超深地熱井設計及施工工藝

王吉平

（河南省地礦局第五地質勘查院，河南鄭州450001）

超深地熱井設計及施工工藝

王吉平*

（河南省地礦局第五地質勘查院，河南鄭州450001）

地熱井的鉆井和成井工藝、技術對地熱井的水溫、水量及使用年限關系極大。如何在2700m的深孔中，實現地熱資源的有效利用，成為該鉆孔從設計、施工到成井的關鍵。

井身結構；區域地質；風險分析；鉆井液

1 工程概況

為實現地熱資源的有效利用，中石化新星河南地熱能開發有限公司擬在河南省濮陽市南樂縣溫莎尚郡小區開展地熱探采井鉆井工程施工。經過公司招標議程，確定由河南省地礦局第五地質勘查院承擔該鉆井工程的施工任務。

地熱井的鉆井和成井工藝、技術對地熱井的水溫、水量及使用年限關系極大。因此，地熱井施工中應嚴格按照國家標準《地熱資源地質勘查規范》和甲方提出的符合國家標準的相關要求，嚴把各道工序和材料（管材、水泥等）的質量。主要參數及技術要求如下。

1.1 井深

設計深度2700m。

1.2 水溫、水量

達到井口水溫大于50℃，水量大于70m3/h（降深不大于30m）。

1.3 井身結構設計

（1）0～350.0m，井徑?444.5mm，下入?339.7mm、壁厚9.65mm、材質鋼級J55偏梯扣無縫石油套管和密封式懸掛器，然后采用油井水泥全封固，水泥漿返至地面。候凝時間不少于48h。

（2）310～2200.0m，井徑?311.2mm，下入?244.5m、壁厚9.19mm、鋼級N80的長圓扣無縫石油套管，重疊段40m，然后采用油井水泥全封固，水泥漿返至重疊段。候凝時間不少于48h。

（3）2200.0～2700.0m，井徑?215.9mm，裸眼。

1.4 井身質量要求

泵時段，最大井斜小于1°，全井段井斜不大于3°，井徑擴大率不大于10%，

1.5 固井

必須保證固井質量。0～350m泵室段管外全部及2200.0～2700.0m水泥固井，水泥漿要求密度1.80g/cm3以上，對封固質量進行聲幅測井或試壓檢測。

1.6 地球物理測井

正確劃分地層、巖性及厚度，給出各熱儲層的電阻率、滲透率、泥質含量、含水飽和度等物性參數和成果解釋等內容。

1.7 錄井

1.7.1 巖屑錄井

（1）為掌握鉆井地層巖性特征，要做好巖屑錄井取樣及巖性分層描述，自井口至350m，每10m取樣1次；自350～1000m，每5m取樣1次；自1000m至井底，每2m取樣1次。所取巖屑樣要洗凈、曬干按順序裝入巖屑袋中，并做好巖屑描述。

（2）樣品重量不應少于400g/件，砂樣淘洗干凈見本色，一般采用曬干方式進行晾干。

（3）遲到時間測定：1000m以淺每鉆進100m測定1次，1000m以深每鉆進50m測定1次，遲到時間的確定應采用理論計算與實物測定相結合的方法進行。

1.7.2 鉆時錄井

鉆時錄井采用錄井儀，井深0～2700m，每1m記錄1點。

1.7.3 鉆井液錄井

每25m記錄1次泥漿進出口溫度（如出現井漏等其它情況應準確記錄井深、時間、漏速、漏量）。

1.8 抽水試驗

洗井達到水清砂凈后，測定穩定靜止水頭后進行。進行小、中、大3個落程抽（放）水試驗，測定井口出水水溫、水量，其穩定時間分別在24、24、48h。水樣采集在大落程抽（放）水試驗結束前采集。水位埋深、涌水量、水溫同步測量。取全取準各項數據，抽水結束后按照規范要求進行恢復水位的觀察。

2 鉆探目的

確定當地的地層系列及水溫、水量資料，探明南樂縣城區地熱資源潛力。繪制測井圖與綜合錄井圖，盡可能制作實物剖面圖，并提供可開采的地熱井信息。

3 區域地質簡介

3.1 區域構造背景

工作區位于中朝準地臺華北坳陷南部的內黃凸起東北部。

3.2 構造基本特征

安陽—清豐斷裂：位于工作區北部，西起水冶，東經安陽南，止于內黃、清豐一帶。走向NWW，傾向NNE，傾角70°～80°，上新世以來，其斷距大于400m，第四紀以來，斷距約60m，為一條第四紀活動斷裂，最新活動時間為中、晚更新世，其兩端點為未來可能發生中強地震的有利部位。

張果屯—孟軻集斷裂：位于清豐縣城城東5km處，傾向南東。

南樂—龍王廟斷裂：位于韓村至王什一帶，傾向北西。

以上斷層埋深均大于1000m，對工作區內淺中深三層含水層均不構成控制作用。

3.3 地質條件分析

根據調查分析，工作區內埋深2700m以內熱儲以層狀熱儲為主，根據所屬地層時代及儲水介質特征，可分為新近系碎屑巖孔隙裂隙熱儲層和奧陶系—寒武系碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲層。第四系埋深淺、水溫低，形成熱儲蓋層。

