關(guān)中盆地地熱鉆井施工常見問題預(yù)防及處理方法探討

陳建兵， 王振福

(陜西地礦集團有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

關(guān)中盆地地熱資源豐富，區(qū)域內(nèi)發(fā)育數(shù)條深大斷裂，主要有秦嶺北側(cè)山前大斷裂，余下—鐵爐子斷裂，渭河斷裂，驪山北側(cè)斷裂，臨潼—長安斷裂[1]，斷裂的存在為盆地內(nèi)地熱田的形成提供了必要的條件，通過地下水這個載體，形成了多個帶狀熱儲和層狀熱儲[2]。區(qū)內(nèi)新生界沉積厚度最大達7000 m，從上而下依次沉積有第四系秦川群、三門組；新近系張家坡組、藍田—灞河組、高陵群；古近系白鹿塬組、紅河組、甘河組[3]。地層的埋藏厚度在各地區(qū)差異較大，盆地內(nèi)新生界埋藏淺的地區(qū)地熱開發(fā)以裂隙水為主，而盆地中心地區(qū)地熱開發(fā)以層狀熱儲為主，開發(fā)利用程度較高，開采的熱儲層有張家坡組熱儲層、藍田-灞河組熱儲層、高陵群熱儲層、白鹿塬組熱儲層[4]。

關(guān)中盆地內(nèi)地熱勘查開發(fā)以地熱鉆探的方式為主。天然出露的帶狀熱儲類型，鉆井深度一般控制在1000 m以淺；隱伏的盆地型層狀熱儲，鉆井深度目前已經(jīng)超過4000 m。地熱井常采用二開井身結(jié)構(gòu)，一開為泵室段，鉆孔直徑一般為444.5 mm，二開孔徑為241.3 mm[5-6]。鉆井施工中常遇到第四系松散層坍塌、粘性土造漿、鉆頭泥包、高溫導(dǎo)致鉆井液性能惡化、鉆具落井等一系列問題(見表1)[7]。筆者對參與過的近百口地熱井施工中出現(xiàn)的問題總結(jié)發(fā)現(xiàn)，盆地內(nèi)第四系松散層坍塌問題主要出現(xiàn)在井位處于渭河及其大的支流的河漫灘的地熱井，施工中絕大多數(shù)都會出現(xiàn)不同程度的坍塌問題；粘性土造漿和泥包鉆頭多發(fā)生在第四系下部及新近系地層中；高溫導(dǎo)致鉆井液性能惡化問題一般發(fā)生在3000 m以深的超深高溫井施工中。

表1 地熱井(部分)施工中發(fā)生的問題及事故匯總Table 1 Summary of common problems in geothermal drilling

1 第四系松散層坍塌的預(yù)防及處理

盆地中第四系淺部地層比較松散，在一些河流漫灘、古河道內(nèi)，沉積有較厚的松散砂層(見圖1)。鉆進中當鉆井液粘度低、密度小時，有些較大顆粒物不能正常攜帶出井；或者因排量過大，鉆井液長時間沖刷井內(nèi)同一位置出現(xiàn)垮塌，孔內(nèi)出現(xiàn)“大肚子”，巖屑不能正常返回，沉積井底，導(dǎo)致鉆進速度變慢，甚至影響正常施工。

1.1 問題及原因

以西瑞糧油基地地熱井為例，開孔后地表以下5 m鉆遇較厚的松散砂層，鉆進至30 m后，接單根時探底井底已有2～3 m的沉砂，開泵緩慢沖洗至井底繼續(xù)鉆進，以后每接一次單根，都需開泵沖砂，井底的沉淀物也越來越多，鉆井液的消耗較大，儲備量不足，只能采用清水補充，鉆進井深到100 m時，井底的沉砂已經(jīng)超過了10 m，無法接單根，處理過程中還出現(xiàn)輕微埋鉆現(xiàn)象，導(dǎo)致無法施工。同樣的問題也出現(xiàn)在裕興農(nóng)業(yè)地熱井施工中。

