浅谈我国地热井钻探工艺及方法

2015-02-23王洪伟

西部探矿工程 2015年2期

关键词：成井气举洗井

王洪伟

（辽宁省第九地质大队，辽宁铁岭112000）

浅谈我国地热井钻探工艺及方法

王洪伟*

（辽宁省第九地质大队，辽宁铁岭112000）

我国地热资源勘查日益发展，地热井钻探中泥浆正循环、气举反循环、高压喷射等钻探工艺及测井、固井、射孔、挂管、洗井等方法不断完善和多样化。论述了我国地热井钻探工艺方法的发展及现状。

地热井；钻探；工艺

1 我国地热井钻探施工发展概况

1.1 20世纪70年代

20世纪70件代，我国仅北京、天津等少数地区开展地热勘查及钻探施工。最初探采埋藏的地热资源较浅，一般孔深在500～1000m。采用的钻探设备多为XB-1000型岩芯钻机，配BW240/40和BW240/60等型号泥浆泵。钻具多为Ø60mm钻杆、Ø108mm和Ø121mm钻铤。钻探成井工艺多为小径打大径扩孔成井的工艺。此时期钻探效率低、成井周期长、一般完成一眼千米地热井需8～12个月。

1.2 20世纪80年代

20世纪80年代，我国地热勘查范围开始扩大，井深增加，钻机选用THJ-1500型岩芯钻机及T-50B型石油钻机,用于1000～2000m以内地热钻探。此阶段钻具规格有：Ø73mm、89mm钻杆，Ø121mm、Ø146mm、Ø159mm钻铤。采用牙轮钻头和刮刀钻头全面钻进方法，普遍采用三级口径成井，提高了钻进效率，缩短了成井周期。

1.3 20世纪90年代至今

20世纪90年代开始，地热勘查在全国范围内逐步全面展开，国内水井深井钻机逐步配套，有GZ-2000型、GZ-2600型、TSJ-3000型等水系列钻机及石油系列的ZJ30型、ZJ45型钻机。泥浆泵从水系列的3NB-350、BW-1200泵到石油系列的3NB-500、3NB1300泵，排量逐渐增大，满足了钻深2000～4000m的需求。钻具规格有：Ø89mm、Ø114mm、Ø127mm钻杆及Ø114mm、Ø127mm双壁钻杆，Ø121mm、Ø159mm、Ø178mm钻铤等。采用多种钻探工艺，钻进效率高，成井质量好。一般完成一眼2000m地热井仅需3～6个月。

2 地热井钻探工艺

2.1 泥浆正循环钻探工艺

近年来，反循环钻探、冲击钻探、潜孔锤钻探等钻探工艺得到了普遍的应用及发展，但钻探工艺依然是以正循环回转钻进为主，具有最广泛的适用性。

2.1.1 工艺参数

（1）钻压。在较深地热井钻探中，钻压加不足是最常见的，这是影响钻探效率的主要因素之一。例如，中软地层用Ø216mmHA537钻头，推荐钻压应为107～226kN，但在生产中因钻铤和钻杆质量问题，所加压力一般都比上述值要小。

钻压不足对机械钻速的影响较明显，尤其是钻进中硬以上地层时，一般钻压仅使岩石实现体积破碎，此时，上返岩屑颗粒较大。因此，要提高钻探效率，应使用质量好的钻具，加足钻压钻进。

（2）转速。牙轮钻头主要以牙齿对岩石的冲击、压碎和剪力作用来破碎岩石。硬和极硬地层主要靠牙齿对岩石的冲击、压碎作用来破碎；极软和软地层主要靠牙齿对岩石的剪切作用来破碎；中软、中硬地层靠这两种作用同时破碎地层。因而，对于极软和软地层应采用低压高速，转速为85～90r/min；对于硬和极硬地层应采用高压低速,转速为60r/min左右。

