GYx地熱井鉆井液技術

李硯智， 張長茂

(河北省地礦局第三水文工程地質大隊，河北 衡水 053000)

1 概述

GYx地熱井位于高陽地熱田，是一口地熱勘查井，鉆遇覆蓋層地層較齊全，鉆穿薊縣系霧迷山組完鉆，設計井深及完鉆井深均是3920 m。該井地質構造部位處于中朝準地臺(Ⅰ級)中的華北斷坳(Ⅱ級)，冀中臺陷(Ⅲ級)高陽臺凸(Ⅳ級)的東部；勘探孔北側為牛南斷裂，西部為高陽斷裂。地質情況和工程設計情況如下。

1.1 地質情況

1.1.1 地層

(1)第四系(Q)。

預測地層厚度500 m，巖性由灰黃、棕黃、黃棕、棕紅色粉土、粉質粘土、粘土和灰黃、灰白色砂層組成。與下伏新近系明化鎮組地層呈不整合接觸。

(2)新近系(N)。

明化鎮組(Nm)：預測地層厚度880 m，巖性為黃褐、棕褐、棕紫色泥巖、砂質泥巖、粉砂質泥巖和灰綠、淺灰、深灰色細砂巖、粉細砂巖、粉砂巖、中細砂巖不等厚互層，結構松散-疏松。與下伏新近系館陶組整合接觸。

館陶組(Ng)：預測地層厚度220 m，巖性為由棕紅、淺棕紅、紫紅、淺紫紅色泥巖、砂質泥巖、粉砂質泥巖和棕黃、灰白、灰綠、灰色細砂巖、粉砂巖、中砂巖、細礫巖，結構較疏松-半固結。

(3)古近系(E)。

東營組(Ed)：預測地層厚度520 m，巖性以紫紅色泥巖為主夾淺灰色砂巖，偶見有灰綠色泥巖與淺灰色含砂礫巖。與下伏沙河街組整合接觸。

沙河街組(Es)：預測地層厚度650 m。沙一段，上部巖性為紫紅、暗紫紅色泥巖及棕色鈣質泥巖與淺灰色細砂巖，含礫砂巖呈不等厚互層；下部為灰色暗紫紅色、紫紅色泥巖與灰白色粉砂巖，淺灰色細砂巖，鈣質砂巖、薄層白云巖、少量油頁巖呈不等厚互層。沙二段，深灰、灰白色泥巖，含膏質泥巖與淺灰、灰白色砂巖、泥質粉砂巖不等厚互層。沙三段，巖性為灰色泥巖與淺灰色白云質砂巖不等厚組成，頂部夾深灰色粉砂質泥巖，中部夾油頁巖及灰色鈣質泥巖及紫紅色泥巖。沙四段，上部由淺灰、深灰色含鈣質白云巖、石膏層鹽巖、油頁巖組成；下部由灰、褐色泥巖，炭質泥巖與淺灰、灰白色砂巖、泥質粉砂巖不等厚組成。局部地區見多層黑綠色玄武巖。與下伏孔店組整合接觸。

孔店組(Ek)：預計地層厚度350 m，上部為灰、褐灰色泥巖與灰白色、淺灰色砂巖；下部為褐灰色泥巖與灰白色、淺灰色泥質粉砂巖，偶夾砂巖。與下伏薊縣系霧迷山組地層不整合接觸。

(4)薊縣系(Jx)。

霧迷山組(Jxw)，預測地層厚度800 m，巖性為灰白、灰褐色、深灰色白云巖夾綠灰、灰白色、紫紅色泥質白云巖和硅質條帶白云巖，富含燧石團塊及燧石條帶，巖溶較發育，為本井的目的層。預計鉆遇地層見表1。

表1 預計鉆遇地層Table 1 Layer expected to be drilled

1.1.2 地溫場特性

本井覆蓋層預計3120 m，覆蓋層地溫梯度在2.5～3.0 ℃/100 m，預估覆蓋層底部溫度在90～100 ℃；該井鉆遇基巖為薊縣系霧迷山地層,預估霧迷山基巖地層地溫梯度為1.2～1.5 ℃/100 m，預估井底溫度為100～108 ℃。