這些處于古老河床的地熱井，開孔地層以砂層為主，粘土含量極低，并含有大量的砂礫石，地層松散，滲透率極強，鉆井液消耗量較大，如果鉆井液粘度低，會出現(xiàn)攜砂和護壁困難，井壁垮塌，地層中的砂礫石以及卵石不能被鉆井液正常攜帶到地面，滯留在井底，往往鉆進幾十米或者近百米后，不能繼續(xù)施工，被迫停工，處理事故時間往往長達一個星期。

圖1 松散砂層巖心及巖樣Fig.1 Cores and cutting samples in loose sand

出現(xiàn)此類問題的原因主要有第四系松散砂層本身膠結(jié)差，易坍塌，井壁容易失穩(wěn)；其次是地層孔隙度大，漏失嚴重，施工準備不足，鉆井液儲備量少，發(fā)生漏失時，用清水補充鉆井液，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定，粘度低，攜砂能力差；第三就是沉砂不能及時排出地面，沖砂時鉆頭在一個位置長時間停留，導(dǎo)致井壁破壞，攜砂更加困難。

1.2 預(yù)防及處理

在井位處于老河床，地層中沉積了較厚的砂層、砂礫石及卵石地層的地熱井施工中，一定要做好表層準備工作，提前了解地層情況，鉆井液性能要適宜地層的需要，鉆井液儲備量要充足。

鉆井液使用膨潤土、Hv-CMC以及純堿等材料。鉆井液性能要求高粘度，具備攜帶和懸浮巖屑的能力，同時要具有很強的護壁能力。鉆井液儲備量應(yīng)滿足鉆穿該地層的損失量，在鉆遇高漏失的砂礫卵石松散地層時，及時補充性能穩(wěn)定的鉆井液，保證施工正常進行。

以上措施在后期幾口井表層施工中得到了充分的驗證：灞河西岸馮家灘地熱井、東大村地熱井地表下1～2 m就是巨厚的砂層，厚度超過百米，幾乎沒有粘土層，地層多以砂、砂礫石、卵石為主，雖然也有井底沉砂，但提前儲備了兩倍于一開容積的鉆井液，鉆井液用膨潤土、Hv-CMC及純堿配置而成，膨潤土提前24 h進行了預(yù)水化，鉆井液的粘度達到了35 s，施工較為順利，未出現(xiàn)坍塌問題及事故。

地熱井表層施工中出現(xiàn)坍塌問題時，較輕微時應(yīng)及時改善鉆井液性能，保證鉆井液有較高的粘度及護壁性能，防止坍塌進一步擴大。西瑞糧油基地地熱井就是處理不及時以及處理方法措施不當，導(dǎo)致坍塌嚴重不能正常施工，最后采取了用粘性土填井重新施工。

2 粘性土造漿問題的預(yù)防及處理

在鉆遇較厚的粘性土地層時，鉆井液粘度會急劇上升，固相含量增大，密度升高，含砂量變大，鉆井液性能惡化使鉆進速度明顯降低，易發(fā)生井下復(fù)雜情況，或者引發(fā)鉆井事故。

2.1 問題及原因

以煜陽基地地熱井為例，在未鉆遇純粘土層時，鉆井液性能良好，鉆進速度較快。該地熱井鉆進到200 m以深就鉆遇第四系粘土地層，粘土水化后逐漸進入鉆井液體系，鉆井液性能發(fā)生變化(見表2)，密度迅速上升至1.20 g/cm3以上，粘度達40～50 s，流動性變差；鉆進速度明顯變慢，鉆時由1～2 min/m變?yōu)?～10 min/m；鉆井液性能急劇惡化，井壁上形成較差的厚泥皮，起下鉆時出現(xiàn)了拔活塞，鉆桿接頭上粘附較多泥餅；短起下開泵循環(huán)時，泵壓比原來高出50%以上；鉆井液成塊狀，上返困難，井口還出現(xiàn)了大量的泥條。

表2 煜陽基地地熱井鉆井液及鉆時變化對應(yīng)Table 2 Drilling time vs drilling fluid properties in geothermaldrilling at the Yuyang base

還有就是在新近系地層鉆進時，泥巖中的粘性土含量較高，容易懸浮于鉆井液中，如果鉆井液中的固相含量不及時清除凈化，也會出現(xiàn)鉆井液密度增大、粘度升高，造成鉆速下降問題，甚至出現(xiàn)吸附卡鉆事故[8]。

