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貴州六盤山盆地二維地震采集項目鉆井作業(yè)面臨多重嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。工區(qū)地形起伏劇烈，溝壑縱深且懸崖陡坎密布，橫向與縱向巖性變化顯著，黃土、紅土、疏松砂巖等交替出現(xiàn)。區(qū)域干旱缺水問題突出，地表潛水面深達60米以上。傳統(tǒng)風(fēng)鉆遇空洞易漏井，水鉆受水源限制且成本高昂，鉆井效率低下。為此，勝利油田物探公司項目組研制鉆井介質(zhì)切換裝置，旨在破解施工難題，提升鉆井效率。  

地質(zhì)挑戰(zhàn)

地形條件復(fù)雜：六盤山工區(qū)溝壑縱橫、切割強烈，懸崖陡坎分布密集，地表風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育形成大量深溝。這種地形導(dǎo)致鉆機搬家難度極大，設(shè)備轉(zhuǎn)運耗時費力，嚴(yán)重制約施工進度，為鉆井施工設(shè)置了天然屏障。工區(qū)道路稀少，大型設(shè)備通行困難，每次鉆機移位都需耗費大量人力物力開辟臨時通道，進一步增加了施工成本。?
橫向巖性多變：工區(qū)涵蓋平原河谷、黃土丘陵、紅土出露區(qū)、破碎山地等多種地形，巖性呈現(xiàn)黃土與紅土交替、疏松砂巖與泥巖交錯出露的特征。巖性的橫向突變要求鉆機類型必須具備多樣性，頻繁更換鉆機不僅增加設(shè)備投入，還大幅延長了單井施工準(zhǔn)備時間。不同巖性對鉆井參數(shù)要求差異顯著，進一步加大了施工難度。?
縱向巖性復(fù)雜：工區(qū)處于1921年海原大地震中心地帶，地表巖層破壞嚴(yán)重，新老地層無序交替。黃土、紅土、疏松砂巖、泥巖等巖性埋深波動劇烈，產(chǎn)狀變化復(fù)雜，導(dǎo)致鉆井過程中鉆進阻力忽大忽小，極易出現(xiàn)卡鉆、塌孔等問題，鉆進極度困難。縱向巖性的不確定性使得鉆井方案需頻繁調(diào)整，嚴(yán)重影響施工效率。
水資源極度匱乏：六盤山地區(qū)長期干旱少雨，地表潛水面深度普遍超過60米，當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟璧竭h處拉取。鉆井施工中，水鉆所需水源難以保障，從外部調(diào)水成本高昂，高部位井采用單一水鉆成井不僅難度大，還會顯著增加施工成本，水資源短缺成為制約鉆井效率的關(guān)鍵瓶頸。水源運輸需穿越復(fù)雜地形，進一步增加了供水難度和成本。?
面對上述難點，風(fēng)鉆僅適用于致密山地，遇空洞易漏井導(dǎo)致成井困難；水鉆受水源限制，高部位井單用水鉆成井成本高、難度大，改進型水風(fēng)鉆需水量大，供水問題依然突出，山地高部位井鉆井難題尤為顯著。解決復(fù)雜巖性條件下的鉆井工藝問題成為項目順利推進的關(guān)鍵。?  

裝置研制

為攻克工區(qū)鉆井難點，項目成立鉆井班攻關(guān)小組，聚焦鉆井難題開展現(xiàn)狀調(diào)研與對策研究。研究圍繞鉆井難度大的要害問題及表現(xiàn)、向打井隊借鑒經(jīng)驗、統(tǒng)計工區(qū)打井所需壓強與抗壓材料等核心內(nèi)容展開，通過實地勘察、數(shù)據(jù)采集和技術(shù)分析，為裝置研制提供科學(xué)依據(jù)。
鉆井現(xiàn)狀：濕潤黃土、紅土區(qū)域常需風(fēng)水鉆交替鉆進，當(dāng)前實現(xiàn)風(fēng)水鉆井主要有兩種途徑。一是采用水風(fēng)鉆，但導(dǎo)致搬家工作量倍增，且需水量大；二是風(fēng)鉆卸桿加水，每口井需頻繁卸桿，鉆進一根桿需卸桿加水五六次甚至更多，單井加水耗時1-2小時，嚴(yán)重降低鉆井效率。兩種方式均存在明顯缺陷，無法滿足工區(qū)高效施工需求。?
初步研究思路：結(jié)合鉆井需求與現(xiàn)狀，如何實現(xiàn)風(fēng)水鉆機高效結(jié)合鉆井、保障搬家便捷性、不影響鉆井進度，成為設(shè)計思路需解決的首要問題。攻關(guān)小組集思廣益，從生活中“冷熱水”轉(zhuǎn)換開關(guān)的便捷切換中獲得靈感，構(gòu)思出通過閥門控制實現(xiàn)風(fēng)水介質(zhì)快速切換的基本方案，形成了初步研究成果。?
初步設(shè)計不足與改進：初步設(shè)計裝置試用中暴露出明顯缺陷。容器壁采用1mm厚鐵材料，抗壓能力不足，無法滿足困難區(qū)域鉆井需求；容器內(nèi)壓力無法有效釋放，壓力過大易引發(fā)爆炸危險；輸入、輸出容水器管線采用普通塑料管，不具備抗壓能力。針對這些問題，攻關(guān)小組進行針對性改進：將容器壁材料更換為4mm厚鋼質(zhì)材料，確保能承受8個大氣壓，保障鉆井壓力；在容器上增設(shè)壓力平衡安全閥；將管線更換為抗壓高壓管。經(jīng)改進，鉆井介質(zhì)切換裝置基本原理框架初步形成，性能得到顯著提升。?
鉆井介質(zhì)切換裝置原理圖：通過實際應(yīng)用與持續(xù)改善，鉆井介質(zhì)切換器完成重新設(shè)計（圖1）。圖1中各部件功能如下：①進水管用于補充水容器中的水及稀釋劑；②氣壓進氣口負責(zé)給水容器加壓，推動容器內(nèi)水輸出至鉆機；③為出水口；④排氣閥門（安全閥）保障水容器內(nèi)氣壓平衡；⑤是進氣控制閥門；⑥為高壓水控制閥門；⑦為鉆井介質(zhì)轉(zhuǎn)換閥門。各部件協(xié)同工作，實現(xiàn)風(fēng)水介質(zhì)的安全高效切換。?
 
