天津市地熱井鉆井與成井工藝

  近10 多年來(lái), 由于勘探和開(kāi)發(fā)地熱的需要, 地熱井鉆鑿技術(shù)水平有較大提高。以前, 因為沒(méi)有大型的鉆鑿設備, 機具又很簡(jiǎn)陋, 只能沿用打淺(冷)水井的工藝技術(shù)。所以成井深度淺, 出水量和水溫較低, 而且也無(wú)法進(jìn)行深部地熱的勘探開(kāi)發(fā)。地熱井的鉆鑿急需引進(jìn)先進(jìn)的工藝技術(shù)和機具, 以達到其口徑大、井深、出水量大和出水溫度高的要求。石油鉆井技術(shù)的引進(jìn), 為我們解決了這些難題?，F在, 我們可以鉆井深近4000 m 、開(kāi)孔口徑445 mm 、終孔口徑152 ～ 216 mm 、出水量達200 m3/h 、出水溫度超過(guò)95 ℃的地熱井, 使得我市近些年來(lái)出現了開(kāi)發(fā)地熱的熱潮。為了避免水位逐年下降, 儲量減少, 保護地熱資源, 建立了開(kāi)采-回灌的開(kāi)發(fā)模式。推廣地熱對井技術(shù)(一采一灌), 即兩井井口相距較近(4 ～ 5m), 便于管理, 而井底相距較遠(800 ～ 1000 m), 以避免兩井相互干擾。因此, 定向斜井鉆鑿技術(shù)也被引用進(jìn)來(lái)。

 

  由于開(kāi)采不同的熱儲層, 地熱井可以有2 種基本類(lèi)型:一是第三系(明化鎮組和館陶組熱儲層)地熱井;另一是基巖(奧陶系、寒武系、青夕口系龍山組和薊縣系霧迷山組熱儲層)地熱井。前者的開(kāi)采層較為松散或半膠結, 需下過(guò)濾器成井;后者為基巖裂隙型, 采用先期裸眼完井技術(shù)。兩者的成井工藝有所不同。

 

  為了適應當前開(kāi)發(fā)地熱的要求, 筆者認為還應在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步發(fā)展和提高地熱井的鉆鑿技術(shù)。首先應設計新型的鉆機、設備, 特別是適用于城市環(huán)境的鉆鑿設備, 占用場(chǎng)地較小, 便于運輸, 馬力較高, 而且具有較低的環(huán)境和噪聲污染。其次, 應有較為先進(jìn)的機具, 達到高效、低耗、安全。有了新設備和先進(jìn)的機具, 還要有一套可靠的工藝技術(shù), 重點(diǎn)是:保護產(chǎn)層技術(shù)和成井工藝;能確保較高的鉆鑿成功率、高的出水量和出水溫度;避免或者是盡可能地降低鉆鑿施工的風(fēng)險性。

 

  1  地熱井井身結構

 

  確定井身結構所考慮的主要因素是:欲開(kāi)采熱儲層的層位特點(diǎn)和所鉆遇的地層情況(據已有地質(zhì)資料進(jìn)行預測), 即地質(zhì)條件。

 

  由于第三系地層和開(kāi)采熱儲層具有松散或半膠結的特點(diǎn), 須下帶過(guò)濾器的井管來(lái)保護井壁, 使地熱水暢通地進(jìn)入井內, 又要將非開(kāi)采層有效地封隔。這類(lèi)地熱井與第四系或第三系砂層成淺(冷)水井的井身結構相近, 但在成井工藝上有所不同。

 

  若在奧陶系熱儲層成井則為三開(kāi)井, 如在薊縣系霧迷山組熱儲層成井為四開(kāi)井。其成井工藝均為先期裸眼完井。

 

  以上2 種井身結構, 均采用了石油鉆井的鉆頭口徑和套管口徑系列。即:三牙輪鉆頭為 444.5 、311.1 、215.9 和152.4 mm 口徑系列;套管為339.7 、244.5 和177.8 mm 系列。

 

  2  地熱井鉆進(jìn)

 

  2 .1  熱儲層種類(lèi)和特點(diǎn)

 

