王公远，王念理，王成贵

（1.青州市抗旱服务站，山东青州262600；2.青州市水利局，山东青州262600）

ZJ15石油钻机是山东荣利中石油机械有限公司生产的小型石油钻机，钻井深度1500～2000m。为了满足钻凿大直径深水井和地热井的需要，我们对该钻机进行了减配、改装。2012年以来，改装后的ZJ15石油钻机在玄武岩地区钻凿孔深500～900m的大直径深水井28眼，无论在钻凿深度、钻进速度、成井效率、成井质量及安全性方面和水源系列钻机相比都具有明显的优势。

以887m井（CHANGCHO-1井）为例，说明改装ZJ15石油钻机在玄武岩地区大口径深水井施工中的应用效果。

1 工程概况

埃塞俄比亚水委会为了解决首都居民的供水问题，在城郊东部海拔2700m的高原地区规划设计了2眼800m的大口径水文地质勘察井，主要目的是探明该地区的地层和地下水赋存情况，为水源地的供水井设计提供依据，同时在出水量较大时作为水源地的生产井使用。

1.1 地层情况

钻孔（CHANCHO-1井）揭露的地层为3个喷发旋回的玄武岩建造。0～16m为粘土和残坡积的碎石土层，碎石为玄武岩碎石。16～152m中等风化玄武岩和微风化玄武岩。152～154.5m红色粘土和玄武岩砾石层，154.5～281m为强风化至微风化的玄武岩地层。281～282m玄武岩砾、卵石地层，砾卵石间充填褐色粘土。282～821m为中风化玄武岩和微风化致密块状玄武岩。821～830m为强风化玄武岩和砂砾石地层，砾石成分为玄武岩，从电测井结果和砂样分析，本段为主要含水层。830～887m强风化至中风化玄武岩地层。

1.2 钻孔结构

覆盖层0～26m钻孔直径Ø660mm，下Ø550mm表套护壁；26～265m钻孔直径Ø450mm，下Ø325mm套管；265～506m钻孔直径Ø311mm,下Ø219mm套管；506～887m钻孔直径Ø220mm，下Ø168mm套管。

2 施工设备

为了满足业主对施工工期和施工质量的要求，我们选用了改装ZJ15石油钻机及相应的配套设备。

改装ZJ15石油钻机，钻台高度1.2m，井架主体结构为k型，钻塔有效高度34m，二层台高度17.5m，立根容量为(Ø127mm钻杆，19m立根)2000m。

配套YG-90游车大钩，大钩钩载90t；XSL-110水龙头，中心管通径Ø63.5mm，最高工作压力35MPa；ZP275转盘总成，最大静负荷4500kN，最大扭矩28kN·m。

配套Ø127mm钻杆,7吋和6.25吋钻铤，指重表、传感器等附件，3NB-1000泥浆泵,PZ12V190B（880kW）柴油机和6135（120kW）柴油机，75kW节能发电机组。

配套26吋（Ø660mm）钢齿三牙轮钻头，22吋（Ø560mm）17.5吋（Ø445mm）镶齿牙轮组合钻头，12.25吋（Ø311mm）和8.5吋（Ø216mm）镶齿三牙轮钻头和PDC钻头。

配备寿力螺杆空压机（型号：PDSJ750S-4B1），国产10MPa增压机（型号：SF-1.3/17-100）。

配备物探测井设备：JGS-1B测井仪及自然电位、电阻率、自然γ探头。

配备抽水设备ZL250QJ360-150/220kW、ZL250QJ180-150/125kW、200QJ32-150/13kW、150QJ32-230/70kW潜水泵和砂浆泵等相关设备。

配备25t吊车、自备吊卡车、翻斗车、装载机等。

3 钻井工艺

3.1 钻具组合结构

从下至上，牙轮钻头（或牙轮组合钻头）+塔式钻铤组合和扶正器+Ø127mm钻杆+方钻杆，塔式钻铤为7吋2根+6.25吋钻铤8根，钻铤总长72m。

3.2 钻进参数

钻头选用镶齿三牙轮钻头或牙轮组合钻头。采用泥浆护壁，正循环牙轮钻进。钻压选择配重钻铤总重量的60%～80%，即60～80kN。转速60～100r/min，泵量1800～2400L/min。在地层由软变硬的情况下,特别要轻压慢转,进尺慢时不要盲目加压,以防造成孔斜。

3.3 冲洗液

采用优质低固相泥浆作为钻井冲洗液，进行冲孔排渣和护壁。覆盖层采用地层自然造浆，将泥浆密度控制在1.05～1.1g/cm3，粘度23～25s之间。安装并固定好表套之后、钻进玄武岩地层时，将泥浆密度控制在1.10～1.2g/cm3之间，粘度30s以上，当钻进渗漏地层时，根据具体情况适当提高泥浆的粘度。

3.4 改装ZJ15石油钻机和水源（2000）系列钻机对比

改装ZJ15石油钻机和水源（2000）系列钻机对比，钻井速度快，质量好。

从表1可以看出，类似地质条件和相同井身结构的情况下，改装ZJ15石油钻机比水源2000型钻机的钻进速度优势明显。

表1 相同口经、类似地质条件下钻进速度比较（m/h)

（1）ZJ15石油钻机使用了Ø127mm钻杆+7吋和6.25吋钻铤8根，钻铤总重量超过了10t，大钻压下，牙轮钻头破岩能力显著增强，钻进速度明细提高。

（2）改装钻机的提升能力900kN，配套ZP275转盘的扭矩28kN·m,使22吋和17.5吋牙轮组合钻头高钻压、大扭矩钻进成为可能。

（3）3NB-1000泥浆泵在使用170mm缸套、活塞，中转速的工况下，泵压可以达到16.4MPa，排量可以达到2230L/min，高泵压和大排量保障了破碎岩屑的快速排出，使钻进效率进一步提高。

