土耳其卡赞天然碱矿溶采对接井质量控制措施.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 ５ D O I１ ０．１ ２ １ ４ ３/ j ． t k g c ．２ ０ ２ ０．０ ８．０ １ ３ 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 张正元, 男, 汉族,１ ９ ８ ７年生, 资源勘查工程专业, 主要从事定向钻探技术管理工作, 河北省廊坊市金光道７ ７号, ５ ２ ９ ６ ４ １ ６ ２ ４＠q q ． c o m. 引用格式 张正元, 涂运中, 刘海翔, 等．土耳其卡赞天然碱矿溶采对接井质量控制措施[J]．探矿工程 岩土钻掘工程 ,２ ０ ２ ０,４ ７８ ７ ７－８ ４． Z HAN GZ h e n g y u a n,TUY u n z h o n g,L I U H a i x i a n g,e t a l ． Q u a l i t yc o n t r o lm e a s u r e m e n t s f o rs o l u t i o nm i n i n gw i t hi n t e r s e c t e dw e l l s e t so fK a z a nT 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 k２．辽宁省东煤地质１ ０ ３队有限责任公司, 辽宁 辽阳１ １ １ ０ ０ ０ 摘要 土耳其卡赞天然碱矿水溶采卤对接井施工项目技术规范中对工程质量的要求非常严格.由于矿区地质构造 复杂、 地层倾角大、 含水层多等原因, 易出现直井易斜、 岩心采取率低、 固井质量差, 水平对接井轨迹控制难等问题. 针对这些问题, 在前期施工经验的基础上, 通过调查研究、 方案优选等手段, 分别提出了针对性的措施, 有效地解决 了这些钻井难题, 优化了钻井工艺, 从而保证了施工质量, 加快了施工进度.该项目钻井质量控制成果对于今后类 似工程的施工具有一定的借鉴意义. 关键词 天然碱矿; 水溶开采; 水平对接井; 井斜控制; 固井质量; 岩心采取率; 土耳其卡赞碱矿 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 ７ ７－０ ８ Q u a l i t yc o n t r o lm e a s u r e m e n t s f o r s o l u t i o nm i n i n gw i t h i n t e r s e c t e dw e l l s e t so fK a z a nT r o n aM i n e i nT u r k e y Z HANGZ h e n g y u a n １, TUY u n z h o n g １, L I U H a i x i a n g １, L I UG u a n g １,WANG W a n２ １．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; ２．L i a o n i n gN o r t h e a s tC o a l f i e l dG e o l o g y１ ０ ３T e a mC o． ,L t d．,L i a o y a n gL i a o n i n g１ １ １ ０ ０ ０,C h i n a A b s t r a c tT h er e q u i r e m e n to nt h eq u a l i t yc o n t r o li nt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n si sv e r ys t r i c tf o rd r i l l i n go ft h 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 sa tK a z a nT r o n aM i n e ． T h ev e r t i c a lw e l l sw e r ee a s i l yd e v i a t e d,w i t hl o wc o r e r e c o