螺杆钻具在煤系地层地热井工程中的应用

2012-09-05张新春郭东升李建涛

地下水 2012年1期

张新春，郭东升，李建涛

(1.河南省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队，河南郑州 450053;2.河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南南阳 473003;3.河南省地质矿产勘查开发局第十一地质队，河南商丘 470000)

螺杆钻具在煤系地层地热井工程中的应用

张新春1，郭东升2，李建涛3

在对煤系地层特点和螺杆钻具优势分析的基础上，介绍了采用螺杆钻具+PDC钻头或三牙轮钻头在煤系地层地热井工程的应用情况，并对其应用效果及经济效益进行了分析。结果表明，在煤系地热井工程中采用螺杆钻具+PDC钻头或三牙轮钻头的钻探工艺，可以提高机械钻速、缩短钻井周期，对降低钻井成本具有显著的现实意义。

螺杆钻具;煤系地层;地热井;工程应用

地热井工程是一项投资大、风险大、技术密集的系统工程。工程的设计和施工工艺的合理性直接关系到地热井工程的质量和成败。近年来，随着地热开发步入一个新的发展阶段，地热资源开发正向超深层发展。但是超深层地热开发工程钻遇地层多复杂多样，施工难度较大。比如:郑州、洛阳、太原等地，超深层地热资源多储存于煤系地层之中。由于煤系地层地质条件变化大，施工技术复杂，施工风险较高，是地热钻井中的难点。目前地热钻井设备多存在钻井装备技术性差以及不配套等多种问题。这些现实状况，造成了目前地热钻井周期长、成本高，整体经济效益不明显。经过多次实践，并结合国内外施工经验，在现有设备条件下，采用螺杆钻具配合PDC钻头或三牙轮钻头钻探方法，提高机械钻速，缩短钻井周期，降低生产成本，在煤系地层地热井工程的应用取得较好的效果。

1 煤系地层特点

煤系地层多数都属于复杂地层，主要是由泥岩、页岩、砂岩、煤层及灰岩等岩性构成。泥页岩较松软，易吸水膨胀，钻进时容易产生缩径、掉块、坍塌现象。灰岩溶洞裂隙发育，在钻探施工中存在着不同程度的孔壁漏水，遇到承压含水层，钻孔还会出现涌水现象。这类地层在钻探工程中称为不稳定地层，主要表现在遇水膨胀和应力释放，使地层和井壁失稳。在地热钻探中主要面临着地层破碎掉块、地层遇水剥落、地层遇水膨胀、地层漏失等诸多问题。

2 合理使用及注意事项

2.1 螺杆钻具的选择

(1)安全性的原则。在同一井眼其他条件不变的情况下，以钻具刚性强度最大为优选条件，即做到大马拉小车的原则，以确保安全性。

(2)输出扭矩最大的原则。在同一井眼其他条件不变的情况下，钻具的输出扭矩越大为优选条件，以确保提供足够的滑动钻进的扭矩。

(3)排量合适的原则。螺杆钻具为容积式马达，其输出转速与排量成正比，在同一排量下，应选择排量合适的钻具，以确保所要求的转速，将马达发挥至最佳状态。

(4)考虑适合钻井施工工艺的原则。以入井安全性和井中环空以及适应合适打捞工具的原则。

(5)提高钻具使用寿命的原则。钻具在使用过程中，应始终处于本身的最佳使用状态的工程中，而不能超负荷运转。

(6)优选钻压及泵压的原则。每种规格的螺杆钻具都给出其所承受的马达负载压力降(马达负载压力降=工作打钻泵压－离井底泵压)与钻压的范围，在钻进过程中，应根据进尺来优选泵压和钻压，从而获得满意的机械钻速。同时，在钻进作业中，考虑到对方向的控制，钻压值较小。因此，实际钻井中，所选用的钻压往往不是给定的受载平衡点的钻压值。