3.4 地溫場分析

該區由于基巖埋深大，新生界地溫梯度相對較小，一般（2.5℃～3℃）/100m,在東明斷陷東、西凹陷區地溫梯度小于2.5℃/100m。與基底次級構造起伏相對應，地溫梯度、地溫在中央隆起帶高，而在兩側次凹區低。

4 風險分析

4.1 地質風險分析

（1）對地層巖性變化、構造落實和斷層平面、空間展布等對鉆探效果有影響的地質因素的分析。

（2）對可能含有H2S、CO2等有毒有害氣體的特殊層的層位、埋藏深度、含量情況的預測。

（3）對水質中可能含有損壞井下鉆具的化學成分的預測。

4.2 鉆井風險分析

（1）鄰井鉆井過程中發生溢流、井涌、井噴、井漏、井塌、井斜層位等有關工程情況的提示。

（2）可能鉆遇的斷層、漏失層、高壓層層位與井段等的預測。

5 施工工藝

5.1 鉆具組合

（1）一開采用?444.5mm牙輪鉆頭開孔，鉆進深度至350m，下入?339.7mm×9.65mm×350m石油套管，水泥固井并返出地面，候凝48h。

鉆具組合：?444.5mm鉆頭+?203mm鉆鋌+ ?178mm鉆鋌+?159mm鉆鋌+?127mm鉆桿+方鉆桿。

（2）二開采用?311.2mm的牙輪鉆頭鉆進，鉆進至孔深2200m后下入?244.5×9.19mm×1890m石油套管，表套與技術套管重疊40m，并用懸掛器連接，水泥固井,水泥返出地面,候凝48h，封固2200m以上地層。

鉆具組合：?311.2mm鉆頭+?178mm鉆鋌+ ?159mm鉆鋌+?127mm鉆桿+方鉆桿。

（3）三開采用?215.9mm的牙輪鉆頭鉆進，鉆進至孔深2700m。

鉆具組合：?215.9mm鉆頭+?159mm鉆鋌+ ?127mm鉆桿+方鉆桿。

5.2 鉆進參數

鉆進采用鉆鋌孔底加壓鉆進，鉆壓控制采用鉆具自重加壓方式，轉速、泵量控制視地層情況、孔徑、孔深等適當調整，具體鉆進參數見表1。

表1 各種口徑及鉆進方法的參數

5.3 鉆進工藝

5.3.1 一開鉆進

（1）嚴格執行表層防斜打直措施。

（2）鉆進中，提前調整泥漿，控制好鉆壓，防止井斜角超標。

5.3.2 二開鉆進

（1）二開鉆進直井段以防斜打直為主。鉆水泥塞時，控制鉆壓、轉速，轉速不得大于40r/min，鉆進地層交界面時采用吊打控制鉆壓，防止井斜。

（2）在鉆井施工全過程中，下鉆或接單根，上緊絲扣，起下鉆過程中要控制速度，防止頓鉆，嚴禁猛提、猛放、猛壓；上提下放遇阻時，不能超過規定的噸位，館陶組地層防止縮徑。

5.3.3 三開鉆進

（1）應注意防塌，除調整鉆進液防塌外，在水力參數上也要采取相應措施，排量不宜過大，以防過高的環空返速沖刷井壁，造成井壁坍塌；起鉆時嚴格執行不同崗位上提權限，防止起鉆時遇阻和卡鉆。

（2）鉆開地熱水層后密切觀察鉆井液的返出情況，看是否有氣泡或油花，鉆井液的總量是否增加，遇有鉆時突然加快、放空、懸重增減、泵壓下降等現象，立即停鉆觀察，并把方鉆桿提出轉盤面，同時采取相應措施。