v e r ya n dp o o rc e m e n tb o n d i n gd u e t o t h e c o m p l e xg e o l o g y,t h eh i g hd i pa n g l eo f t h e f o r m a t i o n,a n dp r e s e n c eo f s e v e r a l a q u i f e r s;m e a n w h i l e,f o r t h eh o r i z o n t a lw e l l,i tw a sv e r yd i f f i c u l t t oc o n t r o l t h e t r a j e c t o r y ． A f t e r a t h o r o u g h a n a l y s i so fd a t ao b t a i n e df r o mp r e v i o u s l yd r i l l e dw e l l sa n das t u d yo fr e l a t e di s s u e sa n do p t i m i z a t i o no fs o l u t i o n s, s e v e r a lm e a s u r e m e n t s w e r ep u tf o r w a r da n da p p l i e d ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a ta l lt h ed r i l l i n gp r o b l e m s w e r e e f f e c t i v e l ys o l v e d,t h ed r i l l i n gp r o c e s sw a si m p r o v e d,a n dt h ec o n s t r u c t i o np e r i o d w a sr e d u c e d ． T h ee x p e r i e n c e a c q u i r e df r o mt h ep r o j e c t c o u l db eu s e da sr e f e r e n c e f o r t h es i m i l a rw o r k 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;d e v i a t i o nc o n t r o lo fv e r t i c a lw e l l;c e m e n tb o n d i n g;c o r e r e c o v e r y;K a z a nT r o n aM i n e i nT u r k e y １ 项目概况及钻井质量要求 土耳其卡赞天然碱矿位于土耳其首都安卡拉市 西北３ ５k m处I n c i r l i k村与F e t h i y e村之间.矿区 属低山地形, 矿区内大部分为荒岗、 荒坡, 植被较少. 矿区属安纳托利亚气候区, 夏季炎热干燥, 冬季阴冷 多雨.前期勘探调查结果表明, 该碱矿从上至下分 布了１ ２层碱矿, 其中在B e d ３矿层１ ０m等厚线以 内范围内, 包括相邻的B e d ４和B e d ５矿层, 天然碱 资源蕴藏丰富, 具有商业开发利用价值.碱矿业主 经过充分调研, 选择厚度最大的B e d ３作为主采层, 兼采相邻的具有较高品位的B e d ４和B e d ５碱层, 利 用钻井水溶法进行采矿.钻井水溶采矿法通过定向 钻探施工水平对接井组, 其中每个井组含２口垂直 井和１口水平井, 形成一个地下采矿通道.通过管 线注入热水溶解地下矿藏, 从另一口井返出卤水, 从 而实现钻井水溶开采.该方法具有节约土地、 污染 少、 开采成本低等优点, 适用于埋藏较深的水溶性矿 藏, 已在我国河南吴城、 安棚, 土耳其贝帕扎里等一 系列工程中得到了成功应用[ １－５].土耳其卡赞碱矿 共规划７期进行开发, 中国地质科学院勘探技术研 究所作为钻探项目的总承包单位, 已完成了一期至 三期的１ ０ ０余组对接井组的施工任务, 并即将开始 四期工程的施工. 