4 成井工艺

4.1 物探测井

钻探终孔提钻后，立即进行物探测井。测试视电阻率、自然电位、自然伽马3项参数，通过对电测曲线和砂样的对比分析，准确判明地层的岩性及含水层位置。

4.2 井壁管的安装

所有规格的套管都在终孔测井后一次性下入，滤水管的位置和数量按照测井数据和砂样分析结果确定。

按照测井判明的地层和含水层位置，确定滤水管的位置和数量，做好排管设计方案。采用一次提吊下管法下管，大小管之间用变径接头连接。上部200m下Ø377mm×9mm钢套管，下部300m下Ø219mm×7mm的钢套管，滤水管采用同规格钢套管割逢，缝宽2～2.5mm，孔隙率大于10%。

4.3 观察管的安装

水位观察管以直线的方式安装在套管的外侧，观察管选用1.2吋的镀锌钢管。底部开槽部分用弓形钜切割，观察管底端封闭。观察管的安装深度为180m。

4.4 冲孔、填砾

下管结束后,下钻杆至井底,用泥浆泵向井内注入轻质泥浆，把孔内稠泥浆排出，等孔内轻质泥浆循环均匀后填砾。填砾采用动水填砾法进行填砾，即边填砾边循环的办法。滤料采用Ø9mm～Ø12mm的玄武岩砾石，填砾过程必须严格按操作规程进行，严防中途砾石搭桥。

4.5 洗井

为了更好地清除钻孔井壁上的泥皮，减少水井沉淀物的数量，增加井的出水量，洗井按以下步骤进行。

（1）用钻杆连接专用喷头使用泥浆泵在筛管位置注入多磷酸盐溶液，等待24h。

（2）在所有筛管部分进行活塞洗井。

（3）使用空压机和增压机分段进行压缩空气洗井，直至洗清为止。

（4）用空压机、2吋高压胶管和钻杆实施气举法排出井底沉砂。

4.6 改装ZJ15石油钻机成井速度快、质量高、安全性强

（1）改装ZJ15石油钻机和水源2000型钻机相比，钻塔有效高度达到34m，提升能了达到90t，887m套管采用一次提吊下管法，大大缩短了下管时间,保障了下管过程的安全。两钻机参数对比见表2。

表2 钻机主要参数

（2）改装ZJ15石油钻机在钻具结构上，使用大组合塔式钻铤和扶正器，钻铤总重量超过了10t，不仅提高了钻进速度，还保障了钻孔的垂直度，提高了成孔质量。

（3）钻塔有效高度34m，2层台17.5m，立根钻杆长度19m，且稳定性好，上、下钻和接杆等附属工作时间明显缩短。

（4）改装ZJ15石油钻机配套了螺杆空压机和10MPa增压机组合，使压缩空气洗井一次性洗到井底（887m），极大地缩短了洗井时间。增压机的使用改变了之前300m以下只能使用繁琐的双管（气举反循环）洗井的局限，特别是800m以下含水层使用压缩空气洗井成为可能。增压机洗井速度快，洗井更加彻底，洗井质量明显提高。

5 抽水试验、封井和井口建造

5.1 抽水试验

根据钻井和洗井的情况，选用相应型号的潜水电泵做初步抽水，初步抽水试验显示水井有足够的出水量时，对水井进行抽水试验。抽水试验包括间歇抽水、持续抽水及水位恢复，按照抽水试验的要求记录水位、流量，导电率、温度，绘制Q-T、Q-S曲线，编制抽水试验报告。

5.2 封井和井口建造

抽水试验完毕后用粘土将套管外没有填满砾石的环空填满夯实。然后用C25混凝土在井口上建长宽高都是1m的混凝土井台，并将井口用铁板焊牢。

6 结论

改装ZJ15石油钻机和水源（2000）系列钻机相比，钻井速度快、质量好，成井效率高，并且在安全性方面也有明显优势。

（1）改装ZJ15石油钻机大提升能力达900kN，使用Ø127mm钻杆和钻铤组合，钻铤总重量超过了10t，高钻压钻进使牙轮钻头破岩能力显著增强，钻进速度明显提高。

（2）改装ZL15石油钻机配套ZP275转盘的最大扭矩达28kN·m，最大静负荷4500kN，使大口径牙轮组合钻头的高钻压钻进得到保障。

（3）3NB-1000泥浆泵在使用170mm缸套、活塞，中转速的工况下，泵压可以达到16.4MPa，排量可以达到2230L/min，高泵压和大排量保障了破碎岩屑的快速排出，使钻进效率进一步提高。

（4）改装ZJ15石油钻机和水源系列型钻机相比，钻塔有效高度达到34m，提升能力达到900kN，二层台17.5m，立根钻杆长度19m，且稳定性好，不仅使上、下钻和接杆等附属工作时间明显缩短，还保障了（887m）套管一次提吊安放，大大缩短了下管时间,保障了下管过程的安全。

（5）改装ZJ15石油钻机在钻具结构上，使用大组合塔式钻铤和扶正器，不仅提高了钻进速度，也保障了钻孔的垂直度和成孔质量。

（6）改装ZK15石油钻机配备了螺杆空压机和10MPa增压机，使压缩空气洗井一次性洗到井底（887m），极大地缩短了洗井时间。增压机的使用还改变了之前300m以下只能使用繁琐的双管（气举反循环）洗井的局限，特别是800m以下含水层使用压缩空气洗井成为可能。增压机洗井速度快，洗井更加彻底，洗井质量明显提高。

（7）改装ZL15石油钻机体积、重量大，调遣费用高，配套动力大，运行成本高，还有待进一步改进提高。