肯尼亞OL KARIA高溫地熱井鉆井技術應用

王龍張子橋張華偉王穎

(1.長城鉆探公司工程技術研究院;2.長城鉆探公司固井公司; 3.遼河油田筑路工程公司)

肯尼亞OL KARIA高溫地熱井鉆井技術應用

王龍1張子橋2張華偉2王穎3

(1.長城鉆探公司工程技術研究院;2.長城鉆探公司固井公司; 3.遼河油田筑路工程公司)

地熱資源是蘊藏豐富且無污染的清潔能源。因石油、煤炭等傳統能源逐漸枯竭,開發地熱資源成為未來緩解能源危機的一個重要途徑。肯尼亞地下蘊含大量的高溫地熱資源,OL KARIA是肯尼亞地熱面積最大的區塊,地熱面積大約80 km2。該區塊是一個火山噴發巖沉積的開放性隆起構造。在鉆井過程中存在地下溫度高 (最高可達到350℃),地層嚴重漏失,定向軌跡控制難度大,鉆具磨損嚴重,卡鉆事故頻繁,鉆井速度慢等技術難題。針對這些問題,長城鉆探公司開展了肯尼亞高溫地熱井定向鉆井技術研究,經過近3年的室內研究和現場實踐,形成了高溫定向鉆井、空氣泡沫鉆井液、鉆具防磨損、鉆井提速、井筒降溫盲鉆等高溫地熱井鉆井技術,成功解決了以上難題,現場應用取得了明顯效果。

地熱井 井筒降溫 空氣泡沫井眼軌跡控制

1 高溫地熱井鉆井技術

1.1 高溫定向鉆井

地熱井地層溫度高,決定了只能使用 E型高溫單點測斜儀和井下動力鉆具進行定向造斜。造斜鉆具組合為:311 mm鉆頭+高溫泡沫螺桿+定位接頭+無磁鉆鋌 (1～2根)+127 mm加重鉆桿(15根)+127 mm鉆桿。由于使用單點測斜儀進行定向造斜,工具面不穩定,造斜難度大,因此,采用計算法和經驗法綜合考慮反扭角的大小,提高定向造斜的精確度,并縮短測斜間距,以便對工具面的角度進行小范圍調整[1]。為了解決嚴重的井漏和井眼清潔問題,定向時采用空氣泡沫鉆井液進行循環。同時,為了保證定向施工順利進行,在實際施工時制定了以下措施:①盡可能選擇低溫區和穩定性非破碎巖層作為造斜段;②采用0.5°以下的螺桿,造斜率應控制在每30 m 1.5°～2°之間,以降低定向井眼曲率;③在造斜達到一定角度且方位穩定后,應盡可能使用轉盤動力增斜鉆進,以提高工作效率;④增斜穩斜段縮短測斜間距,及時控制井眼軌跡;⑤測斜時要向井內注入大量的冷水,減少高溫對儀器的影響。穩斜時通常采用的鉆具組合為:鉆頭+雙母 (帶浮閥)+回壓閥+滾子扶正器+鉆鋌 (2根)+滾子扶正器+無磁鉆鋌 (1～2根)+鉆鋌 (6～8根)+127 mm加重鉆桿 (12根)+127 mm鉆桿。

1.2 空氣泡沫鉆井液技術

根據地熱井的特點,地熱井鉆井液必須滿足以下兩個要求:①泥漿密度較低,攜砂能力強;②鉆井液和處理劑抗溫能力高,溫度要達到200℃以上。為此,研發了空氣泡沫鉆井液。在清水中加入適量的發泡劑作為泡沫基液,并根據井深和地層漏失狀況在泡沫基液中充入一定量的空氣,使泡沫的質量系數達到0.55左右。泡沫鉆井液的最大優點是低密度、高黏度。泡沫流體的密度為0.036～0.424 g/cm3,泡沫由緊密而細小且有堅固薄膜的氣泡組成,具有較強的表面黏度和強度,因而具有良好的防漏堵漏和保持井眼清潔的作用。在形成泡沫的基液中加入抗高溫保護劑HT-1能提高發泡劑的抗溫能力,抗溫極限從180℃提高到240℃,滿足了現場高溫施工的要求[2]。

1.3 鉆具防磨損

在地熱井鉆井過程中,由于經常出現嚴重井漏,鉆井液只進不出,鉆具磨損嚴重。通常,2～3口井就需要換一套鉆具。為此,設計了專用鉆桿保徑接頭、新型滾子扶正器、鉆桿減阻耐磨接頭等輔助鉆井工具,大大降低了鉆具的損壞程度。

1.4 鉆井提速

鉆頭選型是提高鉆井速度的關鍵,該區塊鉆頭問題主要出現在四開段,通過對地層特點、鉆頭使用難點和已完鉆井鉆頭使用情況的分析,加強了鉆頭牙輪牙掌保徑能力和鉆頭耐溫性能。鉆頭選型遵循以下原則:

