摘要
罗布泊盐湖深部钾盐科学钻探2号井（LDK02孔）完井深度为1200 m，是罗布泊盐湖区第一口深部钾盐参数井。通过对松散层取心、高矿化度卤水钻井液、闭合定深取样技术的成功应用，解决了卵砾石层及砂层取心、粘土层井段易缩径卡钻，钻井液盐浸井壁掉块不稳定、坍塌等恶性孔内事故。同径止水工艺简化了钻孔结构；定深取样技术保持水样原组分相对稳定，对研究本区不同深度富钾卤水分布及时空演变奠定了基础。
罗布泊深部钾盐科学钻探工程2号井（LDK02孔）设计井深1200 m。该井是国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司实施的“罗布泊盐湖重点区深部钾盐资源调查研究”项目的组成部分，2009年在罗布泊罗北凹地西北部实施了盐湖深部钾盐找矿1号井（LDK01孔
该井以探采结合的钻井方式，通过应用环保型卤水聚合物钻井液、对取心器和取心钻头的优化改进、同径止水和分层抽水、定深取样技术等，解决了卵砾石层及砂层取心、粘土层井段易缩径卡钻的问题，完钻井深1200 m，是目前罗布泊盐湖区第一口深部钾盐参数井。
罗布泊地区在大地构造位置上位于塔里木地块、东天山褶皱带和北山褶皱带的交汇处，该区构造运动极为强烈，构造较为复杂，区内所分布的断裂主要有：孔雀河断裂、塞斯克断裂、疏勒河断裂、罗布泊南岸断裂及罗布泊东岸断裂等，2号井工作区位于北山褶皱带的中部南端—罗北凹地北部。施工现场见
图1 科学钻探2号井现场
罗布泊地区地表大部分被第四系所覆盖，2号井钻遇的地层主要为第四系松散层，岩性特征如下：
0~200 m井段：表层为灰白色芒硝夹薄层粉砂，有孔洞发育，孔洞内结晶多面体盐块；其下部为呈互层状产出的粘土、芒硝、粘土质芒硝，局部含粉砂、石膏薄层。
200~500 m井段：上部为呈互层状产出的石膏质粘土、粘土，局部夹粘土质芒硝和中砂，下部由各粒级砂、细砾、粘土呈互层状组成，底部细砾中富含石膏成分。
500~800 m井段：由各粒级砂、细砾及粘土呈互层状组成，上部中粗砂含石膏或暗色矿物成分。
800~1200 m井段：由各粒级砂、砾呈互层状组成，上部粘土较发育。
（1）2号井所钻遇的地层主要为第四系松散层，在砂、砾层井段时易坍塌埋钻、在粘土层、石膏层井段时易缩径卡钻，钻探施工井壁条件极不稳定、极易引发井内事故。2009年施工的1号井钻进至486 m处，钻具卡埋，事故处理难度大，钻井移位重新施工，取心钻进至600 m，井内沉砂较多，加之缩径、坍塌、沉砂等一直难以排除，无法继续施工，钻至781.50 m完钻。
（2）受地理位置限制，现场使用卤水配制钻井液，对钻井液处理剂性能影响较大，导致配制的钻井液胶体稳定性差、易沉淀分层、不能有效悬浮和携带岩粉。
（3）可参考的1号井完钻深度只有700多米，深部地层情况不可预知。
本井要求全井取心钻进，同时要完成4个层段的抽水试验。按照减少施工复杂程度的原则，设计采用Ø133 mm口径分段取心钻进、分级扩孔、下入套管（含滤水管）护壁、逐层进行抽水试验的工作程序，工程竣工后加装井口装置，留作水文长期观测井。2号井成井结构如
图2 成井结构示意
一开扩孔：0~501 m，井径Ø444.5 mm，下入Ø339.72 mm×9.65 mm（J55）技术套管（含滤水管）。
二开扩孔：501~803 m，井径Ø311.2 mm，0~803 m下入Ø244.48 mm×8.94 mm（J55）技术套管（含滤水管）。
三开扩孔：803~1200 m，井径Ø215.9 mm，499.4~1200 m下入Ø177.8 mm×8.05 mm（J55）技术套管（含滤水管），Ø177.8 mm×10.36 mm（N80）技术套管。
根据本井钻探施工具体工作任务及钻机提升能力要求，选用TSJ2000/660型钻机，其配套主要设备情况见
| 设备名称 | 型号 | 规格 | 数量 | 备注 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 钻机 | TSJ-2000 | 2000 m | 1台 | ||
| 井架 | A27-90 | 27 m/70 T | 1套 | ||
|
