出现涌水、涌气等复杂情况时，可逐步将泥浆比重调至1.20g/cm³以上，迅速钻穿后下入技术套管进行隔离，此类不稳定地层泥浆护壁的关键是减少泥浆中的自由水向孔壁渗透，尽量减少或者抑制孔壁岩层呈散体状。

表6-2 现场钻获确认的水合物样品钻进取芯时泥浆的各项性能参数 现场实践证明，将泥浆进孔温度控制2℃以内，并保持一定的孔底压力是冻土区成功钻获水合物实物样品的关键（表6-2），尤其泥浆温度在水合物钻进取芯过程中起着决定性作用，如果泥浆温度过高，水合物就会快速分解。 由勘探技术研究所专为冻土区天然气水合物钻探研制的泥浆冷却装置，可将泥浆进孔温度始终控制在2℃以内，对水合物样品的快速钻获起着重要作用。 表6-2 现场钻获确认的水合物样品钻进取芯时泥浆的各项性能参数 钻孔 孔深 比重 粘度 失水量 mL/30min PH 泥饼 厚度 泥浆温度 （进口） DK11-14 280m 1.20 g/cm³ 37s 5 8 0.5mm 1℃ 320m 1.22 g/cm³ 36s 2℃ DK12-13 203m 1.12 g/cm³ 31s 6 9 0℃

6.2.2低温泥浆维护管理 （1）水合物钻探对泥浆要求较高，机台应选配优秀的泥桨管理人员，负责现场泥浆的配制、测定、调整和仪器、材料的保管，配齐泥浆性能测仪器，现场泥桨由钻探工程师统一管理。 （2）开钻前，泥浆性能必须调整到设计要求的范围，正常钻进每8小时做一次泥浆常规性能（比重、粘度）测定，每24小时做一次全套性能测量，若发现泥浆气侵或孔内情况情况要及时向工程技术人员汇报，同时加密测定泥浆比重、粘度，做好现场记录。 （3）严格按质量技术要求做好泥浆进孔和出孔温度的检测，泥浆循环槽及沉淀池要搭建简易防雨棚，避免阳光照射导致泥浆温度的升高。 （4）钻进过程中保持孔内液柱压力与地层压力平衡，提升钻具时，要及时向孔内注入泥浆，注浆方法是立轴移开孔口后，开泵向孔内注入，使孔内始终保持一定的孔底压力。

（5）为了保证泥浆性能良好，每个钻程都应清捞循环槽中的岩粉，并根据泥浆使用时间，钻时的岩层及泥浆性能的变化，及时更换或补充新泥浆，如发现气侵泥浆，则应彻底更换泥浆。 （6）钻进过程中，要不断地补充高分子聚合物在泥浆中的有效含量，在搅拌新泥浆前，必须对孔口返出的泥浆进行测试，并根据孔内情况及时调整新泥浆的材料加量以调整泥浆性能，不要让污水、雨水流进泥浆中，地表配备使用好固控设备及时清除泥浆中的有害固相。 6.3大口径绳索取芯钻进 三露天以煤系沉积地层为主，岩层结构松散、胶结性能极差、取芯较困难，并且断层破碎带多、裂隙发育等，为了防止上部地层坍塌、涌、漏等复杂情况发生的可能，保证岩心采取率和水合物样品较少分解的可能性。 开孔后在上部孔深20-300米范围内采用S127绳索取芯钻具钻进取芯，孔深300-600米范围内采用S89绳索取芯钻具钻进取芯，低温泥浆护壁。

实践证明，当采用较大口径钻具取芯钻进时，由于钻获的岩心直径较粗，岩心的力学性能也较为稳固，岩心中间受温度影响较小，有利于水合物样品的获取，同时采用绳索取芯钻进能有效减少上下钻具次数和时间，减轻工人劳动强度，防止频繁上钻具致使孔内停止泥浆循环，造成孔内温度上升导致水合物的分解。 6.3.1钻头选型与试验 钻头对岩层的适应性是影响取心质量和钻进速度的重要因素，不同地层选用不同类型钻头，可有效提高钻头的使用寿命，提高钻进效率，最有利于水合物样品的快速获取。 根据地层特征，针对上部致密打滑油页岩地层选用高效尖齿复合片取芯钻头，软硬交错地层选用齿轮型孕镶金刚石取芯钻头（金刚石目数46-60、胎体硬度35-40），以上钻头现场生产试验效果见表6-3。

