螺桿鉆具在煤系地層地熱井工程中的應用

張新春，郭東升，李建濤

(1.河南省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質隊，河南 鄭州 450053;2.河南省地質礦產勘查開發局第一地質勘查院，河南 南陽 473003;3.河南省地質礦產勘查開發局第十一地質隊，河南 商丘 470000)

螺桿鉆具在煤系地層地熱井工程中的應用

張新春1，郭東升2，李建濤3

(1.河南省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質隊，河南 鄭州 450053;2.河南省地質礦產勘查開發局第一地質勘查院，河南 南陽 473003;3.河南省地質礦產勘查開發局第十一地質隊，河南 商丘 470000)

在對煤系地層特點和螺桿鉆具優勢分析的基礎上，介紹了采用螺桿鉆具+PDC鉆頭或三牙輪鉆頭在煤系地層地熱井工程的應用情況，并對其應用效果及經濟效益進行了分析。結果表明，在煤系地熱井工程中采用螺桿鉆具+PDC鉆頭或三牙輪鉆頭的鉆探工藝，可以提高機械鉆速、縮短鉆井周期，對降低鉆井成本具有顯著的現實意義。

螺桿鉆具;煤系地層;地熱井;工程應用

地熱井工程是一項投資大、風險大、技術密集的系統工程。工程的設計和施工工藝的合理性直接關系到地熱井工程的質量和成敗。近年來，隨著地熱開發步入一個新的發展階段，地熱資源開發正向超深層發展。但是超深層地熱開發工程鉆遇地層多復雜多樣，施工難度較大。比如:鄭州、洛陽、太原等地，超深層地熱資源多儲存于煤系地層之中。由于煤系地層地質條件變化大，施工技術復雜，施工風險較高，是地熱鉆井中的難點。目前地熱鉆井設備多存在鉆井裝備技術性差以及不配套等多種問題。這些現實狀況，造成了目前地熱鉆井周期長、成本高，整體經濟效益不明顯。經過多次實踐，并結合國內外施工經驗，在現有設備條件下，采用螺桿鉆具配合PDC鉆頭或三牙輪鉆頭鉆探方法，提高機械鉆速，縮短鉆井周期，降低生產成本，在煤系地層地熱井工程的應用取得較好的效果。

1 煤系地層特點

煤系地層多數都屬于復雜地層，主要是由泥巖、頁巖、砂巖、煤層及灰巖等巖性構成。泥頁巖較松軟，易吸水膨脹，鉆進時容易產生縮徑、掉塊、坍塌現象。灰巖溶洞裂隙發育，在鉆探施工中存在著不同程度的孔壁漏水，遇到承壓含水層，鉆孔還會出現涌水現象。這類地層在鉆探工程中稱為不穩定地層，主要表現在遇水膨脹和應力釋放，使地層和井壁失穩。在地熱鉆探中主要面臨著地層破碎掉塊、地層遇水剝落、地層遇水膨脹、地層漏失等諸多問題。

2 合理使用及注意事項

2.1 螺桿鉆具的選擇

(1)安全性的原則。在同一井眼其他條件不變的情況下，以鉆具剛性強度最大為優選條件，即做到大馬拉小車的原則，以確保安全性。

(2)輸出扭矩最大的原則。在同一井眼其他條件不變的情況下，鉆具的輸出扭矩越大為優選條件，以確保提供足夠的滑動鉆進的扭矩。

(3)排量合適的原則。螺桿鉆具為容積式馬達，其輸出轉速與排量成正比，在同一排量下，應選擇排量合適的鉆具，以確保所要求的轉速，將馬達發揮至最佳狀態。

(4)考慮適合鉆井施工工藝的原則。以入井安全性和井中環空以及適應合適打撈工具的原則。

(5)提高鉆具使用壽命的原則。鉆具在使用過程中，應始終處于本身的最佳使用狀態的工程中，而不能超負荷運轉。

(6)優選鉆壓及泵壓的原則。每種規格的螺桿鉆具都給出其所承受的馬達負載壓力降(馬達負載壓力降=工作打鉆泵壓－離井底泵壓)與鉆壓的范圍，在鉆進過程中，應根據進尺來優選泵壓和鉆壓，從而獲得滿意的機械鉆速。同時，在鉆進作業中，考慮到對方向的控制，鉆壓值較小。因此，實際鉆井中，所選用的鉆壓往往不是給定的受載平衡點的鉆壓值。

