赵 岩，仲玉芳

(河北省煤田地质局第二地质队，河北邢台054001)

地热作为一种清洁能源，已成为医疗保健、旅游、休闲娱乐及温泉种植养殖等产业发展的重要载体，对促进区域经济发展具有十分巨大的拉动作用。贵州省雷山县某公司特委托我队实施地热勘探井的施工任务。通过该井基本查明勘查区热储单元结构及地质特征，评价地热资源求取相关参数。

1 地层特点与钻井难点

1．1 地层特点

区内热矿水的形成条件受区域构造的控制，主要受控于北东向多期复活断裂(西江正断层带)，西江正断层是勘查区内地热流体的导热、导水通道。如图1所示，该断层走向北东，倾向北西，倾角45°～75°。地层断距一般在2000 m，最大者可达5000 m。断层北西盘以硅化、小挠曲、羽毛状裂隙等为特征;南东盘以千枚化、劈理发育和具拖拉褶曲为特征。断层两盘角砾岩、破碎带极为发育;区域上沿断裂带上升泉发育。该断层形成于雪峰期，加里东期有剧烈活动，喜马拉雅期也有活动，系多次活动断层。该断裂受晚近期构造运动影响，具有差异性，继承性，断距、断裂深大的特点为区域沟通深部上地幔热源，地下水向下深部渗流提供了良好通道。

1．2 地层特点及井身结构

根据地质剖面图(见图1)结合该区物探报告，

该井地质特点及井身结构如表1所示。

图1 贵州省雷山县丹江镇陶尧地热水资源勘查地质剖面图

1．3 钻井难点及对策

由于该区域以西江断裂(F1)为区内主干构造，力学性质上具扭压性特征，倾角高陡，地面实测倾角较大，一般在45°～70°。在倾斜的层状地层中钻进时，地层倾角越大，成层性越强。钻头在破碎呈倾斜的层状岩石时，由于两侧破碎的不均衡产生的增斜力，迫使钻头改变方向，造成孔斜。本孔采用满眼钻具的防斜。保证下部钻铤有尽可能大的刚度，稳定器与井眼之间的间隙尽可能小。满眼钻具能承受较大钻压，因而能获得较高的机械钻速。

表1 地层特点及井身结构

开孔使用纤维素(CMC)控制滤失量，并提高钻井液粘度，达到净化孔底悬浮钻屑的能力。CMC抗温120℃，抗温性较差，随孔深的增加而加速老化，影响本孔安全钻进。本孔中后期施工使用抗温性能较优的“大钾”(KPAM)，抗温可达160℃，作包被剂;铵盐(NH4HPAN)抗温可达150℃，调整滤失量，来满足本孔深井段的施工。

本井施工裸眼井段较长，钻孔较深，起下钻摩阻大。二开后增添使用改性沥青粉(KAHM)，堵塞和覆盖微裂缝，形成较坚韧的泥皮，改善孔壁稳定性;还可起到润滑钻具降低摩阻的作用。

二开后钻具分阶段使用防磨胶套，减轻钻具对表层套管的“鞭击和研磨”作用。避免钻柱与套管长期磨损而破裂。

2 钻井设备及参数优配

2．1 钻井设备

主要施工设备如表2所示。

表2 主要设备

2．2 钻头选型(见表3)

表3 钻头选型

2．3 参数优配(见表4)

表4 参数优配

2．4 钻具组合优化依据

牙轮钻头适用性较强。其牙齿与井底的接触面积小，比钻压高、工作扭矩小、工作刃总长较大，因此牙轮钻头可适用于多种性质的岩石。但我们地勘行业施工地热井时虽然也使用牙轮钻头，但使用效果较差。这与我们钻具组合不合理有很大关系。使用的钻铤少，所给到钻头的压力较小，钻头比钻压很小，达不到额定的比钻压值，降低了钻头进尺能力。应根据钻头及设定的最大钻压，得出钻铤的中和点距钻头的距离，结合设备的提升范围，确定钻铤数量，达到合适的比钻压值，以提高牙轮钻头的使用效果。满眼钻进才可以发挥效果，以快保满，以满保直。钻进中采用强化措施，不仅使钻进速度快，且井径规则，才能打直井。