圖1 鉆井介質(zhì)轉(zhuǎn)換裝置原理
鉆井介質(zhì)切換裝置操作說明：加水過程通過①向水容器加水，容器容量達70升，完成一口井需加水1-3次。風(fēng)鉆模式需打開閥門⑦，關(guān)閉⑤和⑥，使氣壓直接從A端到達C端。水鉆模式則關(guān)閉閥門⑦，打開⑤和⑥，氣壓從②進入B，給水容器施加高壓，高壓水在壓力作用下從③經(jīng)⑥到達C端。壓力安全由④保障，確保水容器壓力平衡與使用安全。操作流程簡潔明了，便于現(xiàn)場工人掌握。?
 
裝置應(yīng)用?
裝置應(yīng)用操作簡單安全，工人經(jīng)簡短培訓(xùn)即可熟練操作，降低了人為操作失誤風(fēng)險。應(yīng)用過程中省水效果顯著，且洗衣粉等稀釋劑在容器內(nèi)高壓環(huán)境下溶解更均勻，提升鉆井液性能，增強鉆井效果。在補充容器水期間，可切換至風(fēng)鉆模式繼續(xù)鉆井，實現(xiàn)不間斷施工，有效保障鉆井進度，避免時間浪費。相比傳統(tǒng)卸桿加水方式，裝置應(yīng)用優(yōu)勢突出。單井節(jié)省鉆井時間1.5-2小時，按工區(qū)3000口井計算，累計節(jié)省時間4500-6000小時，大幅提升施工效率；單井節(jié)省水量約100-200升，相當(dāng)于采用該裝置鉆井1-2口井的用水量，3000口井累計節(jié)水30-60萬升，緩解水源匱乏壓力；裝置操作安全便捷，減少了工人在鉆井平臺的停留時間，降低了頻繁卸桿帶來的安全風(fēng)險（詳見圖2鉆井介質(zhì)切換裝置實物圖）。
  
圖2 鉆井介質(zhì)切換裝置實物圖
在六盤山地區(qū)，1立方米水運至山上成本為120元，風(fēng)水鉆每小時消耗汽油6-10升，汽油單價每升7.45元。工區(qū)共鉆井3000口，利用該裝置取得的效益為3000×（0.15×120+6×1.8×7.45）=295380元。裝置的應(yīng)用顯著提高了成井困難區(qū)打井效率，保障了激發(fā)井深達標(biāo)和生產(chǎn)正常運行，間接減少了因工期延誤帶來的額外成本。?
裝置在工區(qū)復(fù)雜地形和巖性條件下表現(xiàn)穩(wěn)定，成功解決了傳統(tǒng)鉆井方式的諸多弊端。無論是在黃土丘陵區(qū)還是破碎山地，裝置均能實現(xiàn)風(fēng)水介質(zhì)的快速切換，適應(yīng)不同巖性的鉆井需求。現(xiàn)場應(yīng)用反饋顯示，裝置可靠性高，故障發(fā)生率低，維護簡便，為鉆井施工提供了有力保障。六盤山盆地二維地震采集項目在鉆井困難的山地及巖性變化劇烈區(qū)域，推廣應(yīng)用鉆井介質(zhì)切換裝置后，鉆井效率大幅提升，成功解決了成井困難、成井慢的問題。