土耳其贝帕扎里矿区边缘对接井施工中的.pdf
第4 7卷第8期 2 0 2 0年8月 探矿工程 岩土钻掘工程 E x p l o r a t i o nE n g i n e e r i n gR o c k修回日期 2 0 2 0-0 7-1 0 D O I1 0.1 2 1 4 3/ j . t k g c .2 0 2 0.0 8.0 0 7 基金项目 中国地质调查局地质调查项目“ 土耳其卡赞 贝帕扎里天然碱矿探采方法技术合作” 编号D D 2 0 1 9 0 9 0 6 0 2 作者简介 隆东, 男, 汉族,1 9 8 4年生, 高级工程师, 勘查技术与工程专业, 从事定向钻进施工及技术研究工作, 河北省廊坊市金光道7 7号, l d y i e t @h o t m a i l .c o m. 引用格式 隆东, 涂运中, 林修阔, 等.土耳其贝帕扎里矿区边缘对接井施工中的问题分析与处理[J].探矿工程 岩土钻掘工程 ,2 0 2 0,4 78 3 5 - 4 2 . L ON GD o n g,TUY u n z h o n g,L I NX i u k u o,e ta l . A n a l y s i sa n ds o l u t i o n sf o rt h ep r o b l e m s i nd r i l l i n go fh o r i z o n t a l i n t e r s e c t e dw e l l s e t sa t t h eb o u n d a r yo fB e y p a z a r iT r o n aM i n e i nT u r k e y[J]. E x p l o r a t i o nE n g i n e e r i n gR o c k 水溶开采; 对接井; 矿区边缘; 复杂地质条件; 套管锻铣技术; 方位伽马; “ 慧磁” 中靶系统; 土耳其 贝帕扎里碱矿 中图分类号P 6 3 4. 7;T D 8 7 文献标识码A 文章编号1 6 7 2-7 4 2 82 0 2 00 8-0 0 3 5-0 8 A n a l y s i s a n d s o l u t i o n s f o r t h ep r o b l e m s i nd r i l l i n go f h o r i z o n t a l i n t e r s e c t e d w e l l s e t s a t t h eb o u n d a r yo fB e y p a z a r iT r o n aM i n e i nT u r k e y L ONGD o n g,TUY u n z h o n g,L I NX i u k u o,L I U W a n g w e i ,L I UZ h i q i a n g,HU H a n y u e I n s t i t u t eo fE x p l o r a t i o nT e c h n i q u e s,C A G S,L a n g f a n gH e b e i0 6 5 0 0 0,C h i n a A b s t r a c tB e y p a z a r iT r o n aM i n e i so n eo f t h e t w ot r o n am i n e sd i s c o v e r e di nT u r k e y . N o wt h es o l u t i o nm i n i n ga r e a h a sr e a c h e d t h eb o u n d a r yo f t h em i n i n ga r e a . I no r d e r t om a x i m i z e t h e r e c o v e r yo f t r o n a r e s o u r c e su n d e r t h e s t a n d a r d c o n d i t i o n s,i t i sn e c e s s a r yt oa r r a n g eh o r i z o n t a l i n t e r s e c t e dw e l l s e t sa t t h eb o u n d a r yo f t h em i n i n ga r e a t om i n e t h e t r o n ao u t . T h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa tt h eb o u n d a r yo ft h em i n i n ga r e aa r ec o m p l e xw i t h m a n yf o