河北省御道口油頁巖礦區施工經驗總結

于志堅，耿 印，于保國，布 凡，丁國東，劉 存，王 越

（河北省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，河北承德067000）

河北省御道口油頁巖礦區施工經驗總結

于志堅*，耿 印，于保國，布 凡，丁國東，劉 存，王 越

（河北省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，河北承德067000）

油頁巖地層復雜，地質鉆探施工難度較大，孔壁不穩定，坍塌、縮徑、漏失、掉塊事故時有發生。根據油頁巖多年施工經驗進行總結，對油頁巖地層鉆井液的配制、使用及漏失防治進行總結，以供大家參考。

油頁巖地層；復雜地層；坍塌；縮徑；漏失防治；鉆井液配制使用

1 概述

油頁巖又稱“油母頁巖”，屬非常規油氣資源，以資源豐富和開發利用的可行性而被列為21世紀非常重要的接替能源。

世界上油頁巖資源較多，但探明的不多，主要分布在美國、加拿大、俄羅斯和中國。我國查明的油頁巖資源儲量311.7×108t（地質部1980年發布表內儲量），河北省查明油頁巖資源儲量1.14×108t，占全國第10位，產地6處，其中承德市5處，查明油頁巖資源儲量1.08×108t，可見承德油頁巖資源量位于河北省內第一。

2 地質四隊對油頁巖的勘查概況

我單位地處承德市，對油頁巖的勘查占有得天獨厚的地理優勢。單位1958年成立，針對油頁巖這一新能源礦種從未停止過勘查腳步，僅油頁巖鉆探施工工作量達到近2×104m。特別是自2006年國務院下達《關于加強地質工作的決定》以來，國家加大了地質投入，作為新能源的油頁巖勘查引起了國家重視。2012年承德圍場御道口油頁巖施工8個鉆孔總工作量7584.72m最深油頁巖鉆孔施工孔深1578.10m。

在油頁巖地層中多年的鉆探施工中，我單位積累豐富的施工經驗，尤其是油頁巖深孔小口徑巖芯鉆探的施工。下面以御道口礦區情況實例總結如下，以供大家借鑒。

3 御道口油頁巖地層

御道口礦區位于華北地臺北緣與內蒙大興安嶺褶皺系銜接部位的褶皺系單元中，屬多倫復背斜(Ⅲ)的棋盤山中凹陷(Ⅳ)構造單元中。區域上出露的地層主要有少量的二疊系、廣泛發育的侏羅系、白堊系和第三系玄武巖及第四系覆蓋層。

二疊系地層主要為二疊系下統，巖性為灰綠、灰白色砂巖、紫紅色砂礫巖、灰紫色粉砂質泥巖和黑色頁巖，厚度300m左右。

侏羅系以晚期張家口組地層為主。地層以中酸性火山巖和火山碎屑巖為主，還有少量沉積的砂巖、粉砂巖、礫巖等，產有珍珠巖礦和沸石礦。厚度200～600m。

白堊系大北溝組,由褐紅色安山巖和火山碎屑巖組成。厚度260～800m。

第三系地層為漢諾壩組玄武巖，共五期噴發，近水平產出，覆蓋于白堊系和侏羅系地層之上。一般厚度50～700m。

第四系近代堆積多沿溝谷及山地緩坡發育，該區域風成含砂黃土層發育，沿河谷局部有風成砂。

在侏羅紀末白堊紀初，受燕山運動影響，侏羅紀部分盆地升起消失，部分繼承性發展成為白堊紀盆地。在白堊紀末期地殼升起，盆地抬升，在盆地邊緣生成北東向和北西向的斷裂。

4 礦區鉆探施工難點

御道口油頁巖礦區頁巖盆地為斷陷盆地，主要巖石包括油頁巖、安山巖、玄武巖、礫巖、含礫砂巖、粉砂巖和粘土巖等。本礦區易漏地層主要是由于玄武巖和安山巖內部有杏仁狀氣孔結構，而且在巖層交界處有不同程度的裂隙和碎裂，導致御道口礦區鉆孔普遍存在漏水情況。在玄武巖下部有一個古風化帶容易漏失。油頁巖夾雜頁巖、粘土巖的地層都相對穩定。本礦區的沉積巖地層不漏水，但是在沉積地層中容易出現坍塌掉塊，需要做好鉆井液護壁工作。

所以在油頁巖地區鉆探施工地層屬于復雜地層，最大的難題是：（1）孔內孔壁失穩，坍塌、掉塊、縮徑等現象時有發生；（2）孔內漏失水嚴重，頂漏鉆進事故風險增大。這就需要正確合理選擇使用泥漿，豐富的施工經驗，確保鉆探滿足地質施工目的。