表6-3 钻头现场生产试验效果一览表 钻头类型 孔号 使用地层 进尺 纯钻时间 平均钻速 最高钻速 小班 最高进尺 尖齿 DK11-14 泥岩/油页岩 21m 35h 0.6m/h 0.9m/h 6.5 m/8h 齿轮 DK10-16 泥页岩/砂岩 36m 60h 3.1m/h 11.15m/8h 现场技术统计表明，金刚石齿轮钻头比尖齿复合片钻头更适合于水合物复杂地层钻进，当使用尖齿钻头刚开始能保持较高钻速，但是随着岩层变化，钻速会迅速下降，主要原因分析为：尖齿钻头主要以剪切方式破碎岩石，破岩过程中形成的岩粉颗粒较大，绳索钻具与孔壁间隙较小，大量岩粉颗粒堆积到钻头与扩孔器处，造成憋泵、磨损钻具，不利于提高钻速。

6.3.2快速取芯技术措施 为达到快速取芯的目的，应严格控制钻进时间、回次进尺、泥浆温度和钻进参数及内管提升速度，优化泥浆性能及润滑性，结合现场实际情况，制定以下取芯技术措施： （1）根据岩层变化及时调整卡簧大小，每一次取芯后要认真检查卡簧、卡簧座的磨损情况，防止岩心脱落导致提钻，现场配备了大、中、小三种尺寸的高强度卡簧以供选配。 （2）下钻前必须对取芯工具进行全面检查，取芯工具应单动灵活、水路畅通，钻头与卡簧配合尺寸要合理，钻头内径与卡簧的自由内径必须合理配合。 （3）为保证岩心样品在提升过程中水合物不被分解，适当控制打捞速度，以防产生载抽吸作用下加速水合物分解，内管提升速度以25-80米／分为宜。 （4）每一次捞取内管时，要及时向孔内回灌泥浆，泥浆可以为岩心样品提供向上的支持力，防止岩心脱落，防止水合物快速分解和孔壁坍塌。

7.水合物钻探遇到的难题与对策 7.1永冻层快速钻穿技术 木里永久冻土层平均厚度约80m，其中0至20m为四系表土层，常年呈冰冻状态，如果采用回转钻进泥浆护壁方法钻进，在泥浆的浸泡和钻杆回转产生的热量，使冻土层解冻、垮塌。 为此采取了干钻方法+短钻具取芯+快速钻穿方法钻进，为了防止永冻层孔壁坍塌等事故的发生，尽量减少钻孔裸露时间，开孔前必须做好充分准备，减少辅助工作时间，快速钻穿并及时下入套管护壁。 7.2孔壁坍塌处理措施 以DK-9试验井为例，孔深240米处泥页岩破碎严重，原先使用国外泥浆材料配制的低温泥浆护壁，结果上钻具更换钻头后下钻遇阻，扫孔时憋泵严重，上提钻具后下放又还原，分析孔内上返的岩粉颗粒，判断为孔壁坍塌。

国产高比重低失水量聚合物防塌泥浆配方：1立方清水+150kg石灰石粉+12kg高粘防塌剂+12kg广谱护壁剂+3kg磺化褐煤树脂。 后改用了国产聚合物高比重低失水量优质泥浆配合小一级Φ60常规钻具进行处理，即在调整原有泥浆性能的基础上增大了环形空间，经处理后效果明显改观、孔内上返岩屑逐渐减少，之后继续使用聚合物泥浆体系钻进至终孔。 国产高比重低失水量聚合物防塌泥浆配方：1立方清水+150kg石灰石粉+12kg高粘防塌剂+12kg广谱护壁剂+3kg磺化褐煤树脂。 实践证明，国产聚合物泥浆在低温下具有流变性好、润滑性好、携带岩粉能力强、低失水量等优点，由国产泥浆材料配制的泥浆比国外泥浆更能有效抑制水合物孔壁的坍塌，钻进时将配制好的聚合物泥浆通过地表冷却装置进行制冷后基本能满足水合物钻探需要。 表7-1 调整前后泥浆性能参数 泥浆 比重 粘度 失水量 PH 泥饼厚度 泥浆体系配制 调整前 1.09 g/cm³ 90s 7 mL/30min 8 1mm 国外泥浆材料配制 调整后 1.20 g/cm³ 72s 5 mL/30min 9 0.5mm 国产聚合物泥浆材料配制