各次开钻，由设计牙轮钻头(3A)最大钻压计算钻铤长度。

由零轴向应力截面确定:

式中:LZ——零轴向应力截面距钻头距离，m;PB——设计最大钻压，N;H——井深，m;AP——钻杆横截面面积，cm2;ρm——钻井液密度，g/cm3;qc——单位长度钻铤在空气中的重力，N/m;AC——钻铤横截面面积，cm2。

为防止送钻不均，零轴向应力截面落在钻杆上，应在计算的基础上添加一个安全系数，取24 m，来确定钻铤的长度。下同。

钻铤实际长度112.8 m满足要求。钻具全重37.426 t(DC 28.171 t，悬重31.9 t)在设备提升(钻柱质量max=57 t)范围之内。

钻铤实际长度169.2 m满足要求。钻具全重52.556 t(DC 24.243 t，悬重44.47 t)在设备提升(钻柱质量max=57 t)范围之内。

钻铤实际长度206.8 m满足要求。钻具全重53.442 t(DC 15.3 t，悬重44.86 t)在设备提升(钻柱质量max=57 t)范围之内。

2．5 钻具组合

2．5．1 一开

(注:3A——牙轮钻头，STB——稳定器，DC——钻铤，DP——钻杆，下同)

2．5．2 二开

2．5．3 三开

3 钻井工艺

3．1 一开(0～600 m)

一开井段易井斜，钻具组合(1)按设计“吊打”钻进。在破碎带、软硬互层交界面，取钻压与转速上限，待钻至一定深度后恢复正常参数，防止因在地层交界变化，由钻进参数不当造成的孔斜。维持钻井液中高粘度，确保悬砂携屑、勤划眼修复井壁，保证井眼畅通。不在易塌层段定点循环。一旦发生井塌，划眼时，选用小排量开泵，逐渐增大泵量，并提高泥浆粘度(粘度提高10～15 s)避免憋漏地层引起更严重的坍塌，下套管前，起钻挂卡超过50 kN，须用钻具组合(2)进行通井，然后用20 m套管柱进行通井。

钻井液维护处理:一次性配置膨润土浆80 m3(水+0.4%Na2CO3+10%钠膨润土)、密度1.08～1.10 g/cm3的膨润土浆开钻。钻进过程中逐步补充预水化膨润土浆和0.3%CMC胶液(CMC胶液应置于不同容器中分别调制)，保证钻井液具有较强的携砂能力。一开井径较大，钻井液环空返速0.29 m/s，较低，不利于环空岩屑净化。增加循环时间，每次加钻具依然受阻，不能到底，采取划眼的同时配置5～10 m3钻井液(水 +15% ～25%土 +1%Na2CO3+0.75%CMC;马氏漏斗粘度计无法测量粘度)打入孔内循环16.1 min后，至添加钻具顺利到底。发生同类问题均重复一次上述方法。一开钻完后充分洗井，调整好钻井液性能，确保下表层套管、固井施工顺利。

3．2 二开(600～1700 m)

二开钻进使用钻具组合(2)。钻水泥塞时将污染严重的钻井液放掉，其余钻井液加入浓度0.3%～0.5%小苏打胶液清除钙离子。钻水泥塞和159 mm钻铤出套管鞋前，钻压要求控制在10～30 kN。二开开始采用15～17 L/s钻进140～200 m，后改用钻具组合(1)，使用设计泵量钻进。满眼钻具钻进期间每钻一单根，快速划眼一次，并适当循环，保证井眼清洁，避免沉砂卡钻。下钻平稳操作，漏失井段钻具下行速度≯20 m/min;下钻到底提前一个单根开泵循环;控制起下钻速度，遇有挂卡，不得高于当时悬重的30 kN，否则开泵倒划眼或下放畅通井段调整钻井液性能后再试起钻;每起3柱钻具向井内灌满钻井液一次。加长防磨套使用，使表层套管井段每5根钻具不低于1个，并且每起趟钻检查一次，及时更换、调整。

钻井液维护处理:将一开钻井液净化后用于二开钻进，钻井液补充配方(水+8%钠膨润土+0.1%NaOH+0.2%～0.4%KPAM+0.2%CMC+0.5%～0.6%NH4HPAN+1% ～2%KAHM)随井深的延伸逐步减少 CMC用量，使用抗温性能较优的包被剂KPAM，配制成胶液补充;NH4HPAN调整滤失量，辅以KAHM封堵破碎带层理微裂缝，避免泥浆滤液侵入地层，起到降低泥饼摩阻。