5 主要解決方案

5.1 通過御道口礦區頁巖地層漏失及孔壁失穩機理研究，確定主要解決方案為配制使用抑制性泥漿

油頁巖地層鉆井液配制抑制性泥漿的機理：

（1）選優質土。由于水化效果好，粘土顆粒吸附了較厚的水化膜，泥漿體系中的自由水量大大減少，所以優質土泥漿的失水量遠低于劣質土的。

（2）采取“粗分散”方法。使粘土顆粒適度絮凝，而非高度分散，從而使井壁巖土的分散性減弱，保持一定的穩定性。

（3）添加降失水劑。通過增加水化膜厚度，增大滲透阻力、孔壁網架隔膜作用，可使失水量明顯減少。

（4）提高基液粘度。泥漿中的“自由水”實際上是濾向地層的基液，其粘度愈高，向地層中滲濾的速率就愈低。

（5）調整泥漿比重。平衡地層壓力孔內液體壓力與地層中流體的壓力差是泥漿失水的動力，盡可能減少壓力差，維持平衡鉆進是減少鉆井液漏失的有效措施。

（6）利用特殊離子對地層的“鈍化”作用。一些特殊離子的嵌合作用可以加強粘土顆粒之間的結合力，從而使孔壁穩定性提高。

（7）利用大分子鏈網在孔壁上的隔膜作用。泥漿中的大分子物質相互橋接，濾余后附著在孔壁上形成阻礙自由水繼續向地層滲漏的隔膜。

（8）利用微顆粒的堵塞作用。在泥漿中添加與地層空隙尺寸相配伍的微小顆粒，堵塞滲漏通道，降低漏失量。

（9）活度平衡。使鉆井液化學性質與地層化學性質相近，減少相互之間的物質擴散交換程度。

通過實驗室研究、礦區實踐驗證最終我們確定了選擇13403號進行野外鉆探施工。實驗室13403號的配方如下：加土量4%，加堿6%（粘土加量）處理后，加入CMC 0.1%、PHP0.15%、KHA4.0%，現場鉆井液的主要性能：漏斗粘度19～21，比重1.02～1.04，失水量7～9mL/30min。施工中鉆遇的破碎帶、坍塌、掉塊、遇水膨脹，剝落巖層10余層都起到了很好的抑制作用，取得較好的施工效果。

實踐證明該鉆井液適合于御道口油頁巖地層的鉆探施工。

5.2 加強鉆井液的現場使用方法管理

每個回次必須專人負責鉆井液的清理工作，用鐵鍬和笊籬撈取沉淀槽、沉淀坑及沉淀池中的泥沙。嚴格控制漿液中的有害固相，正常鉆進時一班清理巖粉2次，定期換漿。保障鉆井液的沉淀效果。

鉆井液粘度高時，不能直接加清水稀釋，應加入低粘度漿液或稀釋劑進行稀釋降粘。夏季做好漿液的防雨工作，嚴禁雨水流入泥漿中，稀釋鉆井液，改變鉆井液的性能。

按照已定的鉆井液類型配置泥漿，堅持每班檢測孔內循環的漿液粘度、比重、失水量、泥皮厚度及質量、pH值，及時了解漿液變化情況，并記錄于現場漿液記錄表中。發現漿液性能參數明顯超出或低于設計要求，應及時用泥漿處理劑現場進行調整。

試驗礦區生產中對鉆井液補充。鉆進生產過程中，由于孔深不斷加大，鉆進的不斷進行，地層會不斷的變化，鉆井液也在不斷地消耗，為了保持正常鉆進，就必須不斷及時地對鉆井液量進行補充。當地層變化不大時，一般每個班次要向水源箱內補充一定量同樣性能的鉆井液。鉆井液技術性能不產生大變化時不予調整，但每班要對鉆井液的主要性能進行測試。如地層變化較大，特別是鉆遇水敏地層時，除每班補充性能相同的沖洗液外，每班還要加大監測頻率，發現鉆井液性能不能滿足鉆進需要時及時調整性能。一般情況下就是降低鉆井液的失水量，提高防坍塌性能。調整后的鉆井液性能一直要保持到鉆孔終孔。

5.3 加強施工組織管理的必要

油頁巖礦區鉆探施工地層屬于復雜地層，管理非常重要，好的效益是管出來的。

必須高度重視施工組織管理，配備了強有力的領導班子和技術力量，成立了專門管理機構，科學組織施工。健全組織，制定科學嚴謹的操作規程，規章制度。制度執行時必須嚴格執行，不能流于形式，不能講人情，做到公平合理。