该工程中部分垂直井为探采结合井, 为取全取 准地质资料, 结合后期可能下入潜水泵抽吸卤水的 需要, 同时出于提高矿藏的回采率, 保证井组开采年 限的考虑, 项目技术规范中对垂直井和水平井的施 工质量提出了很高的要求. 对于 直 井, 每１ ０ ０ m井 斜 增 加 值 不 得 超 过 ０ 􀆱 ７ ５ , 井底最大偏移距离必须处于以井口为圆心、 半径６m的靶圈范围内.对于水平井, 根据矿层倾 角的不同, 允许钻井轨迹在垂直方向上处于B e d ３ 矿层底板以上１ 􀆱 ０１ 􀆱 ８m, 允许偏差０ 􀆱 ５m; 在水 平方向上, 允许偏离落平点与第二靶点连线５ 􀆱 ０ m.在岩心采取率方面, 非矿层段不得低于８ ５％, 矿层 段 不 得 低 于９ ０％, 且 单 回 次 进 尺 不 得 低 于 ８ ５％, 否则为不合格.在固井方面, 通过C B L/V D L 电测井检查固井质量, 要求低声幅井段长度不低于 井深的８ ５％, 表层套管能完全封隔深部含水层, 技 术套管下到B e d ３顶板下０ 􀆱 ５１ 􀆱 ０m, 注井时井口 不得有涌水. ２ 前期施工中出现的质量问题 由于矿区地质构造复杂, 地层倾角大, 断层、 含 水层发育等方面的原因, 易出现直井自然造斜, 取心 质量、 固井质量较差, 水平对接井轨迹控制难等问 题. ２．１ 地层软硬互层多, 倾角大, 直井易井斜 卡赞矿区内主要有新近纪和始新世２个沉积年 代的地层, 其中新近系N e o g e n e地层可分为河流碎 屑岩和新近系湖相碎屑岩.始新世地层可划分为 A k p i n a r、S a r i k a y a、F e t h i y e、A s m a l i d e r e与I n c i r l i k 地层.天然碱矿矿体赋存于始新统下层的I n c i r l i k 地层中, 平均埋深６ ０ ０７ ０ ０m.表１所示为V １ ４ ０ １ A井岩性描述, 从中可看出, 深度０２ ５ ０m范围 内, 存在大量的粘土岩、 泥岩与硬质泥灰岩互层, F e t h i y e地层以硬质泥灰岩为主,A s m a l i d e r e地层 则为较软的棕色白云质泥岩为主, 目的层所在的I n Ｇ c i r l i k地层则为白云质泥岩、 油页岩与碱的不等厚互 层.此外, 矿区矿层的三维地质模型表明, 矿层普遍 具有较大倾角, 其中B e d ３碱层底板等高线图显示, 其平均地层倾角达到１ ０ １ ６ . 表１ 卡赞碱矿V １ ４ ０ １ A井岩性描述 T a b l e１ L i t h o l o g i c a l d e s c r i p t i o no fB o r e h o l eV １ ４ ０ １ A a tK a z a nT r o n aM i n e 地层 深度/ m 层厚/ m 岩 性 描 述 N e o g e n e０１ １ ３ １ １ ３黄棕色泥岩, 绿色泥灰岩, 棕绿色粘土 岩与泥岩互层 A k p i n a r１ １ ３２ ３ ０１ １ ７淡绿、 棕绿色粘土岩与泥岩互层, 底部 含少量泥灰岩 S a r i k a y a２ ３ ０２ ５ ７ ２ ７浅灰、 棕灰色粘土岩与泥岩互层 F e t h i y e２ ５ ７４ ２ ５１ ６ ８深绿、 绿、 棕绿色泥灰岩 A s m a l i d e r e４ ２ ５５ １ ０ ８ ５棕色白云质泥岩, 底部为碎屑岩楔 I n c i r l i k５ １ ０ 上部棕色白云质泥岩、 深棕色黑色油 页岩互层, 下部白云质泥岩、 油页岩、 碱互层和B e d １ ０、Y、X、３、２、１等碱层 钻遇地层频繁的软硬交错和较大的地层倾角使 地层具有较强的自然致斜特性.如图１所示为一期 工程４口垂直井一开完钻时通过电测井获得的井斜 数据, 从中可看出, 从开孔到１ ５ ０m区间, 井斜均保 持在１ 以内, 而从１ ５ ０m开始, 井斜角有迅速增大 的趋势.对于一开深度为３ ５ ０m左右的V ０ ４ ４ B和 V ０ ５ ３ １ B井, 井斜角达到４ ５ , 而当一开设计深 度为４ ５ ０m左右时, 井斜角高达５ 以上.若不采取 防斜、 纠斜措施, 当二开结束时, 井底偏移距离将达 到２ ５３ ０m.而根据卡赞碱矿项目技术规范要求, 每１ ０ ０m井斜增加值不得超过０ 􀆱 ７ ５ , 井底最大偏 移距离必须处于以井口为圆心、 半径６m的靶圈范 围内.