2.2 螺桿鉆具的使用

(1)泥漿排量應控制在給定的范圍內。

(2)要求施加鉆壓不要太猛。

(3)避免頓鉆或將螺桿直接座入井底。

(4)嚴禁異物進入馬達。

(5)合理選配鉆頭及水眼。

2.3 鉆具、鉆頭及鉆井參數要求

(1)螺桿鉆具提供較大的扭矩和輸出功率，以及可靠的動力維持性。

(2)PDC鉆頭有適應高轉速的能力，具有更高的耐磨性，更長的使用壽命;同時具有一定的噴射效果。尤其在周期較長的直井鉆進中更加適用。

(3)優選鉆頭水力參數和鉆井液排量，及時將巖屑攜帶出來。

(4)三牙輪鉆頭也可使用，此時牙輪鉆頭齒部硬度可比用一般傳統轉盤鉆進選硬一個等級

(5)提高鉆井液的凈化程度，確保螺桿鉆具的工作壽命。

(6)鉆井液的性能要滿足鉆進的要求。

3 工程實例分析

3.1 鉆井設備及參數

鉆機:TSJ－2000型水源鉆機;

泥漿泵:BW1200/7A型;

發電機:110 KW和90 KW各1臺;

振動篩和旋流除砂器各1臺。

鉆具組合:Φ215.9 mm PDC鉆頭或三牙輪鉆頭 +3LZ172 mm螺桿鉆具+Φ159 mm鉆鋌4根+Φ127 mm鉆鋌3根+89 mm鉆桿。

鉆壓:50～80 kN;泵壓:8～10 MPa;泵量:1 000～1 200 L/min。

泥漿參數:密度 1.24 g/cm3，漏斗粘度:24 ～ 27 s，含砂量0.2%，固相含量12%，PH值9。

3.2 使用效果

從2008年到2011年，通過在鄭州、安陽、運城等地4眼煤系地層地熱井進行螺桿鉆具配合 PDC鉆頭或三牙輪鉆頭的應用試驗，極大的提高了機械鉆速，對縮短鉆井周期、降低鉆井成本、提高經濟效益都具有現實意義。某1 500地熱井部分井段采用不同鉆探方法效率對比見表1。

表1 某1500地熱井部分井段不同鉆探方法效率對比表

由表1可以看出，采用轉盤鉆進+螺桿鉆具 +三牙輪鉆頭方式鉆進的平均機械鉆速為0.6 m/h，其是采用轉盤鉆進+三牙輪鉆頭鉆進方式的1.4倍;而采用轉盤鉆進 +螺桿鉆具 +PDC鉆頭方式鉆進的平均機械鉆速達到了0.91 m/h，是采用轉盤鉆進 +三牙輪鉆頭鉆進方式的2.1倍，是采用轉盤鉆進+PDC鉆頭鉆進方式的4倍。

3.3 經濟效益分析

以某1 500 m地熱井為例，采用螺桿鉆具配合 PDC鉆頭或三牙輪鉆頭在該井共使用了4只PDC鉆頭、4只三牙輪鉆頭和2根螺桿鉆具，共進行了8次起下鉆作業。其中PDC鉆頭平均按20 000元/只、三牙輪鉆頭平均按8 000元/只，螺桿鉆具按80 000/根、鉆機作業費按410元/h、平均每次起下鉆按10h計算。并且假定鉆頭和螺桿鉆具完全消耗。根據公式:

每米鉆井成本計算公式為:

式中:Cu為鉆井直接成本，元/m;Cb為鉆頭成本，元/m;CL為螺桿鉆具成本，元/m;Cr為鉆機作業費，元/h;Td為純鉆進時間，h;TL為起下鉆時間，h;L為鉆井進尺，m。

可以計算出平均每米鉆井成本為513.99元。而同地區同深度采用同樣直徑井段采用轉盤方式+PDC鉆頭或三牙輪鉆頭鉆進，其要使用5只 PDC鉆頭和5只三牙輪鉆頭，進行10次起下鉆作業，每米鉆井成本要達到716.2元。兩者相比每米鉆井成本能節約202.21元。所以該井相比采用傳統轉盤方式鉆探方法節約鉆井成本約30余萬元。由此可見，在現有設備情況下，采用螺桿鉆具 +PDC鉆頭或三牙輪鉆頭的鉆探方法的經濟效益比較明顯。

4 結論

(1)在煤系地層地熱井工程中，采用螺桿鉆具 +PDC鉆頭或三牙輪鉆頭鉆探方法，可以提高機械鉆速、降低鉆井成本、縮短鉆井周期、提高經濟效益。

(2)在煤系地層地熱井工程中采用螺桿鉆具鉆探方法，首先要選擇合適的地層，并根據地層的特性選擇配合較好的PDC鉆頭或三牙輪鉆頭。

(3)采用螺桿鉆具配合PDC鉆頭或三牙輪鉆頭方式鉆進時，要與傳統轉盤鉆進相結合。

(4)煤系地層地質條件比較復雜多變，鉆探施工工藝復雜，施工風險較高，在鉆探施工中要針對地層特點，對施工工藝、泥漿工藝及成井工藝進行專門研究。

［1］趙金洲，等.鉆井工程技術手冊.中國石化出版社出版發行，2005.

［2］張秋冬，等.煤系地層地熱井鉆探技術.探礦工程，2003.

TD263.3

B

1004－1184(2012)01－0102－02

2011－09－09

張新春(1978－)，男，河南確山人，工程師，主要從事水文地質、工程地質工作。