  天津地區地熱田為上下疊置的2 套熱儲系統,即:上部為第三系陸相松散或半膠結碎屑巖地層;下部為古生界、元古界較堅硬的碳酸鹽巖地層。上部的熱儲層位于上第三系明化鎮組和館陶組地層。明化鎮上段為砂巖、含泥砂巖和泥巖不等厚互層, 具富水性;下段以泥巖為主, 也夾有細砂巖。館陶組由砂礫巖、砂巖和泥巖組成, 一般呈半膠結狀, 富水性好。

 

  此熱儲系統以館陶組為主要開(kāi)采層位。下部的熱儲系統包括下古生界奧陶系中統和下統, 以灰巖、白云質(zhì)灰巖、白云巖為主要富水層段。該層段中溶洞裂隙極為發(fā)育, 鉆井時(shí)易漏失。寒武系中的部分灰巖層段也有富含水層。青白口系龍山組的砂巖層段也是含水層。目前作為我們主要的開(kāi)采層:中元古界薊縣系霧迷山組熱儲層, 以白云巖為主, 裂隙發(fā)育,易發(fā)生井漏, 巖石較硬且脆。

 

  2 .2  鉆頭的選用

 

  三牙輪鉆頭鉆大口徑地熱井具有很多優(yōu)越性,因此是我們的首選。用三牙輪鉆頭鉆進(jìn), 配以鉆鋌加壓, 鉆進(jìn)平穩, 鉆具的阻力矩小, 井眼圓滑規則, 鉆頭口徑形成系列, 種類(lèi)較多可適用不同地層鉆進(jìn)。

 

  選用鉆頭時(shí), 應先了解所鉆地層的性質(zhì), 收集有關(guān)鉆頭使用的經(jīng)驗, 并結合具體情況, 綜合考慮。使所選擇的鉆頭機械鉆速快, 下井時(shí)間較長(cháng), 外徑不易磨損?？傊? 既要效率高, 又要使所鉆出的井眼圓滑、規則, 經(jīng)濟又合理。

 

  2 .3  鉆具組合

 

  鉆具組合合理與否會(huì )直接影響鉆進(jìn)效率和井眼質(zhì)量。因此, 鉆具組合是鉆進(jìn)工藝規程中的“硬件” ,具有舉足輕重的作用。目前, 我們優(yōu)選復合式鉆具組合, 使用不同直徑的鉆鋌, 實(shí)現用鉆鋌加壓, 使全套井下鉆具鉆進(jìn)穩定, 以提高鉆進(jìn)效率和確保井眼的正確軌跡?，F在所選用的鉆具組合中, 常用的鉆鋌口徑有: 228.6 、203.2 、177.8 、159.0 和120.65mm 。根據所用鉆頭的類(lèi)型(銑齒或是鑲齒)和口徑大小, 配以2 ～ 3 種直徑的鉆鋌及相應的長(cháng)度, 組成合理的鉆具組合, 就會(huì )獲得明顯的鉆進(jìn)效果。

 

  2 .4  鉆進(jìn)規程參數

 

  鉆進(jìn)規程參數是鉆進(jìn)工藝規程中的“軟件” 。牙輪鉆進(jìn)時(shí)不僅要根據地層情況施以足夠的鉆壓達到有效地破碎巖石, 同時(shí)還要考慮鉆壓的大小和轉速的快慢對鉆頭的牙輪軸承和牙齒的影響, 使鉆頭在井下有最長(cháng)的工作壽命。所選用的鉆壓以每厘米鉆頭直徑5.25 ～ 10.42 kN , 轉速35 ～ 65 r/min 較合適。

 

  2 .5  地熱井鉆井液

 

  2 .5 .1  地熱井鉆井液的影響因素

 

  (1)地層壓力梯度。它是在設計鉆井液性能時(shí)考慮的重要因素。特別是在熱儲層鉆進(jìn)時(shí), 避免產(chǎn)生井漏, 或者造成堵塞、封閉開(kāi)采層的情況, 致使洗井困難, 出水量偏低。

 

  (2)地溫梯度。溫度對鉆井液性能直接造成影響。高溫會(huì )使鉆井液性能惡化, 使泥漿增稠、加速其化學(xué)反應, 使某些處理劑降解和變性。因此在設計地熱井鉆井液時(shí)高溫因素不可忽視。

 