1.2 工程設計

1.2.1 井身結構和套管程序

該井為三開結構設計，一開設計深度800 m，二開設計鉆進到進入基巖頂，三開設計鉆穿薊縣系霧迷山組(預計800 m)。井身結構和套管程序見表2。

表2 井身結構和套管程序Table 2 Well and casing pipe structure

1.2.2 鉆井液設計

根據本井施工裸眼段長，鉆遇的覆蓋層厚且較全，存在漏失、坍塌、卡鉆及油氣侵的風險，設計了如表3所示的鉆井液體系。

表3 鉆井液性能參數設計Table 3 Drilling fluid performance parameters

2 鉆井液施工技術

2.1 一開鉆井液

0～800 m采用膨潤土鉆井液。開鉆前，按照清水+4%膨潤土+0.5%純堿的比例配30～40 m3鉆井液，鉆進中補充清水及片堿，控制粘度在29～33 s，密度1.05～1.08 g/cm3，滿足護壁防塌的目的。

2.2 二開鉆井液

二開是該井鉆井液使用和維護的重點及難點，施工中裸眼段長，鉆遇的覆蓋層厚且較全，存在漏失、坍塌、卡鉆及油氣侵的風險。主要是鉆進沙河街地層時，為了防塌及油氣侵，必須對鉆井液進行加重，而為了達到抑制沙河街泥頁巖水化后掉塊坍塌的目的，既要控制好鉆井液的密度，同時還要控制好鉆井液的失水量。鉆井液加重的同時，由于鉆井液液柱壓力相應增大，又容易引起上部館陶組砂礫巖地層的漏失，所以加入諸如單項壓力封閉劑或碳酸鈣粉等暫堵劑非常必要。同時，二開的下部地層溫度接近100 ℃，所以鉆井液處理劑的選用上，還要考慮耐高溫性。

2.2.1 鉆井液基本配方

(1) 800～2100 m：聚合物鉆井液。

鉆井液配方：清水+5%膨潤土粉+0.5%純堿+2%NH4-HPAN+2%復合瀝青+1%KPAM+片堿+纖維素+單項壓力封閉劑。

(2) 2100～3120 m：抗高溫硅基防塌鉆井液。

鉆井液配方：基漿+0.2%～0.5%KPAM+1%～2%硅穩定劑+1%～1.5%硅稀釋劑+2%防塌降濾失劑+2%磺甲基酚醛樹脂+1%潤滑劑+0.5%LV-PAC+片堿+重晶石粉+單向壓力封閉劑。

2.2.2 800～2100 m聚合物鉆井液性能維護情況

(1)一開固完井后，清除所有循環罐中的沉砂。在循環罐中使用加重泵配制低濃度膨潤土漿及大分子(KPAM)膠液待開鉆，預處理大分子濃度0.5%。

(2)鉆塞期間加入純堿清除鈣離子，并放掉部分受污染泥漿，純堿加入量按實測性能為依據，測量中壓失水≯30 mL/ min，泥餅薄為佳。

(3)粘度控制：明上段地層使用低濃度膨潤土漿及大分子膠液維持粘度30～35 s，粘度過高及時排放，每鉆進100 m補充大分子50 kg；明下段每鉆進100 m補充大分子50～75 kg，使用銨鹽控制粘度在35～40 s；館陶組使用HV-CMC提高粘度至40～45 s，每鉆進100m補充大分子25～50 kg，另外鉆進時加入0.5%～1%單向壓力封閉劑防漏并提高地層承壓能力；東營組控制粘度至45～50 s，每鉆進100 m補充大分子50 kg左右。

(4)密度控制：明化鎮段鉆井液密度控制在1.10～1.12 g/cm3；館陶組密度在1.12～1.16 g/cm3，東營組密度在1.12～1.20 g/cm3。

(5) 中壓失水控制: 明上段失水不做嚴格控制，明下段使用銨鹽膠液逐步降低失水至10 mL/30 min；進入館陶組后降低失水至8 mL/30 min以下；東營組利用銨鹽和磺化瀝青，控制中壓失水在6 mL/30 min以下，失水難以控制時加入0.5%LV-PAC。

