摘 要:洼里礫巖地層是北京洼里地區(qū)一種特殊的礫巖地層。分析了其地質(zhì)特征、成因及對(duì)鉆探施工的影響,介紹了在此地區(qū)施工的3眼地?zé)峋?/a>所采用的鉆井設(shè)備及工藝、鉆進(jìn)中存在的困難及采取的措施。

 

  關(guān)鍵詞:洼里礫巖;地?zé)峋?/a>;鉆探工藝;鉆具損壞;井斜2000年9月至2004年8月,受北辰集團(tuán)委托,我院為其綠色家園成功的鉆鑿了3眼井深600~3700 m的地?zé)?/a>井,該3眼地?zé)?/a>井的建成,不僅可解決4~5萬(wàn)居民的洗浴、生活熱水、游泳娛樂(lè),還大大減輕了對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境污染,其經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義不言而喻,對(duì)于地質(zhì)科技和鉆井工藝技術(shù)實(shí)踐來(lái)講,由于鉆穿了北京地區(qū)號(hào)稱(chēng)為/難以攻破的堡壘)))洼里礫巖0,其意義更為深遠(yuǎn)。其一,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了洼里礫巖的地質(zhì)特征,從而可對(duì)其成因作進(jìn)一步的探討;其二,從鉆井實(shí)踐中總結(jié)出一套對(duì)付該巖層的鉆進(jìn)方法。

 

  洼里礫巖地層是北京洼里地區(qū)一種特殊的礫巖地層,由于其結(jié)構(gòu)成分的特殊性,可鉆性極差,該區(qū)以往鉆井施工中,多因無(wú)法鉆穿該層而造成報(bào)廢,或難以達(dá)到理想的效果,從而被稱(chēng)為/鉆探禁區(qū)0。本工程成功地鉆穿了洼里礫巖地層,取得了理想的地質(zhì)成果,并摸索出了一套較好的鉆井工藝,本文就有關(guān)地質(zhì)、鉆井情況予以介紹。

 

  1 洼里礫巖地質(zhì)情況。

 

  1.1 洼里礫巖的地質(zhì)特征。

 

  所謂洼里礫巖,是指分布于北京北苑地區(qū)洼里村一帶,南至亞運(yùn)村,北至立水橋,西臨清河,東到來(lái)廣營(yíng)這一小區(qū)域范圍內(nèi),在侏羅系火山沉積巖中出現(xiàn)的一套特殊巖層,一般呈層狀產(chǎn)出,多為1~3層,其厚度從幾米至數(shù)百米不等。

 

  洼里礫巖多呈深灰色、紫紅色、淡綠色、灰綠色等,主要成分為白云質(zhì)灰?guī)r、燧石條帶白云巖、石英巖、安山凝灰?guī)r等,角礫大小不一,分選性差,一般從幾毫米至四五十毫米,呈棱角狀、半磨圓狀等形態(tài),相互擠壓,鑲嵌在一起。洼里礫巖的膠結(jié)物為鈣質(zhì)、泥質(zhì)和硅質(zhì),礫巖普遍存在綠泥石化、綠簾石化、硅化等蝕變。

 

  1.2 洼里礫巖的成因。

 

  前人對(duì)洼里礫巖的成因有多種解釋,但主流說(shuō)法為構(gòu)造巖,根據(jù)北苑地區(qū)鉆鑿的3眼地?zé)峋?/a>中收集到的第一手材料,結(jié)合歷史資料進(jìn)行綜合分析認(rèn)為,洼里礫巖具有成層性,個(gè)別層位最大厚度可達(dá)400余米,礫巖中的燧石條帶白云巖多呈半磨圓狀,顯然經(jīng)過(guò)了流水搬運(yùn)過(guò)程,另外礫石分選差、成分雜,說(shuō)明搬運(yùn)距離較近。綜合上述,我們認(rèn)為,洼里礫巖是由早期的構(gòu)造活動(dòng)(九龍山向斜和八寶山斷裂)把深部薊縣系霧迷山組地層推覆于石炭-二疊系之上,經(jīng)風(fēng)化、剝蝕和搬運(yùn),在新形成的凹陷盆地底部迅速堆積下來(lái),洼里礫巖層之間的安山質(zhì)凝灰?guī)r則是其間火山噴發(fā)作用的產(chǎn)物,為此,厚度巨大的洼里礫巖即在沉積盆地中生成。

