氣舉反循環鉆井技術在超深地熱井鉆探中的應用

楊鳳山

(北京市地質礦產勘查開發局,北京 100195)

0 前言

北京地區地質條件復雜,給地熱鉆井帶來了困難.經過地熱鉆井相關技術人員多年的辛勤努力,北京地熱鉆井深度已超過4000m,鉆井工藝除利用傳統的化學泥漿循環液鉆探外,還能實施氣舉反循環等特殊的鉆探工藝.

1 工程概況

北京市順義北小營地區某地熱井使用化學泥漿循環液鉆井至3600m,其井身結構及鉆遇地層巖性詳見表1.由于地熱井深度計劃鉆進至4200m,為使成井效果達到預期,采用氣舉反循環鉆井施工工藝.

表1 井身結構及鉆遇地層主要巖性

2 氣舉反循環鉆探成井施工情況

2.1 氣舉反循環施工設備(見表2)

表2 氣舉反循環施工設備

2.2 氣舉反循環應用過程

(1)施工準備

將地熱井孔內泥漿置換成清水,并將地面氣路管線連接好,檢查管線的氣密性,調試好空壓機、鉆機等施工關鍵設備,檢查雙壁鉆具接頭的完好程度,更換老化破損的O型圈,檢查氣水龍頭的密封性,排列好施工用鉆具,鉆具基本組合為:φ152mm專用鉆頭+φ121mm鉆鋌10根+φ89mm鉆具(若干)+氣水混合器+φ127mm雙壁鉆具(若干)+方保接頭+133mm雙壁方鉆桿+氣水龍頭.

(2)施工過程簡介

第一趟鉆進井段為3600～3652m,雙壁鉆具下入深度為373～425m,隨著進尺的增加使用雙壁鉆具進行加尺,鉆頭選用HA537/6″牙輪鉆頭,胎體打-50mm的水眼,雙壁鉆具下入深度與井深的比值為1:8.6～1:9.7,施工鉆壓控制在30～50KN,轉速控制在60～80r/min,保持地熱井水位在孔口,空壓機注氣啟動壓力為4.1～4.8MPa,正常循環注氣壓力為3.1～3.7MPa,鉆進加排渣時效為1.1m/h.

由于地熱井孔內的泥漿被清水置換,使3600m以上的裸眼段有輕微的掉塊,造成幾次輕微的卡鉆事故,用上提下壓的簡單處理措施解決.施工中出現進尺一根單根(9.6m)加尺后無法排渣的現象.開啟泥漿泵打壓至12Mpa仍無法正常循環,提鉆后發現下部三根鉆鋌內管全部被巖屑堵死,巖屑多為片狀直徑一般5cm左右.分析事故原因,其一鉆頭胎體水眼過大,巖屑顆粒質量過大,造成排渣困難;其二無進尺排渣過程時間過短,應控制在1小時左右,并以巖屑排出量進行輔證.

第二趟鉆進井段為3652～3736m,雙壁鉆具下入深度為332～373m.隨著進尺的增加先使用雙壁鉆具進行加尺,后使用φ89mm鉆具加尺,將鉆頭胎體水眼尺寸改為30mm.雙壁鉆具下入深度與井深的比值為1:10～1:11,施工鉆壓同樣控制在30～50kN,轉速控制在60～80r/ min,保持地熱井水位在孔口,空壓機注氣啟動壓力為3.3～3.8MPa ,正常循環注氣壓力為2.1～3.0MPa,此井段鉆進加排渣時效為1.8m/h.

由于鉆頭優化改進及排渣過程時間延長,并加強了排渣量計量,本井段施工沒有出現巖屑堵鉆具的事故,增加了進尺時效.