循环 系统 | 泥浆泵 | NBB260/7 | 260 L/min | 2台 | 取心用 |
| TBW1200/7B | 1200 L/min | 1台 | 扩孔用 | ||
|
动力 系统 | 电动机 | Y280M-4 | 90 kW | 3台 | 含备用 |
| Y315-6 | 185 kW | 1台 | |||
|
发电 机组 | 发电机 | 360GFZ | 360 kW | 1台 | |
| 220GFZ | 220 kW | 1台 | 备用 | ||
| 50GF | 50 kW | 1台 | 生活区 | ||
|
固控 系统 | 除砂器 |
泥浆旋流 除砂器 | JSN-2C型 | 1台 | |
| Q3取样器 | SQ3型 | 800 mL | 1套 | 取卤水 | |
| 恒速绞车 | JCH-2000 | 2000 m | 1台 | 取卤水 | |
钻进 程序 | 井段/ m | 钻头尺 寸/mm | 组具结合 |
|---|---|---|---|
|
取心 钻进 | 0~1200 | Ø133 | Ø133 mm取心钻头＋Ø108 mm取心器＋Ø83 mm钻铤＋Ø68 mm钻铤＋Ø60 mm钻杆＋主动钻杆 |
|
一开 扩孔 | 0~500 | Ø444.5 | Ø444.5 mm钻头＋转换接头＋Ø241 mm钻铤×1柱＋扶正器＋Ø241 mm钻铤×1柱＋转换接头＋Ø177.8 mm钻铤×1柱＋Ø127 mm钻杆×3柱＋转换接头＋Ø88.9 mm钻杆＋主动钻杆 |
|
二开 扩孔 | 500~800 | Ø311.2 | Ø311.1 mm钻头＋转换接头＋Ø241 mm钻铤×1柱＋扶正器＋Ø241 mm钻铤×1柱＋转换接头＋Ø177.8 mm钻铤×1柱＋Ø127 mm钻杆×3柱＋转换接头＋Ø88.9 mm钻杆＋主动钻杆 |
|
三开 扩孔 | 800~1200 | Ø215.9 | Ø215.9 mm钻头＋转换接头＋Ø159 mm钻铤×1柱＋扶正器＋Ø159 mm钻铤×1柱＋转换接头＋Ø159 mm钻铤×1柱＋Ø127 mm钻杆×3柱＋转换接头＋Ø88.9 mm钻杆＋主动钻杆 |
钾盐钻探除合理的钻井设计、钻进方法以外，其最关键的是选择合适的钻井液，直接关系到井内安全、岩心的采取率和质量。
针对卤水配制钻井液的问题，对现场卤水进行了离子成分分析，结果显示卤水中含有大量的离子（
| 离子名称 | 含量/% |
|---|---|
|
N | 78.18 |
|
| 14.85 |
|
C | 0.168 |
|
M | 34.16 |
|
C | 190.02 |
|
SO | 60.26 |
本井优选北京探矿工程研究所提供材料形成的环保型卤水聚合物钻井液，其配方如下：卤水+烧碱+纯碱+3%~5%膨润土+0.8%~1.5%抗盐共聚物（GTQ）+1%~2%抗盐降失水剂（GPNS）+1%~3%随钻堵漏剂（GPC）+0.2%~0.3%包被剂（BBJ）。由于卤水配制钻井液易产生泡沫，摩阻系数大，为消除泡沫，减少钻具回转阻力和改变流变性能，配制钻井液时适量加入润滑剂和消泡剂。
（1）配制的卤水钻井液具有良好的胶体稳定性。
（2）不污染矿层，不影响矿层分析。
（3）能够建立平衡地层压力的液柱压力，并具有较大的调节范围。
（4）具有较低的失水量和较强的抑制性，以减少钻井液中的自由水浸入井壁粘土层，水化造浆，出现井壁膨胀缩径，防止发生粘附卡钻事故。
（5）具有良好的流变性，悬浮和携带岩粉的能力强。
（6）有助于提高岩心采取率，且配制简单、维护管理方便。
0~508.12 m一开取心钻进，为蒸发岩地层，孔隙度比较大，钻井液消耗比较大，地层中的卤水侵入钻井液，使钻井液中的钙镁离子增加，钻井液的滤失量增加，泥皮变厚，通过向钻井液中加入火碱、纯碱降低钙镁离子含量，改善钻井液性能。在168 m处泥浆泵不返水，通过加入膨润土，防塌型随钻堵漏剂GPC，防止小裂隙的漏
由于0~501 m下入Ø339.72 mm套管，其中包含221.79 m滤水管，二开取心过程中通过向钻井液中投入大量膨润土、GTQ、GPC、锯末，使得Ø339.72 mm套管中的滤水管不再往外涌水，保证二开正常钻进。二开取心钻进仍采用低密度钻井液（见