 

  1.3 從鉆探工藝上看/洼里礫巖。

 

  探礦工程(巖土鉆掘工程)(1)洼里礫巖分選性差,大小不均,軟硬不均,造成嚴(yán)重/跳鉆0,鉆具在長(zhǎng)期/跳鉆0的情況下極易疲勞而斷折,致使下部鉆鋌和鉆桿等鉆具多次折斷和脫落于孔內(nèi),引發(fā)大量孔內(nèi)事故。

 

  (2)洼里礫巖有強(qiáng)烈硅化現(xiàn)象,且礫石中有部分石英巖,硬度較大,增大研磨程度,使鉆頭消耗增加。

 

  (3)洼里礫巖鉆進(jìn),鉆壓過(guò)大易形成井內(nèi)鉆具非正常破壞和井斜加大;鉆壓小則易形成/跳鉆0引發(fā)孔內(nèi)事故。轉(zhuǎn)速高使井內(nèi)鉆具離心力加大,鉆具非正常磨損加大;低轉(zhuǎn)速影響鉆進(jìn)時(shí)效。合理的鉆進(jìn)參數(shù)很難掌握。

 

  洼里地區(qū)以往鉆井中,因洼里礫巖地層鉆井困難,井深僅達(dá)幾百米,個(gè)別井深在2000 m左右,因而難以獲取高溫、大流量地?zé)崴Y源。

 

  2 施工工藝。

 

  2.1 井身結(jié)構(gòu)。

 

  根據(jù)勘查報(bào)告及地層特點(diǎn),確定井身結(jié)構(gòu)為四開(kāi)。

 

  2.2 鉆井設(shè)備。

 

  根據(jù)井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),一般選用施工能力在3500m以上的石油或水井鉆機(jī);排量\50 L /s,額定泵壓\30MPa的水泵;垂直空間高度\40 m的井架;功率\800 kW(1300PS)的柴油機(jī)。

 

  2.3 鉆具組合。

 

  洼里礫巖多在二開(kāi)至三開(kāi)鉆進(jìn)地層中,因而在二~三開(kāi)鉆進(jìn)中,要充分注重鉆具的組合,特別是加重鉆鋌的配備,保證?203、178、159、127 mm各種鉆鋌的合理配套。

 

  2.4 鉆進(jìn)參數(shù)。

 

  通過(guò)統(tǒng)計(jì)總結(jié),較合理的鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表3。

 

  2.5 鉆進(jìn)液性能及配制。

 

  2.5.1 鉆進(jìn)液性能。

 

  根據(jù)地層情況,在洼里礫巖鉆進(jìn)中,主要考慮攜帶巖屑(粉)能力和防塌、掉塊能力,因而以固相泥漿為主其性能參數(shù)見(jiàn)表4。

 

  2.5.2 鉆井液配制、維護(hù)。

 

  開(kāi)鉆用峰峰黃土造漿+NaOH( 011% ) +Na2CO3(015% )作預(yù)水化處理,密度111~112 kg /L,粘度25~35 s,遇坍塌層時(shí)可以從井口添峰峰黃土達(dá)到護(hù)壁的目的。

 

  正常鉆進(jìn)采用基漿稀釋后,加入KPAM(011%~012% ),NPAN(013% ~015% ), FT-342(015% ),鉆進(jìn)過(guò)程中不斷補(bǔ)充KPAM和NPAN。

 

  及時(shí)除砂,振動(dòng)篩使用大于90%,除砂器使用大于80%。

 

  易坍塌地層鉆進(jìn)時(shí),鉆井液中FT-342含量不低于2%。

 

  3 鉆遇的洼里礫巖地層工作量統(tǒng)計(jì)。

 

  上述三開(kāi)中,共鉆遇洼里礫巖1177 m,其層厚從南往北逐漸變薄,埋深變淺。

 

  4 洼里礫巖鉆進(jìn)的主要困難和處理措施。

 

  4.1 鉆進(jìn)的主要困難。

 

  44探礦工程(巖土鉆掘工程)自二開(kāi)385 m進(jìn)入侏羅系,地層巖性主要為灰綠色洼里礫巖、紫紅色安山巖、暗紅色凝灰質(zhì)角礫巖、凝灰質(zhì)砂巖等。該段地層巖石膠結(jié)好,致密堅(jiān)硬,可鉆性差,鉆頭易于磨損,進(jìn)尺緩慢。