（3）泥浆参数。泥浆的主要作用是保持孔底清洁，并维护孔壁稳定。地热井钻进中，一般较好的泥浆性能为：失水量10～15mL/30min，密度1.05～1.15g/cm3，粘度25～32s，泥皮厚度0.5～1mm，pH值8～10。对于泥岩地层，应加入降失水剂，泥浆性能应为：粘度20～25s，失水量＜10mL/30min，用好的粘土造浆或提高粘土颗粒含量（能防泥岩造浆）。现场须配有振动除砂器和旋流除砂器，提高泥浆的质量并及时替出废浆。

（4）泵量。泵量应保证孔底干净，无残留岩屑。孔内岩屑过多，不但会出事故，而且影响效率。一般常配的泥浆泵排量由小到大为3NB-350或BW-1200、石油3NB-500、3NB-1300泵。泵量越大携带岩屑效果越好。

2.1.2 常用钻具组合

Ø445mm或Ø311mm钻头+Ø178mm钻铤+ Ø127mm钻杆；

Ø216mm钻头+Ø159mm钻铤+Ø89mm钻杆；

Ø152mm钻头+Ø121mm钻铤+Ø89mm钻杆。

2.1.3 钻探技术难点

（1）粘钻及缩径。地热井钻进较厚的第三系泥岩地层及页岩夹层时，因泥页岩为水敏性溶胀分散地层，膨胀缩径、泥浆增稠，钻头泥包，在钻井中常遇到不同程度的遇阻、卡钻、缩径等情况。

三牙轮钻头钻进泥页岩时，岩屑常存于牙齿之间，形成“泥包”。其主要原因是：泵量小；由于造浆作用，孔底泥浆粘度较大；牙轮自转不灵活。

克服粘钻和缩径的措施有：加大泥浆泵排量，选用大排量泥浆泵，优质泥浆等技术措施。有条件时应选用大排量石油系列泵，如3NB-500、3NB-1300泵等。

（2）漏失。在热水层中钻进时，会遇到漏失情况，有时漏失严重不返浆。热水储层为白云岩、灰岩、砂岩时，孔壁稳定性较好，因而可采用清水顶漏钻进。在取水目的层以上钻进时，对于小漏失，可以在泥浆中加锯未或堵漏剂进行堵漏；较大漏失时，可向孔内投入粘土球或用水泥堵漏。对于难于堵住的大漏失，可改用气举反循环钻进，也可下管封隔，或采用泡沫泥浆钻进。堵漏方法较多，可根据地层和实践经验进行选择。

2.2 气举反循环钻探工艺

气举反循环钻探工艺能避免泥浆对环境的污染及对含水层的淤塞，并能克服地层漏失。在目的层钻进时采用该工艺不但可以免去化学洗井工序，而且能最大限度提高岩层的产水能力。

气举反循环钻探工艺在硬件配备上只需空压机、气水混合器、双壁钻杆、双壁主动钻杆及配套水龙头。对于较深的钻孔，需配备大马力的空压机。难点是双壁钻杆的密封问题。

钻具组合：Ø311mm、Ø216mm或Ø152mm钻头+钻铤+钻杆+气水混合器+Ø114mm或Ø127mm双壁钻杆+双壁主动钻杆。

钻探工艺参数：沉没比＞0.5。一般应配置较大马力的空压机。其功率为190kW,空气压力排量最大为25MPa。

例如，某地热井取水目的层采用气举反循环钻探工艺。采用GZ-2600型钻机，WY-7.5/40型空压机，设计孔深2400m；钻具组合（取水目的层）：Ø152mm钻头+Ø121mm钻铤+Ø73mm钻杆+气水混合器+Ø127mm双壁钻杆+双壁主动钻杆。气举反循环钻探工艺施工井段从2070.07～2401.02m，共计进尺330.95m，钻探总台时400.34h，单位辅助时间0.52h/m，纯进尺效率提高到1.45m/h。