7.3井涌预防与处理措施 钻进取芯时水合物极易分解，以往曾发生过多次井涌事故，有时气体压力可将孔内的钻具和钻杆顶起，为防止钻进过程可能发生气体喷出情况，根据实际情况，应采取以下技术措施来预防井涌、井喷事故的发生。 （1）钻遇含气地层或水合物异常层段，将泥浆比重提高至1.20g/cm³以上，增加孔内液柱压力。 （2）若含气层段已发生泥浆气侵现象，严禁将已气侵污染的泥浆重复循环到孔内，应快速调整泥浆的性能，保持泥浆处于良好的状态，做到均匀加重。 （3）上钻具要降低起钻速度，尽量减少抽吸压力，上提钻具要做到随提随灌泥浆，保持孔内压力平衡。 （4）机台人员随时观察孔口和泥浆池液面变化，按时测定泥浆常规性能，现场配备足够的石灰石粉、水泥等压井材料以及消防灭火器材等，发现异常情况立即报告机长和技术人员，充分做好压涌准备工作。

（5）当泥浆出口比重比入口比重下降0.5-0.15 g/cm³时，应停止钻进，一边加大泥浆比重，一边大泵量循环，直至进出口泥浆比重基本平衡，井涌包括溢流迹象消失为止。 7.4钻孔护壁堵漏措施 以DK11-14号孔为例，自开孔后孔内开始泥浆漏失，初步判断为第四系及基岩交界处孔隙漏失，为了较好的封堵孔内泥浆漏失，采取以下堵漏技术措施。 泥浆配方：1³水 + 150kg膨润土 + 3kg高粘纤维素+ 20kg高粘堵漏剂 + 25kg磺化褐煤树脂 + 锯末（根据漏失情况添加） 性能指标：比重：1.06g/cm³、粘度：45-60s、失水量：8mL/30min、PH:7-9、泥皮厚度：1mm。 经过多次的反复堵漏后，孔内泥浆返水正常，通过优化泥浆性能，降低了孔内泥浆漏失，保证了孔壁稳定。

7.5提高岩心采取率的措施 为了提高岩心样品采取率，减少水合物样品的快速分解，严格限制回次进尺长度和钻进时间来提高岩心样品采取率，坚持少钻勤提的原则，采取重要异常地层最关键的岩心样品时，通常把回次进尺控制在0.5-1m以内，钻进时间限制在1h以内，同时不断优化调整泥浆的性能参数，通常将泥浆失水量控制在6mL/30min以内，防止岩心样品在钻进时间内被泥浆中的自由水泡散，保持岩心样品的稳定性和完整性。 7.6优化泥浆净化系统 为了降低泥浆中的有害固相含量，减少岩粉二次进入孔内，加长泥浆循环槽，改进泥浆循环系统，循环槽长度达到25m左右，并在循环槽内多处设置挡板、循环槽拐弯处设置泥浆沉淀坑4个，使得岩粉较好的沉淀.同时机台配备旋流除泥器，便于更好的清除泥浆中的有害固相，使得孔内泥浆处于良好的状态，维护了孔壁稳定，泥浆循环槽及沉淀坑全部采取简易防雨措施，避免雨水进入泥浆以及阳光照射后导致泥浆温度的升高。

表8-1 青海木里冻土区天然气水合物钻探技术成果 8.钻探技术成果 通过采取以上技术方法和工艺措施，由我方在该区已钻进完成的5口天然气水合物钻孔中取得了明显效果，平均钻月效率360米/月、施工周期53天，全孔岩心采取率平均达到87%以上，详见表8-1。 表8-1 青海木里冻土区天然气水合物钻探技术成果 钻 孔 孔 深 施工周期 钻月效率 岩心采取率 备 注 DK11-14 600.30米 57天 315米/月 88.00% 漏失、坍塌 DK13-11 610.55米 55天 333米/月 87.22% 涌水、坍塌 DK12-13 600.60米 65天 273米/月 81.57% 造浆、坍塌 DK10-16 600.13米 32天 560米/月 85.97% 缩径、烧钻 DK - 9 593.07米 56天 317米/月 95.00% 坍塌

9.结语 以上水合物钻孔的顺利终孔，给项目后续水合物取芯钻探提供了宝贵的经验，同时也更加证明了我们所运用的冻土区水合物钻探取芯工艺及技术方法的是切实可行的。 在钻探施工过程中我们采取了生产科研相结合的模式，在总结以往成功经验的基础上运用了泥浆制冷技术、大口径绳索快速取芯钻进技术、聚合物低温泥浆等技术工艺。积极探索不断加强技术研究和工艺改进，先后克服了水合物易分解、泥页岩易坍塌、松散破碎地层取芯困难、油页岩地层钻进效率低及孔内涌气、涌水、漏失、气侵泥浆等诸多技术性难题，总结出了一套适合于陆域冻土地带天然气水合物钻探取芯的技术工艺及应对措施。

不足之处，请各位专家 提出宝贵意见！ 谢谢大家！