| 施工阶段 | 配方 |
|---|---|
| 一开取心 | 卤水+0.5%烧碱+0.2%纯碱+3%膨润土+0.5%~1.5%抗盐共聚物（GTQ）+1%~1.5%抗盐降失水剂（GPNS）+1%~2%随钻堵漏剂（GPC）+0.1%~0.2%包被剂（BBJ） |
| 二开取心 | 卤水+0.5%烧碱+0.2%纯碱+3%~20%膨润土+0.5%~2%抗盐共聚物（GTQ）+1%~1.5%抗盐降失水剂（GPNS）+0.5%~2%随钻堵漏剂（GPC）+0.1%~0.2%包被剂（BBJ） |
| 三开取心 | 水+0.5%烧碱+0.2%纯碱+3%~10%膨润土+0.5%~1.5%抗盐共聚物（GTQ）+1%~1.5%抗盐降失水剂（GPNS）+0.5%~1%随钻堵漏剂（GPC）+0.1%~0.2%包被剂（BBJ） |
三开取心前，在钻井液中加入大量膨润土、GPC、GTQ、PAC护壁，防止Ø244.5 mm滤水管往外涌水。在后期取心钻进过程中钻遇卵砾石层时，通过加入膨润土、GPC、GTQ、消泡剂调整钻井液粘度，适度的增加钻井液密度，降低钻井液失水量，维护井壁稳定，预防坍塌，保证了取心的正常进行。
施工 阶段 | 密度/ （g·c | 漏斗粘度/s | API失水/mL | 泥饼/mm | 含砂量/% | pH值 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 一开取心 | 1.30~1.37 | 60~100 | 5~20 | 0.5~1.5 | <4 | 7~9 |
| 二开取心 | 1.30~1.42 | 55~75 | 8~120 | 0.5~24 | <5 | 7~9 |
| 三开取心 | 1.33~1.43 | 40~100 | 15~50 | 0.5~18 | <8 | 7~9 |
一开扩孔钻进时，井径较大，井底岩粉排出较困难，且现场震动筛的使用效果不佳，造成钻井液中的固相含量比较高，出现大段消耗，在原有的钻井液基础上通过加入适量锯末以及膨润土来减少钻井液的消耗。
地层中卤水储层段：钻进时卤水一旦涌入井内则会破坏钻井液的性能。在一开钻进期间，蒸发盐地层孔隙度比较大，针对地层中卤水层的侵入，通过降低钻井液密度，平衡地层间的压力；突遇失水量增大，通过加入GTQ、GPNS，降低钻井液的失水量，防止由于失水量大，造成松散层井壁坍塌。
松散砂砾层段：易坍塌造成卡钻，取心和扩孔钻进时根据井壁稳定情况，提高了钻井液粘度，每日观测钻井液的胶结度、泥皮韧性，以维护井壁稳
2号井钻遇大段极易坍塌的砾石层、砂层及粉砂质粘土层（参见
图3 卵砾石层及砂层井段岩心
常规工具采用投球法清洗内筒，清洗内筒后，投入凡尔球，封住内筒上通道，钻井液开始侧循环。但此时凡尔球与凡尔座为金属线性密封，密封性不可靠，在泥浆泵的推动下，有少量钻井液通过凡尔流经内筒，破碎层由于岩心成岩性差，轻微水流就会影响树心工序。
悬挂总成密封系统，由凡尔球导向、凡尔座、密封圈、凡尔球组成。凡尔球导向斜度为30°角，使凡尔球在液力推动下沿斜坡导向移动至凡尔座上，凡尔座为球形，可使凡尔球与凡尔座实现金属面性密封，并通过O形密封圈，保护球形金属硬密封，从而杜绝钻井液通过凡尔流经内筒，保护取心的完整性（见
图4 悬挂总成密封结构
取心完成单回次钻进，起钻割心时内筒卡箍与卡箍座的导向作用下，割断矿心并封闭内筒，使进入内筒的矿心得以有效保留，避免了矿心的脱落。卡箍可实现内筒全封闭，卡箍座具有锥度导向，在起拔矿心时，卡箍卡住矿心。在起拔的反向作用力下，下行至卡箍座导向部位，并在反作用力的作用下沿卡箍座导向继续下行，直至卡箍封闭内筒（见
图5 卡箍自锁装置
取心钻头水眼方向，向外部倾斜，取心钻头内沿进行加高处理（见
图6 订制的内加高侧喷取心钻头
一开对0~223.91 m井段和223.91~501 m井段分别进行止水和抽水试验工作。该井段抽水试验，进行止水工作前井身结构（见
图7 0~223.91 m井段抽水试验井身结构