(6)井眼凈化: 鉆進及循環期間，泵排量≮60 L/s，每鉆進300 m左右短起下一次(拉力異常或攜砂不良時隨時短起下)，鉆進及循環期間振動篩和除砂器100%使用，振動篩目數≮120目，除砂器目數≮200目。東營組前鉆進期間離心機全程開啟，當出現自然密度上漲現象時，則增加離心機使用時間，及時降低固相含量。若含砂量>0.3%時，則采取增加短起下頻次、停鉆循環除砂等措施控制含砂量。

2.2.3 2100～3120 m硅基防塌鉆井液性能維護

(1)鉆井液轉型：進入沙河街組之前配制40～60 m3膠液，根據配方加入大分子(KPAM)、防塌降濾失劑、酚醛樹脂、LV-PAC等材料，然后在循環罐加入3000 kg硅穩定劑轉化為硅基防塌鉆井液，將API失水量控制到6 mL/30 min以下，pH值保持在9左右。

(2)進入沙河街地層后循環加重泥漿密度至1.25 g/cm3。性能達粘度為45～60 s、API失水量4～6 mL/30 min、HTHP濾失量≤15 mL/30 min、膨潤土含量80 g/L、pH值9～10、含砂量≤0.3%。

(3)鉆進期間堅持每班加入大分子膠液，膠液中大分子含量0.2%～0.3%。

(4)密度控制：根據井下實鉆情況確定鉆井液密度，防止地層坍塌。本井從1680～2895 m采用PDC鉆進，約2100 m進入沙河街地層，2750 m進入孔店地層。鉆至2895 m后起鉆，沙河街部分井段上提遇阻，部分采用開泵帶單根方法起鉆，沙河街以上井段起鉆順暢；下鉆至2300 m時遇阻，開泵循環通井，振動篩篩出1 m3多粒徑多在1～2 cm的泥巖顆粒，說明沙河街的泥頁巖發生了掉塊坍塌，部分井壁失穩，隨即采取加大密度的措施，逐漸加大密度至1.28 g/cm3，下鉆到底后鉆進，鉆進中保持密度在1.28～1.29 g/cm3，再次起下鉆，沒有出現井壁掉塊坍塌現象。在沙河街段鉆進中采用1.24～1.25 g/cm3，鉆進中沒有發現掉塊現象，提鉆過程中，由于抽吸原因，相當于降低了鉆井液液柱對地層的壓力。再次證明了“80%～90%的井筒不穩定是直接由井內壓力失去平衡造成的” 的論斷[13]。另外隨鉆加入單項壓力封閉劑、細目碳酸鈣等防漏，并提高上部地層承壓能力。

(5)失水控制: 沙河街組控制中壓失水在6 mL/30 min以下,從實際測量看，中壓失水量大多控制在4～5 mL/30 min，另外加入LV-PAC或SMP-1(磺甲基酚醛樹脂)等抗高溫降濾失劑降低HTHP失水至15 mL/30 min以下。

(6)潤滑防卡措施：從大分子加量、改善泥餅質量、加強潤滑與降低固相含量方面控制。施工中加入瀝青潤滑劑、石墨等降低摩阻，控制摩阻<0.08；同時按要求200～300 m短起下(拉力異常或攜沙不良隨時短起下)，保持井眼清潔。使用好固控設備，若含砂量>0.3%，則采取增加短起下頻次、停鉆循環除砂等措施控制含砂量。

(7)井眼凈化：鉆進期間排量≮60 L/s，每鉆進200～300 m短起下一次，鉆進及循環期間振動篩和除砂器100%使用，振動篩目數≮120目，除砂器目數≮200目。離心機每天開啟至少1個循環周，若出現自然密度上漲現象，則增加離心機使用時間，及時降低固相含量。

