馬頭營鉆井工藝技術研究

張建永ZHANG Jian-yong

（河北省煤田地質局第二地質隊，邢臺 054000）

0 引言

2015 年11 月30 日，習近平主席在法國巴黎出席聯合國氣候變化大會上，提出構建低碳能源體系，地熱能利用規模達到5000 萬噸標準煤。2020 年我國地熱利用，實現每年替代標準煤7000 萬噸，將減排二氧化碳1.7 億噸，對于我國應對氣候變化、履行《巴黎協定》中國承諾具有重要意義。

京津冀地區深受霧霾影響，同時本地區地熱資源賦存條件較好（張國斌，2006），大力開發利用地熱資源，對于京津冀地區調整能源供應結構、保障能源供應安全、緩解霧霾、促進地區經濟社會發展具有重要的作用（藺文靜等，2013）。在此背景下，河北省煤田地質局第二地質隊，開展了“河北省樂亭縣馬頭營區干熱巖地熱資源地質調查孔”項目。孔位位于河北省曹妃甸區大莊河村南，在3960m 深處鉆獲了溫度為150℃的干熱巖體。地熱資源開發的成敗很大程度上取決于鉆井結果的成敗。隨著鉆探設備能力、地熱開發深度和廣度的發展，鉆井工藝的選擇以及施工程序直接影響著地熱資源的開發利用效率。

1 M-1 井概況

1.1 地質概況

1.1.1 地層概況

M-1 井鉆獲資料與測井成果資料相結合，M-1 井主要鉆遇地層有：第四系（Q），新近系館陶組（N1g）、新近系明化鎮組（N2m）、太古界（Ar）。M-1 井新生界地層主要巖性為粘土、泥巖、砂巖等，結構松散；太古界上部以變質花崗閃長巖、變質英云閃長巖為主，局部有黑云斜長片麻巖及角閃石巖包裹體；下部巖性以變質角閃二長花崗巖為主，夾有斜長角山巖、角閃石巖包裹體。局部地層較為破碎，破碎巖層以斜長角山巖包裹體或包裹體接觸帶為主，見有變質韻律層；隨著深度的增加，節理發育逐漸減少；長英質脈寬呈減小的趨勢；主要蝕變礦物由中低溫蝕變礦物綠泥石化礦物過渡到高溫蝕變礦物綠簾石化礦物。主要地層巖性見表1。

表1 M-1 井地層表

1.1.2 構造概況

M-1 井構造位置處于華北地臺（Ⅰ2）的華北斷拗（Ⅱ4 2）的北緣（劉彥君，2008）。黃驊坳陷（Ⅲ）北部的馬頭營凸起區（圖1）。

圖1 構造單元劃分圖

1.2 鉆探施工概況

1.2.1 井身結構

本井采用多級結構、分層取芯的施工方法進行鉆探施工。具體井身結構如下：0-58.53m 井段：井徑為Φ640mm，下入Φ478mm 護壁管并進行常規固井；58.53-1402.07m井段：井徑為Φ444.5mm，下入Φ339.7mm 石油套管，采用隔熱水泥固井；1402.07 -4002.74m 井段： 井徑為Φ241.3mm，裸眼完井。

井身結構及井身結構數據見圖2。

圖2 井身結構示意圖

1.2.2 施工技術難點

①進入太古界后，巖體以淺變質，中深變質為主，具有硬度高，研磨性強，鉆效較低的特點。

②井溫高，所帶來的一系列問題，如泥漿溫度高，造成泥漿泵件易老化（圖3）和潛在的高溫燙傷危險。

圖3 高溫老化的膠碗

③泥漿抗高溫性能差。前期使用不分散聚合物鹽水泥漿，面臨的突出問題是泥漿的失水率較高（圖4a），泥漿稠化（圖4b）、起泡、腐蝕性強等，后期改用抗高溫鹽水泥漿，以上問題得到一定的緩解。