如井斜超标时, 业主要求必须用水泥封孔, 候 凝后分支重钻.据统计, 因施工经验不足, 未采取防           e  9 9 9 9 P 图１ 一期工程４口直井一开井斜数据 F i g ．１ I n c l i n a t i o nd a t ao f t h e f i r s t s e c t i o n s o f ４v e r t i c a lw e l l s o nP h a s e IP r o j e c t ８７ 探矿工程 岩土钻掘工程 ２ ０ ２ ０年８月 斜措施和盲目抢工期等原因, 一期项目前期共出现 ５井次因井斜超标导致填井侧钻.为避免这种情况 的发生, 在一开施工过程中, 需要频繁起钻测井斜. 若发现井斜有偏大趋势时, 必须下入带弯螺杆的纠 斜钻具进行定向纠斜作业.纠斜完成后, 再下入一 开口径钻头带MWD仪器和弯螺杆进行扩孔, 并进 行反复划眼修复井壁, 控制“ 狗腿” 度大小. 综上所述, 矿区地层较强的自然致斜特性极大 增加了钻井、 测井和定向人员的工作量, 影响了钻井 周期.当出现井斜超标时, 填井侧钻还会增加材料 损耗. ２．２ 取心作业时间长, 岩心采取率低 施工技术规范要求, 直井二开钻进时, 先使用 ２ １ ５ 􀆱 ９mm钻头钻进至第一个碱层以上约１ ０m 处, 起钻换取心钻具进行取心作业.取心钻头外径 为１ ４ ０mm, 内径１ １ ８mm.在项目初期, 所有钻机 均使用双管双动取心管、 通过停泵不停转烧结方式 提断岩心的取心工艺.此工艺要求司钻具有非常丰 富的操作经验, 能精确控制钻压及烧结时间.若钻 压控制不当时或烧结时间不足时易出现丢心, 加之 矿区断层、 裂缝等地质构造较发育, 岩心完整性差 见图２ , 导致岩心采取率不达标.而当钻头因烧 结过度导致损坏时, 则会影响岩心出心操作, 有时需 要数小时才能取出岩心, 且会造成部分岩心损坏. 因天然碱具有较好的溶解度, 当取心钻进速度较慢 时, 岩心在泥浆中浸泡时间过长, 导致缩径, 也会增 加丢心的风险. 图２ 直井岩心样品 F i g ．２ C o r e s a m p l e s o b t a i n e df r o mav e r t i c a lw e l l 在一期项目施工中, 为加快施工进度, 经与业主 商议, 在同一个井组的２口直井中, 如果其中一口井 的取心质量达标, 另外一口井可不取心直接钻进. 然而, 由于取心质量难以保证, 项目前期多数井组不 得不在２口井都进行取心作业.根据施工统计, 一 期工程平均取心长度９ ５ 􀆱 ７ ０m, 而工程前期施工的 １ ８口井, 平均取心钻井时间为１ １ 􀆱 ７d, 其中V ０ ２ ２ B 井取心时间长达２ ７ 􀆱 ０d, 平均岩心采取率８ ７ 􀆱 ５ ０％. ２．３ 地下含水层发育, 地层强度低、 断层多, 固井质 量差 通过收集矿区的水文地质资料, 结合钻井过程 中进行的简易水文观测数据可知, 在矿区从表层到 I n c i r l i k地层上部, 分别分布有３个独立的地下含水 层, 包括浅层弱含水层、 中部含水层、 深部含水层, 分 布深度为１ ０ ０５ ０ ０m.矿区所有直井均为二开制, 其中一开井径为３ １ １ 􀆱 ２mm, 钻进至深部含水层以 下３ ５３ ０m, 然后下入 ２ ４ ４ 􀆱 ５mm套管固井以封 隔含水层.二开井径为２ １ ５ 􀆱 ９mm, 钻进至B e d ３层 以下１ ５m完钻, 下 １ ３ ９ 􀆱 ７mm套管至B e d ３层顶 板下０ 􀆱 ５１ 􀆱 ０m处固井.根据合同要求, 表层套 管和技术套管固井时均要求水泥浆返至地表, 且水 泥浆密度≮１ 􀆱 ８ ０g/c m ３.然而, 在一期工程前期实 际固井过程中, 因为含水层的影响, 以及I n c i r l i k地 层中断层发育, 且碱层强度低等原因, 地层漏失、 水 泥浆被水层污染等情况非常普遍, 声幅和变密度测 井资料显示第一和第二交界面固井质量均不理想, 因井漏水泥浆无法返至地表, 或仅有少量薄浆返出, 固井质量达不到合同要求.固井质量与井组的使用 年限直接相关, 必须采取有效措施解决固井质量差 的问题. ２．４ 矿层品位低、 倾角大, 地质构造多, 水平井轨迹 控制难 通过前期勘探和三维地震勘探, 前人对矿区的 地质构造进行了研究.