2.2.4 完鉆電測及下?244.5 mm套管前鉆井液措施

(1)二開鉆至基巖，短起至表套或起下鉆通井，下鉆到底循環，用好固控設備，清除有害固相，含砂量降低至0.3%以下。

(2)循環調整好泥漿后，用石墨500 kg、潤滑劑 1000 kg配封閉泥漿80 m3封閉沙河街組井段起鉆電測。

(3) 測井時間超過24 h時或中途遇阻，通井循環并根據情況調整鉆井液性能。

(4)電測完后下鉆通井，泥漿性能不做大的調整，與電測時相當，含砂量降低至0.3%以下。

(5)用液體潤滑劑1000 kg配封閉泥漿80 m3封閉沙河街及以下井段起鉆下套管。

3 井下復雜情況應急措施

3.1 井漏的預防

3.1.1 易漏地層分析

館陶組底部存在礫巖，易漏，注意防漏。

3.1.2 泥漿預防措施

(1)進入館陶組底前加入單封等隨鉆堵漏，粘切適當高一些，起下鉆頂通錯開漏失層。

(2)降低失水，改善泥餅質量，加強造壁作用，防止因形成厚泥餅而引起環空間隙縮小。

3.1.3 工程預防措施

(1)進入易漏層位前起鉆簡化鉆具組合，放大鉆頭水眼。

(2)鉆進易漏地層前進行一次短起下作業，清除井壁，暢通井眼，減小ECD。

(3)嚴格控制起下鉆速度，避免壓力“激動”過大。壓漏地層，下鉆中途頂通避開漏層位置，下鉆到底先以小排量開泵，均勻提高排量，以免憋漏地層。

(4)鉆進時每打完一單根劃眼1～2次，延長泥漿攜砂時間，降低環空鉆屑濃度。易漏地層鉆進時注意控制泵排量，在滿足攜砂前提下盡量使用小排量，通過接單根前技術劃眼彌補攜砂。

(5)下鉆時如發現連下三柱鉆桿井口不返漿，應立即起鉆至安全井段，分析原因，禁止強行下鉆。

(6)加強坐崗，發現井漏立即匯報，及時采取措施。

3.2 井塌的預防與處理

3.2.1 井塌的預防

(1)鉆井液密度是防塌的基礎，因此，必須嚴格按照設計維護鉆井液密度。

(2)保證鉆井液性能的穩定，保持良好的流變性，一要防止沖刷造成井塌，二要防止切力過高而產生較大的壓力“激動”。

(3)如井眼不規則，起下鉆困難，在起鉆時，可以用防塌劑封閉液封井塌井段。

3.2.2 井塌的處理

首先適當提高鉆井液密度、補充防塌降濾失材料，同時適當提高鉆井液粘度、切力，以提高鉆井液的攜巖能力，凈化井眼，減少鉆井液對井壁的沖刷。本井沙河街井段采用密度1.25 g/cm3時，起鉆出現了坍塌，通過提高密度，降低失水量，提高粘度及切力，解決了坍塌的問題。

3.3 卡鉆的預防

(1) 增強泥漿的潤滑性是防卡的重點，防卡主要從鉆井液潤滑、防塌、井眼凈化、減少壓差工程措施方面入手。

(2)潤滑以液體潤滑劑、石墨等為主，保持鉆井液中潤滑劑的有效含量，滿足潤滑防卡的要求，如果在鉆進過程中有拉力異常現象，則補充潤滑劑、石墨等，以保證施工正常。

(3)上部軟地層快速鉆井時，每打完一個單根后劃眼1～2遍，使井底的巖屑返得高一些，再接單根。

(4)保證固控系統的運轉與有效性，上部地層用好離心機，清除鉆井液中的劣質固相，控制含砂量<0.3%，保持體系良好的流變性。

(5)鉆進一定時間或一定深度，根據井下情況，適時搞好短起下工作，清除虛泥餅，確保井壁清潔，井眼暢通。

(6)沉砂及砂橋卡鉆主要是由于鉆井液懸浮性不好或處理鉆井液時粘切降得過低，致使巖屑甚至重晶石沉淀，埋住部分鉆具，或者下鉆遇阻強行壓入沉砂，以及接完單根后快速下放鉆具使鉆頭和鉆鋌插入沉砂，從而造成沉砂卡鉆。此時可以小排量頂通，再用粘度切力高一些的鉆井液邊循環邊活動鉆具，清洗沉砂，達到解卡的目的，切忌開泵過猛、強提、硬壓，強扭、猛轉鉆具，造成進一步的復雜。