粘性土造漿的主要原因是地質(zhì)原因，這類地層中粘性土含量高、純度大，而粘性土易水化，懸浮于鉆井液中。其次是人為因素，施工人員對地層資料信息了解不夠，沒有制定應(yīng)對措施，施工中生產(chǎn)責任意識差，沒有及時發(fā)現(xiàn)問題并做出處理措施。

2.2 預(yù)防及處理

施工前收集周邊鉆井資料，了解地層情況，對于厚度大于100 m的粘性土地層，要制定專項預(yù)案，施工中發(fā)現(xiàn)巖樣連續(xù)為粘性土，鉆井液密度、粘度變化率超過10%以上時，應(yīng)立即加密測量鉆井液性能，從1 h測量一次改為30 min一次。如果密度、粘度快速增大，立即采用以下措施：一是要加大低粘度鉆井液的補充量，對井內(nèi)鉆井液進行稀釋；二是要增加鉆井液絮凝處理劑的用量，降低鉆井液中的固相含量[9]；三是必要時使用離心機、除泥器等鉆井液固控設(shè)備，降低固相含量，控制好鉆井液性能。如果鉆井液密度、粘度已經(jīng)過高，處理困難，可重新配置新液，對井內(nèi)鉆井液進行緩慢置換，直到性能基本達到鉆井需要，然后按要求進行性能維護。

3 坍塌埋鉆問題的預(yù)防及處理

出現(xiàn)井壁坍塌的原因主要是地層疏松破碎，膠結(jié)程度差。有的坍塌問題出現(xiàn)在第四系松散砂層，有的出現(xiàn)在新近系中一些硬脆性地層之中；其次就是井內(nèi)壓力失衡、井壁失穩(wěn)，一般當鉆孔中的液柱壓力低于地層壓力時，就會出現(xiàn)地層坍塌，不及時處理，就會出現(xiàn)井下復(fù)雜情況甚至埋鉆事故。

3.1 問題及原因

以石油大學新校區(qū)、中糧興平基地及裕興農(nóng)業(yè)等地熱井出現(xiàn)的坍塌埋鉆事故為例。石油大學新校區(qū)地熱井鉆進至井深3600 m時，鉆遇異常高壓地層，井內(nèi)液注壓力低于地層壓力，地層中的熱水緩慢滲入，不斷稀釋鉆井液，夜班光線較差不易觀察，施工人員沒有及時發(fā)現(xiàn)這個異?，F(xiàn)象，等發(fā)現(xiàn)時鉆井液密度已經(jīng)由1.13 g/cm3變?yōu)?.08 g/cm3，停泵觀察涌水量已經(jīng)變大，在起鉆過程中井壁坍塌，上提遇阻，倒劃眼后坍塌嚴重，開泵困難，發(fā)生了塌孔埋鉆事故。

裕興農(nóng)業(yè)地熱井完鉆后起鉆止600多米時突然遇阻，不能上提下放，開泵不能建立循環(huán)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)灌漿管線出現(xiàn)阻塞，起鉆過程中泥漿沒有灌入井內(nèi)，井內(nèi)液面下降過多，液柱壓力降低導(dǎo)致井壁坍塌發(fā)生埋鉆卡鉆事故。

中糧興平基地地熱井埋鉆原因是鉆遇漏失地層，當鉆進至2545 m時，突然出現(xiàn)泵壓下降現(xiàn)象，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)井口不返漿，起鉆過程中遇阻嚴重，強力起出5柱鉆具后，發(fā)生埋鉆事故鉆具卡死。

地熱井出現(xiàn)坍塌埋鉆事故的原因有地質(zhì)因素和人為因素兩個方面。施工中鉆遇異常高壓地層時，地層中的熱水就會涌入井內(nèi)，稀釋鉆井液，井筒壓力下降，造成井壁失穩(wěn)坍塌埋鉆；另外就是鉆遇漏失地層，井內(nèi)液面迅速下降[10]，液柱壓力降低，井壁失穩(wěn)，地層坍塌出現(xiàn)埋鉆事故；還有就是不按操作規(guī)程施工造成井內(nèi)液面下降，液柱壓力降低，出現(xiàn)井壁失穩(wěn)坍塌埋鉆。當然也有出現(xiàn)上述復(fù)雜情況時，處理不及時或者措施不當造成事故的發(fā)生。

