许成勇

（山东省地质矿产勘查开发局第七地质大队，山东 临沂 276002）

深部地热资源钻井是开发利用深部地热及地表浅层地热能的唯一直接途径，钻井工艺的选择以及施工程序直接影响着地热资源的开发利用效率。由于深部地热资源赋存地层的特殊性、破碎漏失地层是地热钻井井场钻遇的地层，快速解决穿越这类地层地热钻井技术的关键。

1 地深部资源探测工程控制技术探讨

就目前国内深部地热钻井情况来看，普遍存在着钻井效率慢、深井事故频发、非正常钻进时间过长等问题。钻井技术领域中新技术引进与研发医乏，一般仍采用传统钻井工艺，钻进过程对地热资源储层影响大，严重影响地热资源开发效率和经济效益。地热钻井技术主要发展方向如下：

（1）引进和推广石油钻井装备和工艺。目前，我国石油钻井深度己达7000余米以上，其设备能力、钻进工艺和钻进效率在整个钻井工程领域一直处于领先地位。所以，引进和推广石油钻井成熟技术将会对地热钻井技术的发展起到积极推动作用。但是石油设备以及配套装备价格高昂，从而限制了石油钻井技术的推广应用，应将其与地热钻探特点相结合并推广应用。

（2）绿色钻探，智能化钻探。智能及自动化可降低钻探过程“人为性事故”等不利因素，减少降低劳动力数量和强度，并对提高钻井的精准度和保障井内安全都有重要作用，是未来发展方向。绿色钻探无论是在钻井还是在其前后阶段，都强调环保清洁、节能高效等思想，将对自然的损害和破坏减少到最低程度，在当前我国社会各界普遍的“青山绿水”环保要求大背景下，绿色钻探技术无疑是钻探工程发展绕不开的必经之路[1]。

（3）多工艺复合钻井技术。针对同一口井钻遇不同地层分别采用正循环泥浆钻进、空气潜孔锤钻进、气举反循环钻进、井底螺杆马达驱动钻进等工艺，或者采用两种、三种以上工艺组合。优点是:回避了钻井装备不足问题，重点解决钻进工艺问题。

（4）地热钻井逐步向高深度、高温度、高压力方向发展。当前我国中低温地热资源开发技术己基本成熟，而对于干热岩等高温资源如何开采，目前还没有统一的认知，三千至六千余米的深度，几百摄氏度的高温以及巨大的地层压力，对地热钻井技术是个挑战，例如如何提高钻井液的耐高温性能，保证螺杆、液动锤、测井仪器等井下器具在高温高压条件下正常工作，达到高效碎岩携岩等目的。故而对抗高温钻井液技术、抗高温随钻测控技术、高温固完井技术和高效破岩辅助工具的耐高温无故障工作研究是未来重要方向。

2 深部资源探测井施工流程

2.1 物探测井

通过物探测井并结合钻探获取的地层资料，确定含水层埋深、厚度以及井（孔）壁的完整性、井径等信息，为压裂增水作业提供准确资料和设计依据。测井参数包括井深、井径、静水位、水温和井孔岩层的完整性、含水裂隙层段数及其发育程度、埋深与厚度、低电位电阻率、自然伽马等；根据测井结果，选择压裂目标层段和封隔座封段的深度与厚度，为压裂试验提供准确资料。

2.2 压裂方案

（1）压裂液:常用压裂液有水基压裂液、乳化压裂液、泡沫压裂液等类型。本次压裂施工采用清水作压裂液，取材方便，成本低。其优点是：①价格低廉、对地层无污染，安全可操作性强；②以高压作用剪切、冲蚀破坏天然裂缝中的充填胶结物，使得裂隙扩展并疏通；③高压作用使原始的微裂隙、孔隙层张开并连通，增水效果好；④成本低。缺点是:工作效率低，注水量大，要求较高的泵注排量。

（2）压裂工艺：依据成井结构，本地热井采用井内裸眼双座封压裂器具组合和单封座封压裂器具组合、单管路顶液的压裂工艺方法压裂，共进行2个段次的压裂。确定双座封工艺压裂作业井段在300m～680m之间；单座封压裂作业井段在660m以下。根据本地热井的物探测井资料，确定双座封压裂作业的上、下座封位置分别为323m，672m处；单座封位置667m处。

2.3 压裂前准备

压裂施工前的准备工作包括场地踏勘，钻杆测量，地表压裂设备与孔内器具配置、连接，水源供给等。

地表设备安装:压裂泵车一管路一管汇一管路一高压水龙头。

（1）高压管汇连接：首先，将压裂泵车停放在距离井口约40m、地势平坦、视野开阔的地方，将地面管汇安放在压裂泵车和井口距离的中间，放平放稳。然后通过高压胶管等分别将压裂泵车与立轴连接。

注意事项：连接前需要用钢丝刷将由任接头上的锈斑除掉，防止渗、滴、刺水，预防安全事故；按照管汇上的进出水指示箭头依次由压裂泵车一管汇一水龙头连接。

（2）配备压裂设施与钻杆、变径接头，按下入深度测量管柱并排序，同时查验各下井器具有无损伤，丝扣连接有无损坏，封隔器橡胶有无损坏等。然后依次下入井内，丝扣要采取密封措施，缠麻、涂抹丝扣油，待井下器具安装完毕后，安装井口高压水龙头。