l d i n ga n df a u l t z o n e s l o c a t e d i nt h e s t u d ya r e ao f t h i sp a p e r . I n t h ee a r l yd r i l l i n gp e r i o d,i t i s f o u n dt h a t t h e r e a r eo b v i o u sg e o l o g i c a l a n o m a l i e s i nt h i sa r e a,s u c ha sp i n c h i n go u t,V G s h a p e,o r i r r e g u l a r a n dh i g hd i pa n g l e so f t h ep r i m a r ym i n i n g l a y e r . I nv i e wo f t h e s e t y p i c a l a b n o r m a lp r o b l e m s i nd r i l l i n go f i n t e r s e c t e dw e l l s e t sa t t h eb o u n d a r yo f t h em i n i n ga r e a, s e v e r a l t e c h n i c a lm e a s u r e s,s u c ha s t h e c a s i n gs e c t i o nm i l l i n gt e c h n o l o g y,d i r e c t i o n a l d r i l l i n gw i t ha z i m u t h a l g a mm a t o o l sa n dS m a r t M a gt a r g e t G h i t t i n gs y s t e m s,i n c r e a s i n gt h en u m b e ro f t h ee x p l o r a t i o nw e l l sa r ea d o p t e da n da l l t h e p r o b l e m sh a v eb e e nr e s o l v e de f f i c i e n t l yt h r o u g ht h e s em e a s u r e s . K e yw o r d st r o n am i n e;s o l u t i o nm i n i n g;i n t e r s e c t e dw e l l s e t;b o u n d a r yo fm i n i n ga r e a;c o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s; c a s i n gs e c t i o nm i l l i n g;a z i m u t h a l g a mm a;S m a r t M a gt a r g e t G h i t t i n gs y s t e m;B e y p a z a r iT r o n aM i n e i nT u r k e y 1 存在的问题 土耳其贝帕扎里 B e y p a z a r i 天然碱矿区 见图 1 地层依次为札维依Z a v i y 、 卡基鲁巴C a k i l o b a 、 沙里亚吉尔 S a r a g i l 、 卡拉杜鲁克K a r a d o r u k 、 河 卡H i r k a 和玻亚利 B o y a l i 地层, 依次简称为T z、 T c、T s、T k、T h. , .E .0 GE 5 图1 贝帕扎里矿区开采区域 F i g .1 B e y p a z a r i s o l u t i o nm i n i n ga r e a 碱矿层位于主要由粘土层和含沥青的页岩组成 的河卡地层中, 埋深在2 5 04 3 0m之间.在纵向 上碱矿层分为2个矿组, 每个矿组含67个主矿矿 层, 上部矿组划分为U 1U 6共6个单碱层, 累计矿 层厚度为1 12 1m; 下部矿组划分为L 1、L 2 1、L 2 2、L 3L 6共7个单碱层, 累计矿层厚度为61 6 m.共1 3个单碱层.2个矿组之间为2 02 5m厚 的含粘土淡化层[ 1-2]. 矿区最先在矿层变化稳定的中心区域布井开 采, 经过1 0余年的水溶开采, 为了在规范条件下实 现产量最大化, 从矿区中心向矿区边缘布井逐步开 采.现采矿区域为矿区边缘, 即本文研究区域 见图 2 , 矿区边缘地质条件复杂, 多条褶皱带和断裂带位 于此区域, 在施工过程中此区域出现明显的地质异 常情况.