2.2 螺杆钻具的使用

(1)泥浆排量应控制在给定的范围内。

(2)要求施加钻压不要太猛。

(3)避免顿钻或将螺杆直接座入井底。

(4)严禁异物进入马达。

(5)合理选配钻头及水眼。

2.3 钻具、钻头及钻井参数要求

(1)螺杆钻具提供较大的扭矩和输出功率，以及可靠的动力维持性。

(2)PDC钻头有适应高转速的能力，具有更高的耐磨性，更长的使用寿命;同时具有一定的喷射效果。尤其在周期较长的直井钻进中更加适用。

(3)优选钻头水力参数和钻井液排量，及时将岩屑携带出来。

(4)三牙轮钻头也可使用，此时牙轮钻头齿部硬度可比用一般传统转盘钻进选硬一个等级

(5)提高钻井液的净化程度，确保螺杆钻具的工作寿命。

(6)钻井液的性能要满足钻进的要求。

3 工程实例分析

3.1 钻井设备及参数

钻机:TSJ－2000型水源钻机;

泥浆泵:BW1200/7A型;

发电机:110 KW和90 KW各1台;

振动筛和旋流除砂器各1台。

钻具组合:Φ215.9 mm PDC钻头或三牙轮钻头 +3LZ172 mm螺杆钻具+Φ159 mm钻铤4根+Φ127 mm钻铤3根+89 mm钻杆。

钻压:50～80 kN;泵压:8～10 MPa;泵量:1 000～1 200 L/min。

泥浆参数:密度 1.24 g/cm3，漏斗粘度:24 ～ 27 s，含砂量0.2%，固相含量12%，PH值9。

3.2 使用效果

从2008年到2011年，通过在郑州、安阳、运城等地4眼煤系地层地热井进行螺杆钻具配合 PDC钻头或三牙轮钻头的应用试验，极大的提高了机械钻速，对缩短钻井周期、降低钻井成本、提高经济效益都具有现实意义。某1 500地热井部分井段采用不同钻探方法效率对比见表1。

表1 某1500地热井部分井段不同钻探方法效率对比表

由表1可以看出，采用转盘钻进+螺杆钻具 +三牙轮钻头方式钻进的平均机械钻速为0.6 m/h，其是采用转盘钻进+三牙轮钻头钻进方式的1.4倍;而采用转盘钻进 +螺杆钻具 +PDC钻头方式钻进的平均机械钻速达到了0.91 m/h，是采用转盘钻进 +三牙轮钻头钻进方式的2.1倍，是采用转盘钻进+PDC钻头钻进方式的4倍。

3.3 经济效益分析

以某1 500 m地热井为例，采用螺杆钻具配合 PDC钻头或三牙轮钻头在该井共使用了4只PDC钻头、4只三牙轮钻头和2根螺杆钻具，共进行了8次起下钻作业。其中PDC钻头平均按20 000元/只、三牙轮钻头平均按8 000元/只，螺杆钻具按80 000/根、钻机作业费按410元/h、平均每次起下钻按10h计算。并且假定钻头和螺杆钻具完全消耗。根据公式:

每米钻井成本计算公式为:

式中:Cu为钻井直接成本，元/m;Cb为钻头成本，元/m;CL为螺杆钻具成本，元/m;Cr为钻机作业费，元/h;Td为纯钻进时间，h;TL为起下钻时间，h;L为钻井进尺，m。

可以计算出平均每米钻井成本为513.99元。而同地区同深度采用同样直径井段采用转盘方式+PDC钻头或三牙轮钻头钻进，其要使用5只 PDC钻头和5只三牙轮钻头，进行10次起下钻作业，每米钻井成本要达到716.2元。两者相比每米钻井成本能节约202.21元。所以该井相比采用传统转盘方式钻探方法节约钻井成本约30余万元。由此可见，在现有设备情况下，采用螺杆钻具 +PDC钻头或三牙轮钻头的钻探方法的经济效益比较明显。