（3）供水设备安装：压裂施工需要大量压裂液(清水)，施工过程中，压裂液(清水)供应不能中断，否则会导致压裂暂停而影响压裂效果。本井压裂作业采用1台最大泵量100m3/h的压裂泵车，配备2台泵量分别为60m3/h、15m3/h,扬程20m的供水泵，压裂作业时根据需要开启1台或2台泵供水。将施工现场约80m3的泥浆池蓄满水作备用供水水源，同时不间断往泥浆池注水。

注意事项:泥浆池中的供水泵不能接触蓄水池底板，设置滤网防止吸入泥沙、杂物等，施工期间。

（4）压裂泵调试：进行调试、循环试压，地面设备与井内压裂器具安装完完毕后，需要对压裂泵检查系统流程的畅通性、安全性。

启动压裂设备发动机按钮，观察发动机运转情况和显示器发动机参数，判断发动机声音是否正常，查看压裂设备是否有漏机油和防冻液情况，如有上述征象，当即停机维修。

确认发动机处于正常状态后，压裂泵车自带储水箱加满压裂液(清水)，将压裂管路阀门打到“内循环”状态，压裂泵挂一档，观察显示端压裂泵参数，仔细听压裂泵泵体声音是否异常。顺次测试二至六各个档位压裂泵的性能参数。

压裂泵体设备测试通过后，将压裂管路、管汇旋塞阀门打到“外排”状态，将高压胶管出口端放到开阔场地或水池中，开动压裂泵供水，观察管汇出口水流状态和压裂系统地面管路状态是否正常，测试试验合格后再准备压裂作业。

2.4 压裂泵车压裂

2.4.1 第一试段压裂

准备工作完成后，进行试运行检查压裂设备、管线以及泵的运行情况。首先进行打压测试，关闭管汇阀门，开启压裂泵，憋压，地面管线与闸门试压20MPa,5分钟不刺漏为合格，然后准备压裂工作，压裂时各岗位有专人负责监督。

开启压裂泵，先以小泵量供水，水量控制在200L/min～300L/min之间，压入井内，监测压裂泵控制台参数，记录转速、泵量、瞬时压力值等工况的变化情况，期间分析地层起裂压力和裂缝延伸压力值的变化；与此同时密切关注井口动态，井口是否有反水等异常；地面管路、管汇工作状况是不是正常。当系统压力稳定较低压力值且无变化时，再逐步增大供水量直至本压裂段结束。压裂实施过程参数:

泵排量15.2m3/h持续供水10分钟，压力维持在4.8Mpa左右，地面压裂管路和井口无异常；调整泵量至37.1m3/h，压力增至7.2Mpa，逐步调整泵量至65m3/h，泵压力增至最大10.5Mpa，持续工作至88min，系统压力突降至9-9.5Mpa,泵量自动升至68.8m3/h，连续压裂作业203min结束，本压裂试段共压入水量193.3m3。

压裂工作结束后，打开管汇上的旋塞卸荷阀，将系统内的水泄出，再卸开高压水龙头，往钻杆内投球，等待钢球落入卸荷阀内球座上，重新连接高压水龙头，开泵送水，顶开卸荷内滑套露出溢流口，将钻杆内的水柱泄出，同时封隔器收缩，然后提出井内器具。

2.4.2 第二试段压裂

因680m以下钻孔口径为152mm，无法下入封隔器(外径180mm)，现场研究分析后决定采用去掉下封隔器，将上封隔器设置在216mm孔段的方法进行压裂。单座封压裂器具组合为:自下而上依次为底堵一短钻杆一上封隔器(置于668m处)一定压开启阀一卸荷阀一钻杆一井口水龙头一至地表系统。

开启压裂泵，先以小泵量供水，设定泵压力在10MPa左右，通过调控压裂泵车的转速控制泵流量在12m3/h～13m3/h之间，最大泵量15m3/h，连续压入61.3m3清水。卸荷后压入井内的水大部分返出井口，至此压裂车压裂作业全部结束。

2.5 效果分析

2.5.1 抽水试验方法

压裂前后进行了抽水试验，采用出水量20m3/h、扬程200m的潜水电泵作抽水机具、三角堰和水表测流量，压裂前水井水量13m3/h，压裂后水量增至19m3/h,基本达到预期效果。

2.5.2 压裂车压裂效果分析

本次压裂作业共安排了2个段次，采用双座封、单座封两种压裂工艺方法对不同井段实施了压裂增水，累计压入水量254.6m3；最小泵排量12.m3/h，最大泵排量71.m3/h；泵压力最大10.5Mpa。

由物探测井资料结合压裂施工过程中的实际工况推断，本次压裂在300m以下，处在构造下盘上，依据物探测井资料划分地层为三个裂隙破碎带，0m～300m井段裂隙破碎厚度约124m，为主要含水层段；300m～700m累计裂隙破碎厚度约72m，为次要含水层段；700m～1200m井段累计裂隙破碎厚度约36m，为弱含水层段。根据压裂卸荷后经地层闭合井内返水情况判断，基本印证了上述推断，第一压裂试段压入地层的水部分返出地表，第二压裂试段压入地层的水大部分返出地表，最上部井段由于井径大及可能的与常温水裂隙沟通而没有实施压裂[2,3]。

3 结语

天然存在的含水层裂隙内，充填有破碎胶结物、岩屑颗粒等，阻挡了过水通道，渗透率低，经过高压流体的强力剪切、冲蚀和运移后，使得原本细微的裂隙得到扩展和疏通，同时充填物可随着裂隙的压裂延伸，随高压流体卡塞到裂隙中，起到支撑作用。裂隙中的水流由径向流变为线性流，渗流条件得以改善，地热井资源量得以提高。