◇800～1 800 m井段,巖性可鉆性較好,可使用甲方提供的S86F或江鉆生產的 HJ T537GL或MD537,齒型為楔形齒;

◇1 800～2 400 m井段,地層研磨性增強,地溫升高,推薦使用江鉆生產的 HJ T617GL或MD617,齒型為楔形齒;

◇2 400～3 000 m井段,地層研磨性強,地溫達到300℃以上,軸承熱損壞嚴重,推薦使用江鉆生產的HJ T637GL或MD637,齒型為球形齒。

通過9口井的試驗,單只鉆頭平均進尺提高了300%,平均機械鉆速提高了57.6%。此外,通過改變原來的鉆具組合,將螺旋扶正器換成滾子扶正器,機械鉆速得到大幅度提高,鉆頭蹩跳、高扭矩問題也得到了有效緩解。

1.5 井筒降溫盲鉆

肯尼亞OL KARIA區塊是一個火山噴發巖沉積的開放性隆起構造,存在大量熔洞,出現循環完全漏失。為此,采用了井筒降溫盲鉆技術,就是用清水加一定量的發泡劑代替鉆井液進行鉆井作業。但在盲鉆過程中要經常測試井眼是否清潔。測試的方法是:剛開始盲鉆時,先鉆井3～4 m上提鉆具,停止泡沫流體的注入,靜止5 min左右再次下入鉆具,測試井底是否有沉砂。如果沒有沉砂則開泵繼續往下鉆進;如果有沉砂,則當鉆頭接近井底時,開泵泵入高黏鉆井液清潔井眼,然后再進行井筒降溫盲鉆。

2 現場應用

2.1 施工簡介

OW-904B井一開鉆進 (0～64 m井段),清水鉆進,從地表一直鉆至表層深度,沒有發生漏失,返出良好。二開鉆進 (64～322 m),清水鉆至109 m,井口返出良好,之后發生完全性漏失,采用清水盲鉆至套管深度322 m。三開鉆進(322～1 206 m),用空氣泡沫鉆至定向井段610 m,沒有發生漏失,返出良好。定向段后采用空氣泡沫增斜鉆進,井口返出良好。四開鉆進 (1 206～1 838 m),用空氣泡沫從1 206 m開始鉆進,順利鉆到3 000 m,鉆進速度比較快。

OW-904A井是同一平臺的另一口地熱井,井身結構如表1所示,施工情況如表2所示。

表1 OW-904A井實鉆井身結構

2.2 效果評價

2007年,長城鉆探公司進入肯尼亞地熱井鉆井市場,先期鉆井速度低,定向難度高,卡鉆事故頻繁。通過應用高溫定向鉆井、井筒降溫、鉆頭選型、空氣泡沫鉆井液等高溫地熱井鉆井技術,成功解決了這些難題。截至2008年12月,共完成了9口井 (表3)。同當地其他公司相比,單只鉆頭平均進尺提高了300%,使用時間提高129%,平均機械鉆速由1.26 m/h提高到6.33 m/h,鉆速提高了5倍多,平均鉆井周期縮短了18天,取得了明顯的效果。

3 結論

(1)在清水中加入適量的發泡劑作為泡沫基液,并根據井深和地層漏失狀況在泡沫基液中充入一定量的空氣,保持泡沫的質量系數在0.55左右,這樣可建立一個良好的循環來保證攜巖效果,有效解決井漏問題。

表2 各井段施工簡況

表3 地熱井鉆井情況統計表

(2)高溫保護劑HT-1對泡沫鉆井液具有良好的抗高溫保護作用,能將發泡劑的抗高溫極限從180℃提高到 240℃,滿足了現場高溫施工的要求。

(3)采用專用鉆桿保徑接頭、新型滾子扶正器、鉆桿減阻耐磨接頭等輔助鉆井工具,大大降低了鉆具的損壞程度。

(4)在不能建立循環的漏失地層,在保持泡沫注入參數不變的情況下,可采用井筒降溫盲鉆技術。

(5)采用計算法及經驗法綜合確定反扭角來提高定向造斜的精確度,并縮短測斜間距,以確保準確的工具面角,提高定向效率。

(6)合理的鉆頭選型和鉆具組合的優化選擇是提高地熱井鉆井速度的關鍵。

[1]魯立強,等.肯尼亞OL KARIA地熱井空氣泡沫流體定向鉆井綜合技術研究.科學技術與工程,2009(14): 4137-4139.

[2]賴曉晴,等.超高溫地熱井泡沫鉆井流體技術.鉆井液與完井液[J],2009(2):37-38.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.10.009

2010-02-04)