3.2 預(yù)防及處理

坍塌埋鉆是一種較為惡性的鉆井事故，容易導(dǎo)致鉆孔報廢，因此要預(yù)防此類鉆井事故的發(fā)生。一般要求在鉆井前必須熟悉地質(zhì)基礎(chǔ)資料，了解是否存在異常高(低)壓地層或者裂隙易漏地層，根據(jù)情況編制專項方案，制定一系列的預(yù)案措施。鉆遇高壓地層應(yīng)準備一定數(shù)量的加重劑，鉆遇低壓易漏地層應(yīng)準備堵漏材料并儲備充足的鉆井液量，施工中要按照工程設(shè)計嚴格規(guī)范操作，鉆遇異常地層時注意觀察鉆井液的變化情況，出現(xiàn)異常情況按制定的預(yù)案進行處置；另外在起鉆過程中，嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，按要求灌注鉆井液，保持井筒液柱壓力平衡。

坍塌埋鉆初期，應(yīng)盡快建立循環(huán)，盡量活動鉆具，循環(huán)出坍塌物，恢復(fù)井眼暢通。石油大學新校區(qū)地熱井出現(xiàn)坍塌埋鉆后，一直采用小泵量循環(huán)，安排有經(jīng)驗的司鉆不停的活動鉆具，最終解卡，提出鉆具。采用加重劑調(diào)配鉆井液，從塌孔位置劃眼通井直至井底，成功處理了這次坍塌埋鉆事故。

裕興農(nóng)業(yè)地熱井埋鉆后，不能建立循環(huán)，采用了倒扣套銑的方法。該井坍塌位置較淺，坍塌井段較短，最后成功處理埋鉆事故。

中糧興平基地地熱井也采用倒扣套銑的方法，套銑了半月時間因處理成本太大放棄套銑方案，最后在井內(nèi)側(cè)鉆完井，報廢了1000多米井段。還有些井因成本原因不能處理只能報廢移井位重新施工。

4 鉆頭泥包問題的預(yù)防及處理

鉆頭泥包一般發(fā)生在塑性粘土泥巖地層中，粘性土水化后在鉆頭上吸附，隨著時間的推移，吸附物越來越多，直至包住鉆頭(見圖2)。鉆頭泥包后表現(xiàn)為鉆速變慢，起鉆困難，出現(xiàn)拔活塞現(xiàn)象等。

圖2 鉆頭泥包Fig.2 Drill bit balling

4.1 問題及原因

咸陽文林路的文熱二號、文熱五號及涇陽縣龍泉時代新城等地熱井，施工中鉆遇新近系中新統(tǒng)高陵群一套純泥巖地層時(見圖3)，出現(xiàn)了鉆速減慢現(xiàn)象，沒有及時采取處理措施，到后來鉆速越來越慢，最慢時達100 min/m以上(正常鉆速10 min/m)，起出鉆頭發(fā)現(xiàn)整個鉆頭被紅色粘性土包死。另外在一些地熱井表層施工中也遇到了較厚的粘土層，表現(xiàn)為鉆井液的粘度急劇增高，鉆速變慢，起鉆時阻力較大，起出鉆頭后都發(fā)現(xiàn)鉆頭全部泥包。

圖3 新近系紅色泥巖巖心及巖樣 Fig.3 Cores and cutting samples of red mudstone in Neogene

發(fā)生鉆頭泥包的地層中一般富含高嶺土、蒙脫石、伊利石、綠泥石等粘土礦物，其顆粒細小，水化后進入鉆井液體系中，造成鉆井液固相含量升高，粘度增大，同時粘土礦物水化吸附在鉆頭上，不及時清除，就會造成鉆頭自潔能力下降，鉆頭被包住，鉆速下降。

4.2 預(yù)防及處理

鉆頭泥包與鉆遇地層關(guān)系極大，在施工前應(yīng)詳細了解地層情況，鉆進過程中應(yīng)及時觀察上返的地層巖屑，如果發(fā)現(xiàn)地層變?yōu)檎承酝粱蛘承阅鄮r時，密切注意鉆井液性能的變化，控制好鉆井液的粘度，當粘度有上升趨勢，應(yīng)立即添加聚合物等化學藥劑降低粘度，同時，加大鉆井液泵排量，將巖屑快速沖離鉆頭部位，避免包住鉆頭。