3．3 三开(1700～2300 m)

三开裸眼井段较长，钻井液排量满足设计要求，提高携岩能力。泵压下降，即停钻检查，地面未查出原因，应起钻检查钻具。避免钻井液“短路”引起沉砂卡钻及钻具失效。

钻井液补充配方:水+6%钠膨润土 +0.1%NaOH+0.3%KPAM+0.2%PAC+0.6%～0.9%NH4HPAN+2%KAHM。F1断层与F3断层之间的影响带，可能破碎，需高分子泥浆护壁。增加KPAM与KAHM的使用量，不定期加入PAC胶液，保持钻井液对Ca2+的抑制性。

4 止水固井

4．1 第一次固井(为表层套管下入后的固井)

将表层套管连接浮鞋下入距离井底3 m处，灌满排空，连接水泥头及固井管线，低泵冲打通，分阶段提高泵速，循环量不少于2个循环，要求振动筛干净，井眼内无沉砂。后泵入5 m3前置液(清水)，注水泥浆19.21 m3(水灰比0.5，密度为1.85 g/cm3)，投顶胶塞，高泵速替泥浆28.31 m3，至尾浆出鞋到内外平衡前，然后缓慢替浆到碰压。停止顶替，憋压2 h。泵压未降，证明孔内不漏水，固井成功。

4．2 第二次固井(为技术套管下入后的固井)

技术套管套管柱采用传统的逆止阀泵入压浆法固井，用42.5R优质水泥浆10.13 m3。89 mm DP连接套管头将技术套管下到指定深度，倒开套管头起出套管头。下89 mm DP连接逆止阀丝扣，泥浆泵通过钻杆将前置液(清水)和水泥浆从旋流短节(盂式止水器上第一根管底部加焊钢板封闭，在管体上沿螺旋线割20个89 mm的圆形返浆孔，使旋流上返，利于替泥浆，提高注水泥质量;旋流短节上端焊接逆止阀)压入环空，换用适量清水清洗钻杆内残留水泥浆。用水泥封闭两级套管重叠部分的管间环状间隙，保证了地热井的封闭质量。

5 洗井

下江群乌叶组(Ptbnbw)与西江断裂段热储层(1386～2300 m)为本井的主要取水段。洗井时，先下钻头扫通逆止阀与下部盲板，下钻至含水层底部清水冲扫钻孔，目的是用清水把井内泥浆替换出来，用毛刷刷洗井壁充分暴露目的层裂隙，增大洗井化学液的接触面积，为下一步化学洗井做准备。

用焦磷酸钠(浓度0.8% ～1.0%)分2次浸泡取水段(每次浸泡12 h)可使附在井壁上不易脱落的泥皮脱落，后用清水冲洗，直到水清砂净。在孔口处封住环空采用盐酸(浓度10%)压入洗井，注入盐酸的量为整个取水地层井筒容积的量，在注入盐酸后每间隔30 min注入一次清水(共注入3～5次)使盐酸充分反应，以达到避免堵塞裂隙通道增加裂隙的宽度及出水量的目的。将酸液注入含水层孔隙内，待洗井液全部灌完后，用清水将钻杆柱内的酸液顶出，即可停泵，保持灌酸压力至反应时间结束。

再次用清水冲洗，至水清砂净后下入80 m3/600 m热水潜水泵进行试水工作。

6 结论及认识

(1)优选钻头、合理选择钻具组合、优化钻井参数是提高速度的必备条件。断裂带采用满眼钻进可有效防斜。

(2)优选钻井液体系，优化钻井液性能，有利于深孔携屑、井壁稳定，为提高机械钻速提供良好的井眼条件。

(3)固井止水质量较好。从管串开始做好每一项工作按照程序实施，保证了固井质量。

(4)洗井效果较好。虽然达到合同要求，若洗井时辅以空压机振荡洗井，使管内、外的水柱产生压差，水在涌入过程将井壁的泥皮冲毁，会加快洗井进程，缩短交井时间。

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