  (3)地層和熱儲層性質(zhì)。在第四系和第三系地層鉆進(jìn)時(shí), 鉆井液應具有良好的護壁性能和攜帶巖粉的能力, 盡可能地降低地層的造漿性、增粘性, 控制鉆井液的固相含量。在鉆進(jìn)第三系熱儲層時(shí)應考慮保護產(chǎn)層、避免影響產(chǎn)層出水量的措施。而在某些易發(fā)生井漏的熱儲層段則應設法降低鉆井液的密度, 盡可能減少井漏的發(fā)生。

 

  (4)鉆井較深, 裸眼井段較長(cháng)。這要求鉆井液的性能不會(huì )造成井壁坍塌, 不縮徑, 盡可能小的漏失并具有高的機械鉆速, 有利于提高產(chǎn)水量。

 

  (5)從鉆井液的角度來(lái)考慮所采用的井身結構是否合理。因有鉆井或者說(shuō)是套管的幾級口徑變化, 影響了鉆井液的上返速度。如果泵量不能滿(mǎn)足要求時(shí), 可能會(huì )使井下巖屑較多, 排除不凈, 易發(fā)生井下事故。

 

  (6)定向斜井對鉆井液提出了新的要求。特別是在鉆井液的潤滑性, 攜帶巖屑能力, 以及減少井下鉆具粘鉆事故上多加考慮。

 

  2 .5 .2  鉆井液性能指標

 

  (1)第四系井段:密度1.03 ～ 1.08 kg/L ;粘度20 ～ 25 s ;失水量≯15 mL ;pH 值8 ～ 10 。

 

  (2)上第三系井段:密度1.06 ～ 1.10 kg/L ;粘度20 ～ 30 s ;失水量≯10 mL ;含砂量≯5 ‰;初切力0 ～ 1.0 Pa ;終切力1.0 ～ 2.0 Pa ;pH 值9 ～ 12 。

 

  (3)基巖井段:密度1.06 ～ 1.10 kg/L ;粘度25～ 30 s ;含砂量≯5 ‰;失水量≯10 ～ 15 mL ;初切力0 ～ 1.0 Pa ;終切力1.0 ～ 2.0 Pa ;pH 值8.5 ～ 10 。

 

  3  地熱井成井工藝

 

  3 .1  套管和下套管作業(yè)

 

  地熱井成井選用石油套管。其優(yōu)點(diǎn)是:口徑形成系列, 可與鉆頭口徑配套使用;有多種壁厚和鋼級, 可根據井下具體情況選用;采用絲扣連接, 方便下套管作業(yè);有配套的下套管工具和附件, 操作簡(jiǎn)便。套管口徑按井身結構的要求選用。套管的壁厚和鋼級是按絲扣的最小抗拉強度、套管的抗擠強度和抗內壓強度來(lái)綜合考慮, 根據井下泥漿密度按套管抗擠可下深度選用。常用的套管附件有:引鞋、浮箍浮鞋、旋流短節、彈性扶正器等。

 

  下套管作業(yè)時(shí)有專(zhuān)用工具, 如:套管吊卡, 旋繩,手動(dòng)大鉗及液壓大鉗。這些工具為下套管作業(yè)提供了方便條件。下管之前要用原徑鉆頭通井, 以保證順利下管到位。同時(shí)要檢查套管體、壁厚和絲扣是否符合設計要求, 還要擦洗絲扣、用通徑規通徑, 以保證下管后下井工具(如:鉆頭)能順利通過(guò)套管。

 

  認真丈量套管長(cháng)度和根數, 確定套管附件所放位置。

 

  下套管作業(yè)完成后, 應立即進(jìn)行水泥固井。

 

  3 .2  水泥固井作業(yè)

 

  水泥固井是用水泥漿封閉套管的外環(huán)空間?？煞飧舴情_(kāi)采層, 起到止水作用, 并能固定套管。常用油井水泥(75 ℃, G 級), 平均水泥漿密度≮1.85kg/L 。采用鉆桿注漿方式將水泥漿從套管外環(huán)空上返至預定高度, 管內預留一定高度的水泥塞。注水泥漿后須經(jīng)24 ～ 48 h 待干候凝, 再下鉆掃水泥塞。如無(wú)預留水泥塞則說(shuō)明替漿量不準, 套管下端部位無(wú)水泥漿封固。未達到止水目的, 也易造成套管脫扣事故。