圖4 泥漿性能

2 M-1 井施工工藝技術

2.1 耐高溫泥漿液配比與性能

2.1.1 鉆井液的配比

為適應井下高溫作業環境，本井采用抗高溫鉆井液體系，以保障泥漿性能的穩定性。本井施工階段分為兩個階段，前期以泥漿池容器，通過海水來進行泥漿調配；后期以泥漿罐為容器，采用淡水來調配泥漿。通過兩個階段的實驗對比，淡水調配泥漿大幅度降低了泥漿材料消耗量（表2），成本相對減少約45%。

表2 泥漿配置表

2.1.2 鉆井液性能

M-1 井，通過兩個階段施工，不同液體基底與泥漿容器的差異，在泥漿的性能上也具有較大差異，其泥漿罐的使用提高泥漿散熱性能，采用淡水調配泥漿，促使泥漿性能更加穩定（表3），為后期開展高溫、超深、硬巖鉆探工作，提供了泥漿液配比實踐經驗和數據。

表3 泥漿液性能表

2.2 鉆效影響因素

2.2.1 鉆頭選擇

M-1 井1376-4002.74m（太古界地層），厚2626.74m（未揭穿）。1376-2628m 巖性以變質花崗閃長巖、變質英云閃長巖為主，局部有黑云斜長片麻巖及角閃石巖包裹體；2628-4000m 巖性以變質角閃二長花崗巖為主，夾有斜長角山巖、角閃石巖包裹體，以上巖性成分以斜長石、鉀長石、石英等為主。此類巖石巖性堅硬、研磨性強，鉆頭克取巖石困難，鉆進效率低，胎體保徑性能差；破碎、松散較嚴重，鉆頭早期磨損嚴重。早期使用HJ637G（牙輪鉆頭）、HJT637GL（加強包徑楔形牙輪鉆頭），保徑磨損嚴重，入井241.3mm，出井237mm，平均速度1.53m/h，且有掉齒現象（圖5a），增加了取芯危險性，后期多采用HJT637GLY（加強包徑圓頭牙輪鉆頭），保徑磨損情況有所改善，無掉齒現象（圖5b），平均鉆速1.73m/h，詳見表4。

表4 鉆頭鉆速表

圖5 鉆頭使用情況

2.2.2 鉆進參數

根據鉆遇地層情況，及現場鉆具情況，前期采用大泵量，泵壓逐步從9MPa 上升到15MPa，現場鉆具疲勞損傷，易發生斷管事件，在此前提下調了泥漿泵排量，從29.8L/S降低到18.33L/S（見表5）。

表5 鉆進鉆井參數選用表

2.2.3 鉆進效率

M-1 井在三開后，同等井徑狀態下，通過不同施工工藝調整，鉆效變化較大（見圖6），使用螺桿后鉆效明顯提高。后期鉆效逐漸降低，原因在于排量逐步降低，使螺桿效力逐漸降低，從而降低了鉆效。本井使用的7L Z172-7.0-5XL-SF 型和7L Z172*7.0—XISF 型螺桿。

圖6 鉆速參考因素圖

3 結論

①采用的抗高溫鉆井液技術，具有坑高溫、低濾失的優點，泥漿的流變性，攜巖能力強，在高溫條件下泥漿性能穩定效果顯著。②M-1 井，熱儲層的巖性硬度高，研磨性強。通過鉆探施工中鉆頭的優選實驗，使用加強包徑圓頭牙輪鉆頭，具有鉆效較快，無掉齒的優點，是青海共和盆地GR1 井使用的孕鑲金剛石全面鉆頭后，發現的又一種具有高溫條件下優秀表現的鉆頭，對于變質巖、花崗巖地層鉆效低，易掰齒的問題，該鉆頭成功解決了上述問題，提高了鉆效，縮短了建井周期。③螺桿復合鉆進技術的應用，對于高溫、硬巖、超深鉆探工程存在鉆效低的問題，具有較好的應用效果，平均鉆速1.59m/h。