鉆探施工中必須狠抓職工思想教育工作，統一職工思想，樹立大局意識。讓每一位職工都能認識到鉆探施工的意義和重要性。讓職工的思想全部凝聚到生產上來，心往一處想、勁往一處使。這樣可以提高職工的操作責任心，減少或避免發生孔內事故。

6 2012年至2013年御道口油頁巖礦區的施工情況

2012年御道口礦區總工作量7584.72m，平均孔深948.09m。使用主要設備：

鉆機：XY-4型、XY-44型、XY-5型、XY-6B型

泥漿泵:BW-250型、BW-320型；

鉆塔：XG-17m、XG-23型四角管塔。

使用的鉆探工藝方法為金剛石繩索取芯鉆進，鉆孔口徑為?75mm。

7 施工工藝及施工過程中所遇到的其他主要問題

表1 鉆機施工情況一覽表

以鉆孔ZK003號孔為例說明，鉆孔結構見圖1，采用四開井身結構，一開井徑?150mm，下入?146mm套管；二開井徑?127mm，下入?108mm套管；三開井徑?95mm，下入?89mm套管；四開井徑?75mm，終孔孔深為1578.10m。

圖1 鉆孔結構圖

施工過程中除泥漿使用外，所遇到的其他主要問題就是漏失嚴重。當鉆進至1053.60m時出現嚴重漏失，孔口返漿量時斷時續幾乎為零。頂漏鉆進11m后，考慮到鉆孔較深，頂漏鉆進時間過長十分危險，采取水泥灌孔封堵方法進行處理，經過2次灌注取得較好效果。

水泥漿現場灌注過程中注意事項：

（1）要堅持在封孔段內上下沖孔，慢速回轉鉆具，以清洗掉孔壁的泥皮，保持孔壁清潔，保證水泥與孔壁更好地膠結凝固。

（2）灌漿前要仔細檢查有關灌漿設備的完好性，確保灌漿過程中順暢不發生故障。

（3）灌漿時由機長現場統一指揮，人員分工明確，各有職責，相互配合，協作工作。爭取整個過程一氣完成不停頓。

（4）嚴格按規定的水灰比來配漿進行攪漿，現場使用自制1m3的泥漿攪拌機拌漿，將拌好的水泥漿經過過濾網過濾后立即灌注，防止大塊物堵塞管路。

（5）將水泵水龍頭放入裝滿配置好的泥漿箱內立即啟動泥漿泵送水泥漿。剛開泵時先打開水泵回水閥門，將吸水管及泵中的清水排出，待噴出水泥漿后再關閉回水閥將水泥漿送到待灌孔段。待泵吸水泥漿過程完后，立即將水龍頭放入準備好的替漿水桶中，開泵替漿。

（6）替漿完成后，提升鉆具速度要慢，過快則易發生抽吸作用而使整個灌注工作失敗。待提離注漿液面50m后才能加快提鉆速度，操作要穩，杜絕跑鉆事故發生。

（7）從水泥漿池內取少量漿液裝入水瓶內留作樣品，驗證孔內水泥凝固情況。水泥不能完全凝固時掃孔起不到護壁堵漏作用，水泥過硬給掃孔增加難度，一方面掃水泥時間較長，另一方面由于水泥過硬很容易掃偏造成孔內事故。

8 礦區鉆孔質量分析

巖芯采取率及鉆孔彎曲度：

（1）巖芯采取率：8個鉆孔巖芯采取率全部在96.8%以上。ZK003孔全孔巖芯采取率為99.4%。

（2）彎曲度及測量：御道口礦區的鉆孔均為直孔，采用JTC-1型動調陀螺儀每百米測量一次，傾角角度在允許誤差范圍之內，終孔位置均不超過勘探線間距1/4。完全滿足地質設計要求需要。

8 結論

總之，油頁巖地層的勘查施工，地層一般為沉積巖，地層結構相對比較復雜，漏失、坍塌、掉塊的孔內事故比較普遍，在施工過程中必須注意泥漿的使用，根據不同的地層選擇相應的泥漿，同時要加強技術和組織管理，以確保施工正常順利實施。地層情況是千變萬化的，同一礦區不同鉆孔地層變化也是有很大的區別。一定要根據實際情況，具體分析，切不可生搬硬套。

TD83

B

1004-5716(2015)02-0101-04

2014-03-12

2014-03-13

于志堅（1977-），男（滿族），河北平泉人，工程師，現從事鉆探技術施工與管理工作。