(7)井塌卡鉆是鉆進或起下鉆過程中突然發生的井塌造成的卡鉆。多是由于上提或下放速度過快，造成強烈的抽吸或擠壓；或由于開泵過猛、鉆具對井壁的撞擊；以及井漏、起鉆未灌好鉆井液等原因發生突然坍塌，大量坍塌物將鉆具卡死。此時如果憋泵，則應以最快的速度拆凡爾，小排量頂通建立循環，再逐漸增大排量，用高粘切的鉆井液將坍塌物帶出。

(8)泥包卡鉆，發生泥包卡鉆后，首先可以降低粘切，大排量循環沖刷鉆頭及扶正器，如果還不能解卡，可以浸泡柴油，使包在鉆頭和扶正器處的粘泥松散后活動解卡。

3.4 油氣侵的預防

(1)施工期間控制合適的鉆井液密度，根據相關資料，該地區需控制鉆井液密度在1.20 g/cm3以上，本井鉆至沙河街組地層前，鉆井液密度逐漸增加到1.24 g/cm3，之后再根據情況進行調整。

(2)鉆進或循環時，鉆井液進出口密度差≯0.02 g/cm3。

(3)鉆進時發現油、氣、水侵，停止鉆進，循環觀察，加密測量鉆井液密度和粘度，及時進行壓井。

(4) 施工期間提示鉆井隊人員認真坐崗，異常情況及時匯報，以便采取關井及其它措施。

(5) 儲存足夠量的加重材料，保持封井設備完好并按照規定進行演練。

4 配套技術措施

4.1 固控系統

(1)開鉆前按科學打井的有關規定安裝好循環系統，使之能滿足堵漏、壓井和鉆塞洗井等特殊施工作業要求。

(2)施工中配備并使用了四級凈化設備，并保證在施工中能正常運轉，性能良好，沒有運轉良好的固控設備，幾乎談不上對鉆井液性能的的控制。本井配備了三臺GX/S型雙軌跡振動篩，單臺最大處理量55 L/s,振動篩雙電機開啟做直線軌跡振動，振動篩三臺電機開啟做橢圓軌跡振動，一開和二開鉆進及鉆井液循環期間，振動篩100%使用，一開使用120目篩網，二開使用120～150目篩網；配備了ZQJ/S型除砂除泥一體機，一開和二開鉆進及鉆井液循環期間鉆進100%使用；配備了LW450/1800型中速離心機、LW355/2800型高速離心機，2100 m以淺施工時，進尺很快，中速離心機幾乎100%使用，2100 m后鉆井液采用重晶石加重后，離心機間斷使用，每天開啟1～2個循環。

4.2 工程措施

(1)一開和二開大井眼井段施工時，使用兩臺F-1600型泥漿泵，保證鉆井液泵排量達到設計要求，以滿足攜砂要求，避免在此井段用單泵鉆進。

(2)鉆進過程中，出現進尺過快時，注意適當循環鉆井液，以降低鉆頭附近井眼鉆井液中巖屑的濃度，凈化井眼，確保井下安全。

(3)控制起下鉆速度，減少壓力“激動”而引起的井塌、井漏事故。起鉆時灌滿鉆井液。二開深井段下鉆時分段循環，下鉆到底先用單泵小排量頂通，正常后再雙泵大排量循環。中途分段打通時避開易塌井段及復雜井段，本井在沙河街段采取了盡量短時間循環的措施。

5 幾點認識

(1)使用以大分子KPAM包被劑為主的聚合物泥漿及抗高溫硅基防塌泥漿，使用頁巖抑制劑及降失水劑，同時考慮鉆井液材料的耐溫性，鉆井液具有良好性能，能夠保證鉆進安全，又能獲得較高機械鉆速。

(2)沙河街地層要使用合適密度的加重鉆井液，以便達到平衡地層壓力，保證井壁穩定的目的，同時控制鉆井液的中壓失水量<5 mL/30 min。

(3)配備良好的固控設備并合理使用，是維護好鉆井液性能的基礎保障；沒有良好的固控設備來及時清除巖屑及其它有害成分，靠稀釋排放鉆井液來維護鉆井液性能，不僅僅是一種浪費，也不能及時有效地控制好鉆井液性能。