 

  3 .3  洗井

 

  洗井是在完井后將井下殘留的巖屑和泥漿泥皮徹底清洗干凈, 使產(chǎn)水段疏通。一般先用清水沖孔,然后用空壓機氣舉洗井。風(fēng)管下深450 ～ 600 m , 洗井時(shí)間48 h 左右, 視洗井效果而定。達到水清砂凈即可停止。洗井時(shí)可注意觀(guān)察出水情況和水溫。如果估計達到預期指標就可轉入抽水試驗。

 

  3 .4  抽水試驗

 

  現在常用潛水電泵進(jìn)行抽水試驗。下泵前應觀(guān)測井下水位, 以決定下泵深度。在用泵抽水的開(kāi)始階段也是洗井工序的延續, 可以觀(guān)察是否達到水清砂凈, 以及水量、水位和水溫的變化情況。對該地熱井的出水指標有個(gè)概略估計。待抽水穩定后即進(jìn)入抽水試驗階段。抽水試驗是確定該地熱井出水指標的唯一方法。一般按要求抽2 個(gè)落程(降深), 取得2 組數據。畫(huà)出抽水試驗曲線(xiàn)。在停止抽水后要立即觀(guān)測熱水水位(即熱水頭值)。

 

  3 .5  增產(chǎn)措施

 

  抽水試驗所取得的數據未達到預期指標時(shí), 應分析原因, 采取增產(chǎn)措施。對于帶過(guò)濾器成井的地熱井可采用射孔加長(cháng)取水段的方法, 對于裸眼成井的地熱井采用酸化壓裂的措施, 通常都能收到較好的效果。

 

  4  地熱定向井技術(shù)

 

  井眼軌跡控制技術(shù)是定向井施工中的關(guān)鍵, 它是使實(shí)際鉆鑿的井眼按照設計的軌跡鉆達目標靶區的綜合性技術(shù)。井眼軌跡控制貫穿鉆井的全過(guò)程,包括:優(yōu)化鉆具組合, 優(yōu)選鉆井參數, 以及先進(jìn)的導向鉆井系統和計算機技術(shù)等。目前所鉆的地熱定向井多采用5 段制。直井段多為450 m , 最大井斜角為15°～ 20°, 井底水平位移500 m 左右(靶區半徑50 m), 鉆井深度多為2500 ～ 3000 m(斜深)。在直井段鉆進(jìn)之后, 一般在450 m 處作為造斜點(diǎn)進(jìn)行造斜鉆進(jìn)。選用1.5°彎接頭、無(wú)磁鉆鋌、螺桿動(dòng)力鉆具進(jìn)行造斜, 單點(diǎn)定向, 每鉆一定深度后進(jìn)行單點(diǎn)測斜。在達到8°以上的井斜角后可用增斜鉆具鉆進(jìn)。

 

  此時(shí)應用合理的鉆具組合, 嚴格控制鉆進(jìn)參數, 均勻送鉆, 使井眼曲率變化平緩, 軌跡圓滑, 避免出現“狗腿”彎, 并及時(shí)測斜, 掌握井斜和方位的變化, 以便及時(shí)調整鉆進(jìn)參數, 使井斜和方位滿(mǎn)足設計要求。穩斜井段, 較多鉆遇方位漂移嚴重的地層。此時(shí), 應慎重考慮該井段的鉆進(jìn)安全問(wèn)題, 避免為調整方位而出現井下鉆具事故。降斜井段, 一般位于開(kāi)采層井段。此時(shí), 應簡(jiǎn)化鉆具結構, 避免在發(fā)生井漏時(shí)造成井下事故。此井段鉆進(jìn)能達到井底的位移要求即可。

 

  地熱定向井是適應當前回灌要求, 保護地熱資源, 又便于地面管理的一種鉆井方式。目前, 隨著(zhù)“開(kāi)采-回灌”模式的推廣, 地熱定向井將成為開(kāi)采地熱的主要鉆井方式。因此, 地熱定向井鉆井工藝技術(shù)應作為一項課題進(jìn)行深入的研討, 以便達到高效、經(jīng)濟、安全。