虽然前期在矿层边缘布置了多口勘探井, 对矿区做了一定的研究, 但是勘探井数量有限, 不能 预测到矿区每个设计井位的情况.特别是在矿区边 缘复杂的地质条件下, 根据有限的勘探井得到的信 息及常规的预测分析已经无法准确判断此区域地层 的情况, 设计井组也只是依据既有的信息和原则布 置.通过此区域部分已施工完井组中的直井资料, 整理分析出最新的地层参数, 发现了一系列新的问 题 设计井组首采层的尖灭, 首采层倾角呈V形变 化, 首采层倾角过大且不规则变化, 设计井口位置偏 离连线.这些问题的分析与解决成为合理布置矿区 边缘后期溶采井组, 高效采出矿区边缘矿产的关键. AA 4 4 图2 贝帕扎里矿区边缘研究区域 F i g .2 S t u d ya r e aa t t h eb o u n d a r yo f t h eB e y p a z a r i s o l u t i o nm i n i n ga r e a 2 问题的分析 2.1 首采层尖灭 根据早期勘探井取得的地层信息对计划施工区 域进行了布井, 这样的布井原则和方式对首采层分 布相对稳定区域的井组是适用的.但是在矿区边缘 复杂地质条件区域, 在施工完部分井组的直井后, 出 现了设计首 采层尖灭的 问题, 例如井 组P 0 5 7和 P 1 2 8. 根据已有地质资料,P 0 5 7的原设计首采层为 U 6碱层, 钻进完V 0 5 7 B后, 经过电测结果分析发现 确实存在U 6碱层 见图3 , 按原设计将套管下至 U 6碱层完井; 但在施工完V 0 5 7 A后, 经过电测结 果分析, 发现U 6碱层出现了尖灭缺失现象, 为实现 正常溶采, 通过分析与设计变更, 将套管下至U 5碱 层,U 5碱层变更为新的首采层. 根据以往地质资料,P 1 2 8的原设计首采层为 U 5碱层, 钻进完V 1 2 8 B后经电测结果分析发现确 实存在U 5碱层 见图4 , 按原设计将套管下至U 5 碱层完井; 但是在施工完V 1 2 8 A后, 经电测结果分 析, 发现U 5碱层出现了尖灭缺失现象, 为实现正常 溶采, 通过分析与设计变更, 将套管下至U 4碱层, U 4碱层变更为新的首采层 参见图5 .首采层的 尖灭造成同一井组2个直井的套管下深层位不同, 从而导致水平井不能在同一矿层连通2个直井形成 溶采通道.从图2可以看出,2个井组均处在褶皱 带之间, 矿区边缘地层易产生尖灭的情况是造成此 问题的主要原因. 2.2 首采层呈V形变化 在矿区边缘, 出现了首采层呈V形变化的现 象, 例如P 0 5 3、P 0 5 4与P 1 2 8井组.此问题的典型 特征为 施工完设计井组中的2个直井后, 发现首采 63 探矿工程 岩土钻掘工程 2 0 2 0年8月 8 OG 85 8 8 8 8 P . 85 P G N //6 // 963 2KPP P9 2KPP PP . GHJ GHJ P P P . 8 8 8; 8 8 85 P P G N //6 // 963 2KPP P9 2KPP PP . GHJ GHJ P P P . 图4 垂直井V 1 2 8 B和V 1 2 8 A测井结果 F i g .4 G e o p h y s i c a l l o g g i n gr e s u l t s o fv e r t i c a lw e l l sV 1 2 8 Ba n dV 1 2 8 A 73 第4 7卷第8期 隆 东等 土耳其贝帕扎里矿区边缘对接井施工中的问题分析与处理 层在钻井连线剖面上倾角过大, 超出了水平井施工 能力. 经过分析与探讨, 理想的解决方案是将水平井 从西南侧更改到东北侧, 这样矿层便变为下倾, 为了 不影响采矿量, 在原设计落平点增加一口直井作为 新的第二靶井, 把原设计第二靶井变为落平点井, 利 用新布置的水平井连通3个靶井作为溶采通道.在 施工完落平点直井后却发现矿层并不像预料中一样 从原第二靶井到第一靶井延续到落平点井呈连续下 倾, 而是呈V形变化 见图5 .由于螺杆马达的造 斜率有限及顶角不能急剧变化, 水平井的水平段轨 迹在呈V形变化的碱层中钻进时, 不能始终保持在 碱层中行进, 易穿出矿层底板, 且出矿段位于V形 的底部, 极易造成溶采通道非矿段产生的不溶物积 聚, 导致溶采通道的堵塞.从图2可以发现, 三个井 组均处于矿区边缘褶皱带附近, 且P 0 5 3和P 0 5 4附 近有断层存在, 矿区边缘地层易产生较大起伏呈V 形变化的情况是造成此问题的主要原因. 9 P P 9 P P P P 9 由于矿层倾角大, 且出矿段在循环过程中会产生不 溶物, 不溶物由于重力作用, 易聚集在第二靶井底 部, 造成循环通道堵塞. 