第三趟鉆進井段為3736～3827m,雙壁鉆具下入深度仍為332～373m,隨著進尺的增加先使用雙壁鉆具進行加尺,后使用φ89mm鉆具加尺,仍使用30mm水眼的鉆頭.雙壁鉆具下入深度與井深的比值為1:10.3～1:11.3,施工鉆壓同樣控制在30～50kN,轉速控制在60～80r/min.保持地熱井水位在孔口,空壓機注氣啟動壓力為3.4～3.8MPa,正常循環注氣壓力為2.0～3.0MPa,此井段鉆進加排渣時效為1.6m/h.

隨著井深的增加,為防止巖屑堵鉆具事故發生,加長了無進尺排渣時間,導致本井段進尺時效降低.

第四趟鉆進井段為3827～3945m,雙壁鉆具下入深度為294～332m.隨著進尺的增加先使用雙壁鉆具加尺,后使用φ89mm鉆具加尺.仍使用30mm水眼的鉆頭,雙壁鉆具下入深度與井深的比值為1:11.9～1:13,施工鉆壓同樣控制在30～50kN,轉速控制在60～80r/min.保持地熱井水位在孔口,空壓機注氣啟動壓力為3.2～3.8MPa,正常循環注氣壓力為1.8～2.2MPa,此井段鉆進加排渣時效為2.2m/h.

根據前三趟鉆進過程中的現象,在此井段鉆進過程中果斷的減少了雙壁鉆具下入深度,鉆進時效增加的效果比較明顯,鉆頭磨損相當的輕微.

第五趟鉆進井段為3945～4098m,雙壁鉆具下入深度仍為294～332m.隨著進尺的增加先使用雙壁鉆具進行加尺,后使用φ89mm鉆具加尺,仍使用30mm水眼的鉆頭,雙壁鉆具下入深度與井深的比值為1:12.3～1:13.施工鉆壓同樣控制在30～50kN,轉速控制在60～80r/min,保持地熱井水位在孔口,空壓機注氣啟動壓力為2.3～3.1MPa,正常循環注氣壓力為1.6～2.0MPa,此井段鉆進加排渣時效為2.4m/h.

此井段施工中又進一步減小了雙壁鉆具下入深度與井深的比值,同時空壓機的正常循環注氣壓力有所減小,進尺時效有所增加.

第六趟鉆進井段為4098～4200m,雙壁鉆具下入深度仍為294～332m.隨著進尺的增加先使用雙壁鉆具進行加尺,后使用φ89mm鉆具加尺,仍使用30mm水眼的鉆頭.雙壁鉆具下入深度與井深的比值為1:12.7～1:13.9,施工鉆壓同樣控制在30～50kN,轉速控制在60～80r/min.保持地熱井水位在孔口,空壓機注氣啟動壓力為2.1～2.8MPa,正常循環注氣壓力為1.6～1.9MPa,此井段鉆進加排渣時效為2.1m/h.

其井段施工中進一步減小了雙壁鉆具下入深度與井深的比值,施工過程中無明顯異常情況,順利地施工至4200m.

2.3 氣舉反循環施工過程參數簡要分析

雖有司鉆能力的差異及設備狀況等因素存在,本工程中鉆進時效和雙壁鉆具下入深度與井深的比值還是具有一定的關系.氣舉反循環施工中鉆壓不超過5kN、鉆速不超過80r/min、地熱井環空部分灌滿和無進尺排渣時間控制,并對地面氣路管線的氣密性和實際排渣量與理論排渣量不易過大等細節的掌握,有助于施工的順利進行.

3 結束語

根據上述工程實例驗證,在超深地熱井施工中可以采用氣舉反循環工藝.此工藝可以施工至4200m.如工程需要且鉆機能力允許還能夠施工得更深.但需要經過嚴密的理論計算,并以具體工程實例驗證.

[1]李立昌等,反循環鉆井及洗井技術.第六屆全國石油鉆井院所長會議論文集.石油工業出版社,2007年7月

[2]李樹德等,氣舉反循環鉆探技術在復雜地層應用中的探討.煤炭技術,第26卷第11期,2007年11月