井深197.8~234.3 m，岩性以粘土、粘土质钙芒硝为主，为很好的隔水层，故采用在Ø339.7 mm套管外216.86~229.14 m环状间隙固定8组伞式止水器、在套管内210.62 m处下入子弹形木塞并捣实粘土球（粘土泥球直径约15 cm）的止水工艺，进行联合止
223.91~501 m井段抽水试验止水工作利用Ø339.7 mm套管外216.86~229.14 m环状间隙已固定的8组伞式止水器，并结合在Ø339.7 mm套管内下入临时Ø244.5 mm套管的止水工艺。Ø244.5 mm套管下入位置为0~208.13 m，在Ø244.5 mm套管底部绑牢干海带，同时干海带上下两端配有盂式止水器，海带和盂式止水器联合止水的位置为202~207.5 m（见
图8 223.91~501 m井段抽水试验井身结构
抽水试验前，连续4 h同时测量Ø244.5 mm套管内及套管外环状间隙水位，Ø244.5 mm套管内水位稳定于27 m，套管外环状间隙水位一直保持在8.3 m，证明该井段止水工艺合理、止水效果良好。
本井自始至终使用钻井液护壁钻进，尤其是涌水段加入大量的封堵材料，在保护井壁的同时也对地层的渗水通道形成一定程度的堵塞，洗井时首先用清水逐渐把井内的钻井液替换出来，最大限度的将钻井液中的固相物质排出井外，然后再针对不同的地层采用不同的洗井工艺进行洗井。
（1）0~223.91 m地层以蒸发岩为主，小孔洞发育，用清水逐步将井内钻井液替出后，采用了泵抽洗井法，水清砂净后转入抽水试验阶段。
（2）223.91~501 m井段，该井段地层松散，地层中泥砂含量较大，给洗井工作带来了很大的困难，洗井时，首先采用了深置泵、高扬程洗井法，其后采用短时间开关泵震荡洗井法，最后再采用高扬程泵抽洗井法，但是水中还是含有少量泥砂，洗井期间通过现场做钻井液试验与地层水中的泥砂做对比，证明水中的泥砂为地层中的泥砂，导致洗井不清的原因为地层中泥砂含量较高。
1号井采用钢丝绳绞车和原钻具为基础加工的重力式入水取样设备，定深取样深度误差较大，取样器直径较大，下钻难以一次下到指定深度采取水
基于1号井的定深取样情况，2号井采用SQ3型取样器和JCH-2000型测井恒速绞车通过定制马龙头连接。SQ3型取样器采用304不锈钢材质制作具有良好的抗腐蚀性，主要由导锥、下凡尔、取样筒、上凡尔、控制机构、时钟、钟机外壳组成。通过时钟触发控制机构，来打开上凡尔，地层卤水样通过负压作用进入到取样器内上法尔锁紧密封，通过绞车上提，完成单回次卤水样的提
2号井采用JCH-2000型测井恒速绞车配合SQ3型定深取样器完成了定深取样工作，对2号井75个取样点位的含水层自上而下系统进行定深取样，共采集卤水样品241件，水样采取率90%以上，取得了较好的效果。
2号井终井深度为1200.01 m，终井层位为第四系地层。岩（矿）心总采取率为84.79%；其中矿心采取率为84.93%，顶底板采取率为83.96%。最大井斜为16.04°（井深1198 m），<2°/100 m，井斜质量满足设计及相关规范要求。
2号井依次完成了0~223.91、223.91~501、501~803、803~1200.01 m四个井段的抽水试验工作，各井段止水工艺合理、止水效果良好；各井段最大降深时单位涌水量为0.07~2.977 L/（s·m），四个井段含水层富水性从上至下由强变弱。结合地质录井、测井资料，将2号井所揭露的富钾卤水储层划分为4个层组；储层单层厚度0.5~28.3 m，累计厚度379.55 m。
2号井是罗布泊盐湖区实施的第一口深部钾盐参数井，实现了罗布泊盐湖深部找钾的突破，该井的实施为进一步开展罗布泊盐湖重点区深部钾盐资源调查研究、勘查与开发利用工作奠定了坚实的基础。
（1）本井施工过程中应用的“抗盐低固相粗分散钻井液体系”，有效地解决了以往因坍塌严重而无法钻进的技术难题，保证了钻进施工安全。
（2）通过同径止水工艺简化了井身结构，改进了止水工艺，实现了单井卤水矿产钻探、多层抽水试验技术创新，有效降低了钻探施工成本。
（3）定深取样技术保持水样原组分相对稳定，对研究本区不同深度富钾卤水分布及时空演变奠定了基础。
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