2.4 井口位置偏离连线 8 3 8 3 8 3 8 3 图6 首采层在矿区边缘等高线 单位m F i g .6 C o n t o u ro f t h ep r i m a r ym i n i n g l a y e ra t t h eb o u n d a r y o f t h em i n i n ga r e a 83 探矿工程 岩土钻掘工程 2 0 2 0年8月 矿区边缘地质条件复杂, 地表受其影响产生隆 起和下沉, 沟壑交错.当设计溶腔确定后, 各井组水 平井落平点位置及直井孔底位置也随之确定.通过 地形图及现场测量发现有些井口位置位于悬崖边或 其他复杂地形处, 无法布置井场.为了满足正常溶 采要求, 必须改变井口位置, 但改变井口位置后, 井 口位置偏离连线, 给水平井施工及直井施工带来困 难.当水平井井位偏离连线时, 需要在二开定向钻 进时纠正偏离的方位角, 使轨迹回到连线方向, 增大 了造斜率和工作量, 且井眼变得不规则, 增大了套管 下入难度; 当直井井位偏离连线时, 需要进行直井井 眼轨迹纠偏, 使井底钻达设计溶腔靶区, 增加了直井 的施工难度和成本. 3 问题的解决 3.1 针对首采层尖灭的处理方案 3.1.1 针对直井的处理方案 针对首采层尖灭的问题, 首先通过测井资料确 定新的首采层, 对直井的处理有3种方案 第一方案 放弃套管下入过深的靶井, 重新施工 一口直井, 将套管下入新的首采层完井作为新的靶 井; 第二方案 采用射孔技术在新的首采层段对套 管进行射孔, 暴露新的首采层; 第三方案 通过锻铣首采层段套管, 暴露新的首 采层. 第一方案理论上可行, 但损失较大, 成本太高; 第二方案简便可行, 但在当地不容易找到专业射孔 公司, 从国外引进成本太高.通过分析比较, 创新地 提出了第三方案, 引入了套管锻铣方法, 利用伽马测 井在套管内重新测定新的首采层的顶底板深度, 从 而确定锻铣的起始深度.下入锻铣器具对指定深度 段的套管进行锻铣.锻铣工具主要由上接头、 调压 总成、 活塞总成、 弹簧、 本体、 刀片总成、 限位扶正套 和下扶正短节等部件组成, 其工作原理如下 当套管 锻铣器下放到预定位置时, 先启动转盘后开泵, 此时 泥浆流经活塞上的喷嘴产生压力并推动活塞下行, 进而推动锻铣刀片外张, 最终切割套管.当套管切 断后, 锻铣刀片 简称铣刀 逐渐外张并达到最大限 定位置, 此时可加压进行套管锻铣施工.施工完成 后, 活塞在复位弹簧的作用下复位, 铣刀靠自重和外 力收回到刀槽内, 最后停转盘并进行起钻作业[ 3-6]. 完成锻铣指定段的套管后, 暴露出新的首采层, 然后 通过伽马和井径测井, 确定新的首采层成功暴露. 3.1.2 针对水平井的处理方案 暴露出新的首采层后, 需在其中连通2个靶井 建立溶采通道, 针对水平井分2种情况处理. 3.1.2.1 新的水平井 第一方案 当2个直井间矿层起伏不大, 水平井 还未施工, 则直接在设计水平井井位钻进水平井, 连 通2个靶井.此时需要注意的是, 矿区边缘的首采 层埋深与含水层底部 表层套管底部位置 距离过 小, 即造斜半径太小, 在施工时, 为了满足二开定向 钻进和安装套管的要求, 在一开钻进最后3 05 0m 提前定向钻进至设计深度, 使一开井底预先达到一 定井斜角, 为二开定向钻进达到设计要求做好铺垫, 保证二开结束时轨迹以正确姿态落入首采层, 从而 在三开顺利连通靶点. 第二方案 改变首采层后, 施工水平井三开时发 现2个直井间矿层起伏大, 且首采层厚度不足以满 足钻井轨迹的变化, 钻井轨迹频繁穿出矿层.此时, 需要再次改变首采层, 新的首采层须满足在不规则 起伏状态下, 钻井轨迹不穿出矿层 见图7 .此时, 需要首先通过套管锻铣开窗改造2个直井暴露出满 足条件的新首采层. MM QP “4D/P OGG ,JEF OG . CJ F“,OG NF 8EFK0. NL 其次, 原技术套管为A P I 1 7 7 8mm J 5 5套管, 开 窗并定向钻进到新的首采层后还需下入更小尺寸的 套管固井, 套管强度降低.通过分析比较, 第二方案 优于第一方案, 且更为简单快捷, 同时能保持原井身 结构和套管强度, 且保证溶采后期井身结构完整, 实 现长期稳定溶采. 3.2 针对首采层呈V形变化的处理方案 针对矿层呈V形变化的问题, 首先在原设计落 平点增加一口勘探井, 获取新增控制点的矿层数据, 进一步更新井组区域矿层的走向, 再将此井改造为 生产井.对此问题有3种情况和相应处理方案 第一方案 变更原首采层至更厚的储层作为新 的首采层.更厚的首采层能保证钻井轨迹在通过第 一靶井后增井斜过程中不易穿出矿层, 不易造成溶 采过程中通道堵塞.首先利用锻铣工具对直井生产 套管进行锻铣, 暴露出新选定的矿层作为首采层, 然 后利用定向钻进在新的首采层中连通落平点井和2 个靶井. 