研究发现, 矿区所在的卡赞 盆地褶皱结构非常发育, ２个沿N E－SW方向延伸 的主背斜结构把整个盆地分为东、 西２个部分, 在新 进系地层发育的N ４ ０ －４ ５ E方向的褶皱也在这一 区域普遍发育.在始新统和中新统地层中普遍发育 单斜构造, 在盆地两侧边缘的侧翼均有发现.在矿 区范围内有４ ０多条褶皱, 其中大多数相互平行, 主 要为N E－SW走向, 其长度从数百米到数千米不 等.断层也是卡赞盆地一种非常常见的地质构造, 存在几个逆走滑断层和正断层, 有N E－SW方向, 也有NW－S E方向.在始新统和新近系地层中还 普遍发育断裂构造, 一般成对出现, 走向为N ４ ５ － ５ ０ W和N ６ ０ －６ ６ E [６－７].前期勘探资料显示, 矿 ９７ 第４ ７卷第８期 张正元等 土耳其卡赞天然碱矿溶采对接井质量控制措施 区B e d ３矿层１ ０m等厚线范围内碱层平均厚度为 １ ７ 􀆱 ０ ４m, 平均品位仅为３ ７ 􀆱 ０ ８％.B e d ３碱层从上 到下, 可划分为C、B、A３个亚层, 每个亚层之间均 为不可溶的油页岩与泥岩的不等厚互层, 每个碱层 内部也含有大量杂质, 如果井眼轨迹控制不当, 在采 卤生产时易发生堵井, 导致生产中断甚至是井组报 废. 本工程主要有A、B两种类型的“１水平＋２垂 直” 溶采对接井组, 如图３所示[ ８].其中 A型井组 适用于２口垂直井距离＜１ ５ ０m的情况, 水平井三 开落平点即为与第一口靶井连通点, 在连通２口直 井后, 在水平井二开与三开的变径处下入水泥塞进 行固井, 水泥浆返浆至水平井表层套管内, 水平井仅 起连通作用.B型井组适用于２口垂直井距离＞ １ ５ ０m的情况, 水平井在进入矿层底部时落平, 下入 技术套管进行固井, 候凝完成后再依次连通２口靶 井, B型井组的水平井成为注采通道的一部分. HG “ 1M 针 对强度较低地层, 可在固井前进行承压堵漏作业, 提 高地层强度.后续区块可能出现地下含水层或溶腔 紊乱造成的井漏问题, 可考虑采用空间网架堵漏材 料进行封堵.此外, 还可引入低密度水泥浆体系, 以 确保低强度地层具有足够的水泥浆返高. ４ 通过不断更新地质模型, 观察随钻伽马数据 和地质录井及采用“ 慧磁” 导向中靶系统等手段, 有 效解决了水平井轨迹控制难的问题.后续针对薄层 碱矿易出矿的问题, 可考虑使用方位伽马等工具, 更 好地预知钻头的位置, 以便能更迅速地调整井眼轨 迹, 保证对接井组的遇矿率, 延长井组使用年限. 参考文献R e f e r e n c e s [１] 董正亮, 刘加杰, 王鹏, 等．国内井矿盐钻井技术新进展[J]．探 矿工程 岩土钻掘工程 ,２ ０ １ ９,４ ６８ ６ ７－７ ２． D ON GZ h e n g l i a n g,L I UJ i a j i e,WAN GP e n g,e t a l ． A d v a n c e s i nd r i l l i n gt e c h n o l o g yf o rb o r e h o l es a l tm i n i n g[J]． E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n gR o c k S o i lD r i l l i n ga n dT u n n e l i n g ,２ ０ １ ９, ４ ６ ８ ６ ７－７ ２． [２] 尹邦勇, 王鹏．吴城天然碱矿水平分支对接井钻井施工难点与 对策[J]．中国井矿盐, ２ ０ １ ９,５ ０１ ２ ８－３ ２． Y I NB a n g y o n g,WAN GP e n g ． D i f f i c u l t i e sa n dm e a s u r e m e n t s o nh o r i z o n t a l i n t e r s e c t e dw e l l c o n s t r u c t i o no fW u c h e n gT r o n a M i n e[J]． C h i n aW e l l a n dR o c kS a l t,２ ０ １ ９,５ ０１ ２ ８－３ ２． [３] 向军文, 胡汉月, 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