5.3.4 起下鉆

（1）起鉆必須灌好鉆井液，每起3～5柱鉆桿或1柱鉆鋌灌滿1次鉆井液。因故空井時間長時，應將鉆具下至套管腳。

（2）起鉆遇阻時嚴禁拔活塞，若起鉆發現鉆井液隨鉆具上行長流返出，灌不進鉆井液時應立即停止起下鉆。采取相應措施，達到正常方可繼續起鉆。

（3）控制下鉆速度，防止壓力激增造成井漏。

（4）電測時要有專人觀察井口，每測完一條曲線灌滿一次泥漿；若發現井口外溢立即停止測井，起出電纜強行下鉆，若井噴來不及時應割斷電纜實施關井。

5.3.5 取芯技術

（1）下取芯工具前嚴格檢查，合格后方可下井,取芯工具下井前做到井壁穩定，井底清潔、井眼暢通，鉆井液性能穩定，符合設計要求，確保順利下入取芯筒。

（2）下鉆操作平穩，杜絕猛剎、猛放，控制下放速度，嚴防頓鉆，鉆頭距井底一個單根深度時，開泵循環清潔井底。

（3）下鉆遇阻不超過40kN，否則接方鉆桿開泵循環，慢轉下放鉆具，若遇阻嚴重，及時起鉆，換牙輪鉆頭通井。取芯鉆進前，循環處理好鉆井液，并清潔井底。

（4）取芯鉆進剎把由司鉆親自操作，送鉆均勻，減少憋跳鉆，在設計參數允許的范圍內，可以靈活地調整鉆壓與轉速，盡量避免停泵、停鉆。

（5）用液壓大鉗卸扣，Ⅰ檔起鉆，不允許用轉盤卸扣。

（6）連續向井內灌滿鉆井液，起鉆完，立即蓋好井口，防止掉芯和落物。巖芯出筒后及時編號、標記，以防將順序搞亂，出筒巖芯要全部收集起來，并妥善保管。

5.3.6 鉆井液

（1）鉆井液體系（表2）。

表2 鉆井液體系表

（2）鉆井液維護處理措施：

一開井段(0～350m)：

①開鉆前配置預水化膨潤土漿70m3，水化時間不小于12h，若粘度達不到要求，可加入HV-CMC提高粘度。

②完鉆后充分清洗井眼，使用HV-CMC配制的高粘切鉆井液封閉裸眼井段，保證下套管順利。

二開井段(350～2200m)：

①二開前徹底清理循環系統泥砂，根據一開膨潤土漿的量補充所需清水，按照配方加入各種處理劑，充分溶解后與一開鉆井液混合，調整鉆井液各項性能，達到設計要求后即可開鉆。

②二開后可用大小分子復配的以上聚合物膠液補充鉆井液，并適當地補充部分清水。粘度和濾失量可分別用低濃度的聚合物膠液和LV-CMC來控制。

③進入易塌井段前使用COP-HFL/LFL、LVCMC等處理劑降低鉆井液濾失量，加入2%～3%防塌劑，鉆進過程中定期補充，提高鉆井液的抑制性、封堵能力，保持鉆井液良好的防塌性能。

④鉆進中，使用好四級固控設備。加足大分子聚合物，按配方聚合物比例復配膠液，維護好鉆井液。

⑤完鉆后，充分循環鉆井液，將井底砂子清理干凈，保證下套管順利。

三開井段(2200～2700m)：

①徹底清理循環罐，加入120m3清水。按配方比例從加藥漏斗處加入處理劑，充分水化。

②鉆具到底后，替出井內鉆井液。

③鉆進中，按配方復配膠液維護。發生井漏，可參照（井漏的預防與處理）處理井漏。

④打完進尺后，充分循環鉆井液，按設計井深完鉆。

6 結論

該鉆孔是我院近年來所施工的最深的一口地熱井，且地層復雜，鉆探過程中經常出現坍塌、縮徑、漏失等現象。在鉆頭選型、泥漿液配方、下管固井、取芯、抽水等關鍵環節做到精益求精，有效地減少鉆進風險，提高成孔率。該深孔的順利成井，為該地區地熱資源的儲藏提供了第一手的資料，更為以后類似深孔的施工提供了寶貴的經驗。

[1]濮陽市地熱探采井地質設計[R].

[2]地熱井鉆井施工作業規范[S].

圖4 墩1H井壓裂施工曲線

4 結論與認識

（1）該井全程采用連續油管進行試油，15d就完成了探底、替漿、通洗井及噴砂射孔、氣舉作業，勞動強度低，施工效率高，完全可以滿足大斜度鉆桿完井水平井的試油要求。

（2）射孔完試擠吸液證明，利用連續油管水力噴砂射孔工藝能有效實現穿透鉆桿及固井水泥環的目的；本次第一段壓裂施工停泵壓力48.37MPa,較前次直井壓裂54MPa明顯降低，說明水力砂噴射孔降破作用明顯。

（3）從壓裂曲線來看，加入暫堵劑后，施工壓力直線上升且有明顯的地層逐級起裂跡象，證明利用近井暫堵封劑實現復雜井筒條件水平井分段壓裂具有可行性；該井壓后壓裂液返排率達到80%以上，說明暫堵劑降解效果較好。可以在復雜井筒條件井分段壓裂中推廣應用。

參考文獻：

[1]文浩，楊村王.試油作業工藝技術[M].石油工業出版社，2002.

[2]雷群，胥云，蔣廷學，等.用于提高低、特低滲透油氣藏改造效果的縫網壓裂技術[J].石油學報，2009，30（2）：237-241.

[3]呂志凱，何順利，羅富平，等.射孔水平井分段壓裂起裂壓力理論研究[J].石油鉆探技術，2011，39（4）：73-75.

[4]吳奇.井下作業工程師手冊[M].石油工業出版社，2002.

P634.5

B

1004-5716(2015)11-0065-04

2014-11-24

王吉平（1984-），男（漢族），河南鄭州人，工程師，現從事鉆探技術等工作。