2.3 高压喷射钻探工艺

随着深部地热资源的开采，地热井深度的加大，石油钻探队伍及设备进入地热钻探市场，采用高压喷射钻探工艺，大大提高了钻探效率和成井质量，尤其是克服了泥页岩泥包钻头的问题，缩短了工期。

高压喷射钻井是采用喷射式钻头，以很高的泵压使泥浆自钻头喷嘴产生很高的喷射速度（最高达75～100m/s）的一种钻井工艺。它一方面可以利用高流速的泥浆冲刷井底，帮助钻头破碎岩石；另一方面又能更好地清洗井底和钻头，加速钻进。高压喷射钻井要求配备大功率的强力泵，相应地配合使用低固相泥浆，保证泥浆的除砂和净化效果。使用这种钻井工艺可以提高钻速1～2倍，大大提高了地热井钻井效率。

例如：在铁岭金峰小镇选用水源钻机施工一眼2600m井需要6个月左右，而选用石油钻机和高压喷射钻探工艺施工2600m井仅需3个月左右，效率提高一倍，不仅大大缩短了工期，还提高了成井效率。

3 地热井完井工艺

3.1 测井

普遍采用物探测井的参数，即自然电位、梯度电阻率、电位电阻率、井斜及井温参数，目的是较准确地划分出含水层来。

测井虽然是划分地层和确定含水层的重要手段，但一定要结合岩屑录井即实际地层和岩性进行解释，不能简单地依靠统一模式和程序进行解释。因测井参数具有多解性，不结合实际地层和岩性解释测井结果，将会对成井造成误导。

3.2 固井

温度是地热井的重要标志，为提高温度一定要把较低温度的地层和含水层封住，因此固井是重要环节。最好对于花管或裸孔以上段全孔进行固井。固井应该用专用设备、专业队伍进行。特别是对于不同管径间的环空处，一定要用水泥固好，否则很可能会影响出水温度。

3.3 射孔

随着石油勘探技术的引入，射孔是提高出水量的一个有效方法。铁岭凡河ZK1地热井，经过多次多方法洗井水量水温达不到要求。后根据测井曲线及岩屑录井选择了三段进行射孔，射孔段分别为945～950m、1025～1035m、1055～1060m，共计20m射孔。结果出水量从开始500m3/d增加到810m3/d，温度从30℃提高到36℃。某地热井，经过多次多方法洗井水量仍很小，无法使用。后根据测井曲线及岩屑录井选择了已封孔的四段进行射孔，射孔段分别为697～701m、712～716m、722～728m、920～926m，共用127弹射了4段，计20m。结果出水量从几乎干眼到400m3/d，出水温度达到46℃。通过射孔救活了该地热井。在此井成功的基础上，该地区又进行第二眼地热井的施工，水量、水温均又有大幅度地提高。

3.4 挂管

挂管也是随着石油勘探技术的引入应用到地热井施工中来的。铁岭凡河ZK1井原设计热储层（白云岩）埋深1600m，设计井身结构为三开结构，设计0～1600m全下管固井，取1600m以下的水层。但实钻至655m就见到了热储层（白云岩），至1100m岩性变为石英砂岩，石英砂岩含水性较差。为保留住热储层（白云岩），钻孔结构由三开变为二开，最后采用挂管技术保留了该井的热储层（白云岩）段，从而保证了该井的最后成井（水量810m3/d，出水温度36℃）。

3.5 洗井

地热井常用的洗井方法有焦磷酸盐洗井、活塞洗井、酸化洗井、液态二氧化碳洗井、空压机洗井等。

随着钻井深度的增加，常用的洗井方法有时达不到彻底洗井的目的，水量洗不出来。因此近年来采用了大功率空压机（250个压力以上的大型空压机）进行气举和气水混合洗井的方法，如果引进石油系统的压酸、压裂方法洗井方法将取得更好的效果。