第二方案 对于原第一与第二靶井间矿层上倾 角度>1 0 的矿层, 在原主矿层连通落平点井和第一 靶井, 第二靶井采用单井循环溶采或者设计其作为 附近其他井组的靶井之一 见图8 . /399 P “JEF OG8 “4D/P 图8 处理原第一与第二靶井间矿层上倾角> 1 0 的V形首采层示意 F i g .8 D e s i g nf o r t h eV G s h a p e dp r i m a r ym i n i n g l a y e rw i t h t h ed i pa n g l eg r e a t e r t h a n1 0d e g r e e s 第三方案 对于原第一与第二靶井间矿层上倾 角度<1 0 的矿层采用侧钻分支井技术.石油钻井 进行侧钻通常有2种方式 水泥架桥侧钻和使用斜 向器侧钻[ 8].在这种情况下的分支井施工, 宜采用 水泥架桥侧钻分支方式, 利用侧钻分支井技术分别 连通V形首采层的2段 见图9 .首先采用定向钻 进连通第一靶井及第二靶井; 连通后将钻具上提至 设计分支点, 分支钻进连通落平点井并继续沿首采 层钻进连通第一靶井, 最后下入生产套管固井完井. 9 P P 9 P P 9 加上“ 慧磁” 中靶系统的使用, 保证了在 直井 无 建 槽 情 况 下 的 精 确 中 靶, 减 少 了 重 复 施 工[ 1 1-1 4], 降低了分支再出矿的风险, 提高了施工效 率, 降低了修井率. 3.4 针对井口位置偏离连线的处理方案 矿区边缘复杂的地质条件导致地表起伏变化, 使得设计井口位置需要变更的问题, 分为2种情况. 第一, 针对直井 勘探井 井位变化, 由于矿区边缘地 层条件复杂, 原设计第一靶井与第二靶井之间矿层 并不像地质模型软件预测的趋势, 而是起伏变化大, 需在2个靶井之间加布1口直井 勘探井 , 后期将 此井作为溶采生产井使用.溶腔设计限定了直井井 底位置, 此时由于地表受地质条件的影响, 无法正常 布置直井 勘探井 , 只能改变井口位置, 再使用定向 钻进计算软件, 计算出井口偏离井底的距离, 采用造 斜率小且平滑的轨迹, 设计出最佳造斜点, 采用定向 钻进使直井 勘探井 井底回到设计溶腔靶区. 第二, 水平井井位变化导致水平井偏离原设计 井组连线, 方位发生偏移.水平井分为三开次钻进, 一开直井段, 二开造斜段, 三开水平段.为了保证顺 利连通靶井, 必须保证钻进轨迹以正确的姿态, 即合 适的顶角和方位落入首采层中.一开直井段无法大 段造斜, 需在二开钻进过程中摆正钻进轨迹方位, 二 开造斜段主要任务是增井斜, 由于井位的偏移造成 方位偏移, 造斜段初期需使用大造斜率螺杆钻具, 在 满足增井斜的同时调整方位角回到连线方向, 从而 以正确的姿态落入首采层, 如P 0 5 6井组. 4 矿区边缘复杂地质条件下对接井施工技术措施 通过分析贝帕扎里矿区边缘复杂地质条件下对 接井施工过程中出现的异常问题, 并提出可行性解 决方案, 可以总结出在开采矿区边缘复杂地质条件 下的矿产时, 对接井施工的关键技术措施如下 1 结合已有数据及资料, 对问题进行正确分析 和判断, 将问题归类, 针对不同类型问题, 制定合适 的解决方案[ 1 5]; 2 引进已有成熟设备及技术, 如套管锻铣开 窗、 套管斜向器开窗等, 对老井进行改造, 在比较施 工难易程度及施工成本的基础上选用最合适的方 案, 建立新的长期稳定的溶采通道; 3 在地质条件复杂的矿区边缘区域, 增加勘探 井布井密度, 采集矿层数据, 结合地质模型软件, 及 时更新矿层模型, 指导对接井施工; 4 联合使用MWD、 方位伽马及“ 慧磁” 中靶系 统, 提前知晓伽马值变化及钻进轨迹前进趋势, 及时 调整钻进轨迹, 大幅度提高矿层钻遇率和采收率, 精 确连通靶点, 降低修井率; 5 采用定向钻进纠正井口位置偏移产生的方 位偏移, 使直井井底回归设计溶腔靶区, 使水平井在 二开调整好方位, 以正确的姿态落入首采层, 保证井 组顺利连通. 14 第4 7卷第8期 隆 东等 土耳其贝帕扎里矿区边缘对接井施工中的问题分析与处理 5 结语 土耳其贝帕扎里矿区边缘钻进施工过程中出现 的问题是可溶性矿产矿区边缘钻井施工中的典型问 题, 针对不同问题提出的解决方案以及总结出的矿 区边缘复杂地质条件下对接井施工技术措施, 能对 土耳其工程后期施工及世界上其他地方类似的可溶 性矿产开采工程的井位布置、 溶腔设计、 钻井施工及 开采提供技术参考, 能大幅提高施工效率及采矿生 产效率, 降低修井率, 能为施工方及业主节约大量成 本. 参考文献R e f e r e n c e s [1] 隆东, 林修阔, 王升, 等.多靶点长距离水平对接连通井施工工 艺[J].探矿工程 岩土钻掘工程 , 2 0 1 6,4 39 5 6-6 0. 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