 

  洼里礫巖礫石均為碳酸鹽巖角礫,鈣質(zhì)膠結(jié),礫石硬度大于膠結(jié)物,造成地層軟硬不均,礫石脫離其膠結(jié)物以后,在孔底位置不穩(wěn)定,導(dǎo)致鉆進(jìn)中發(fā)生嚴(yán)重的/跳鉆0現(xiàn)象。/跳鉆0導(dǎo)致井內(nèi)鉆具在回轉(zhuǎn)的情況下極易疲勞而折斷,致使下部鉆具脫落于井內(nèi)。

 

  本次施工鉆遇洼里礫巖總厚度達(dá)1177 m,先后發(fā)生鉆鋌折斷事故30余起,占用了大量的鉆井時(shí)間。由于措施得當(dāng)大都在48 h內(nèi)處理完畢。但造成了大量的鉆桿、鉆鋌、鉆頭和減震器損壞和報(bào)廢。

 

  4.1.2 降低鉆頭使用壽命。

 

  鉆頭在碎巖過(guò)程中受沖擊振動(dòng)作用,使鉆頭非正常破壞嚴(yán)重,崩齒、掉牙輪較多,鉆頭壽命偏低。

 

  4.1.3 引發(fā)機(jī)械事故。

 

  由于洼里礫巖的不均勻性導(dǎo)致/跳鉆0,引發(fā)設(shè)備、機(jī)械事故。

 

  4.1.4 影響鉆井質(zhì)量。

 

  由于地層的不均勻性導(dǎo)致鉆具的橫向擺動(dòng)加大,使井斜增大。JR -94井在1350~1500 m段, JR-130井在2100~2200 m段, JR -147井在1150~1250 m和1750~1850 m段的洼里礫巖地層,井斜明顯加大。

 

  4.2 主要措施。

 

  4.2.1 選擇合理的鉆具及級(jí)配,安裝相應(yīng)的減振器。

 

  鉆壓過(guò)大加大沖擊力,加劇鉆具破壞;鉆壓過(guò)小,難以有效切入巖石,降低鉆速。沖洗液量大,孔內(nèi)壓力增加,沖擊力加大;沖洗液量過(guò)小則排屑不利。轉(zhuǎn)速高,振動(dòng)加劇;低則影響鉆效。表3是較合理的規(guī)程參數(shù)。

 

  同樣,泥漿的選擇亦很重要。

 

  4.2.3 及時(shí)檢查、更換鉆具。

 

  每鉆進(jìn)100~120 m應(yīng)提鉆檢查鉆具,密切注視井內(nèi)情況,如有異常,及時(shí)提鉆。

 

  4.2.4 保持鉆鋌的質(zhì)量和數(shù)量。

 

  通過(guò)分析統(tǒng)計(jì),鉆具折斷大都在距井底60~80m處。究其原因,主要是這段鉆具受力較大,通過(guò)這段鉆具后沖擊力相對(duì)減小。因而應(yīng)經(jīng)常對(duì)井底100m以?xún)?nèi)的鉆鋌進(jìn)行詳細(xì)檢查并保證井內(nèi)鉆鋌的數(shù)量。

 

  4.2.5 鉆井現(xiàn)場(chǎng)必須配備各種工具。

 

  鉆井現(xiàn)場(chǎng)必須配備齊全各種打撈工具和儀器,以便井內(nèi)發(fā)生事故時(shí)及時(shí)處理,防止事故惡化。平時(shí)要對(duì)工具、儀器及時(shí)清理和保養(yǎng),以備急用。

 

  5 主要成果。

 

  通過(guò)本工程施工,不但在地?zé)?/a>空白區(qū)開(kāi)發(fā)出了溫度高、水量大、水質(zhì)好的地?zé)豳Y源,同時(shí)也摸索了一套洼里礫巖鉆井經(jīng)驗(yàn)。以?xún)?yōu)質(zhì)高效贏得了業(yè)主好評(píng)。

 

  6 結(jié)語(yǔ)。

 

  上述3眼地?zé)峋?/a>的施工,對(duì)奧運(yùn)公園及洼里周邊地區(qū)地?zé)?/a>井的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義,也使我們突破了洼里礫巖鉆探禁區(qū)。但要詳細(xì)總結(jié)出一套完整的鉆井規(guī)律,仍需進(jìn)一步的研究。