當判斷鉆頭出現(xiàn)輕微泥包時，可采用較高轉(zhuǎn)速結(jié)合大排量對鉆頭進行清洗，減小鉆頭泥包程度，并每隔一段時間采取這種措施，鉆穿此類地層后，鉆頭泥包情況就會解決。如果泥包嚴重，可以起鉆清除。

5 高溫導(dǎo)致鉆井液性能惡化問題的預(yù)防及處理

地熱井井下溫度直接影響鉆井液的流變性、粘度及穩(wěn)定性[11]。關(guān)中盆地的地溫梯度一般在3 ℃/100 m以上，3000 m以深的地熱井井下溫度普遍在100 ℃以上，鉆進施工中在地面測量鉆井液循環(huán)溫度為60～70 ℃(見表3)，低溫條件下的鉆井液體系在高溫時性能就會發(fā)生變化，導(dǎo)致出現(xiàn)井下復(fù)雜情況或者井下事故，影響鉆井施工。

表3 部分地熱井測井井底溫度及鉆井液地面溫度Table 3 Drilling fluid surface temperature and borehole bottomtemperature logged in some geothermal wells

5.1 問題及原因

文博地產(chǎn)地熱井鉆井深度為3800 m，完鉆后進行測井前的通井作業(yè)，下鉆距離井底約50 m時，發(fā)現(xiàn)下放阻力較大，隨即開泵循環(huán)，開泵較為困難，泵壓較高，井內(nèi)流出的鉆井液流動性明顯很差，測量鉆井液粘度達90 s，比正常的幾乎高出1倍。陽光小區(qū)地熱井也是在完鉆通井時出現(xiàn)鉆井液性能惡化，循環(huán)過程中還壓漏地層，發(fā)生了吸附卡鉆事故。

上述地熱井深度大、井下溫度高，其中文博地產(chǎn)地熱井物探測井井底溫度128 ℃，陽光小區(qū)地熱井井底溫度也在120 ℃以上。陽光小區(qū)地熱井施工前沒有預(yù)判到井溫對鉆井液的影響，導(dǎo)致鉆井液出現(xiàn)了輕微固化現(xiàn)象，流變性變差，粘度升高，井下出現(xiàn)了復(fù)雜情況，最終發(fā)生了卡鉆事故。

5.2 預(yù)防及處理

高溫下鉆井液性能發(fā)生變化，一般都是鉆井液藥品抗溫性能差造成的。不同的地區(qū)的地溫梯度差異較大，因此施工前要準確預(yù)測地熱井的井底溫度，采用合適的鉆井液處理藥品，目前關(guān)中盆地地熱井施工中抗高溫鉆井液藥品一般使用磺化瀝青粉、磺化褐煤、磺甲基酚醛樹脂以及一些包被劑，這些藥品在高溫下能保證鉆井液的流變性，并且具有一定的防塌性能。

井下高溫導(dǎo)致鉆井液性能惡化時，應(yīng)采用抗高溫藥品改善和調(diào)整鉆井液性能。文博地產(chǎn)地熱井立即采用調(diào)整鉆井液性能的方案，向原鉆井液中分別添加0.5 t磺化褐煤及磺甲基酚醛樹脂，處理鉆井液約100 m3，緩慢循環(huán)一周后，鉆井液粘度恢復(fù)到42 s，性能趨于穩(wěn)定(見圖4)。后期測井、下套管等完井作業(yè)非常順利。陽光小區(qū)地熱井出現(xiàn)鉆井液性能惡化并導(dǎo)致卡鉆事故后，施工單位分析原因，緊急從廠家購置抗高溫鉆井液處理藥品，重新配置新鉆井液，歷時半個多月時間，成功處理卡鉆事故，井下恢復(fù)正常，后期施工順利完成。

圖4 性能穩(wěn)定的鉆井液Fig.4 Drilling fluid with stable properties

6 鉆具落井問題的預(yù)防及處理

鉆具斷落是鉆井過程中經(jīng)常碰到的事故。鉆具斷落之后，如不及時處理，還會發(fā)生卡鉆事故。鉆具斷落原因一般是由于鉆具疲勞折斷、機械破壞、短路循環(huán)出現(xiàn)鉆具刺斷、扭斷鉆具等。

6.1 問題及原因

咸陽污水處理廠地熱井在施工中鉆遇古近系漸新統(tǒng)甘河組地層，該套地層以礫巖為主，地層較為堅硬，鉆進中頻繁出現(xiàn)跳鉆現(xiàn)象，施工中多次發(fā)現(xiàn)泵壓下降，鉆進無進尺，上提鉆具發(fā)現(xiàn)懸重降低，提鉆后檢查鉆具落井。該地熱井施工中共發(fā)生鉆具落井事故5次，有鉆鋌斷落事故，有鉆桿斷落事故。周至樓觀臺地熱井鉆遇地層也是以礫巖為主，鉆進中跳鉆很嚴重，發(fā)生了多次鉆鋌落井事故。

鉆具落井的主要原因是地層原因，多發(fā)生在礫巖或基巖地層(見圖5)，這類地層一般硬度大，易發(fā)生跳鉆現(xiàn)象，如果鉆具組合中未安裝減震裝置，頻繁的跳鉆導(dǎo)致鉆具絲扣出現(xiàn)疲勞破壞，從而出現(xiàn)鉆具的落井事故。還有就是鉆具質(zhì)量原因，鉆具長期使用會出現(xiàn)不同程度的損傷，如果不進行探傷置換就會埋下安全隱患，施工中遇到井下復(fù)雜情況就容易發(fā)生鉆具斷落事故。

圖5 基巖巖心及巖樣Fig.5 Cores and cutting samples of bedrock

6.2 預(yù)防及處理

為了減少或者防止鉆具斷落事故，施工中要加強鉆具管理，定期對鉆具進行探傷，使用中要嚴格檢查絲扣磨損情況，鉆具使用后要進行防銹防腐蝕處理，有問題的鉆具堅決不入井使用。同時為了減少事故損失，施工現(xiàn)場要配備打撈鉆具的公錐、母錐、打撈筒等常用撈具，保證出現(xiàn)鉆具事故時能及時處理。鉆井過程中嚴格按照鉆井規(guī)程操作，防止人為原因造成鉆具扭斷、刺漏落井事故；同時施工中要認真負責，發(fā)現(xiàn)鉆具異常情況要及時判斷處理，保證第一時間發(fā)現(xiàn)，第一時間處理，防止事故惡化。

絲扣損壞的鉆具落井事故，一般采用公錐打撈，鉆具本體損壞或者內(nèi)徑變形的事故采用母錐、打撈筒處理(見圖6)。咸陽污水處理廠地熱井施工現(xiàn)場配備了公錐等打撈工具，所有的事故都是一次處理成功。周至樓觀臺地熱井發(fā)生鉆具落井事故后，由于鉆進速度較慢，施工人員沒有及時發(fā)現(xiàn)，巖屑將“落魚”卡住，使用公錐打撈時，井下鉆具卡死，采用套銑筒套銑到鉆頭位置后，才將落井鉆具撈出。

圖6 打撈筒打撈鉆具Fig.6 Fishing drilling tools with the overshot

7 結(jié)語

通過以上案例分析可知，關(guān)中盆地地熱井鉆井施工問題產(chǎn)生的最主要原因為地質(zhì)原因。處于古河道的第四系砂層松散、厚度大，容易出現(xiàn)鉆井液漏失和井壁坍塌現(xiàn)象；粘土地層易水化造漿；異常壓力地層容易出現(xiàn)井內(nèi)壓力失衡；超深井井下溫度高，會導(dǎo)致鉆井液性能變化；基巖及卵礫石地層巖石硬度大，會出現(xiàn)“跳鉆”現(xiàn)象，易產(chǎn)生鉆具疲勞破壞。其次就是人為原因，施工人員責任心不強，不按操作規(guī)程施工。井下事故的發(fā)生一般都不是單方面的原因，往往是多重原因疊加，因此，在地熱井鉆井施工中，只有采用科學的技術(shù)和合理的工藝，嚴格按照施工規(guī)范和要求，才能減少或者避免鉆井事故的發(fā)生。