陜西地區定向地熱井施工工藝

  為了科學(xué)合理開(kāi)發(fā)咸陽(yáng)市豐富的地熱資源, 努力建設全國首家“中國地熱城” , 打造國家地熱資源綜合開(kāi)發(fā)利用示范區, 使地熱資源更好的服務(wù)于地方經(jīng)濟發(fā)展, 解決咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區的冬季供暖和洗浴問(wèn)題, 決定在該校區內施工一眼地熱井。

 

  由于該井與臨近的505 大學(xué)地熱井采水段距離較近, 不符合地熱資源開(kāi)發(fā)的規定, 而采用定向技術(shù)就可以解決這個(gè)問(wèn)題。該井是陜西地區渭河凹陷盆地內的一口定向地熱井, 于2009 年7 月1 日開(kāi)鉆, 8月13 日所有施工任務(wù)全部完成, 實(shí)際鉆井深度3 625 .60 m ;采用二級井身結構, 一開(kāi)井徑￠444 .5mm , 二開(kāi)井徑￠241 .3 mm , 完井最大井斜36 .7°, 完井井底水平位移591 .93 m , 經(jīng)抽(放)水試驗, 井口水頭高度31 m , 自流量104 .02 m3 /h ;降深64 .10m , 出水量為174 .95 m3 /h , 井口水溫118 ℃。

 

  1  工程概況

 

  該定向地熱井是陜西地區渭河凹陷盆地內的一口定向地熱井, 根據熱儲層的特點(diǎn)及主管部門(mén)的審批意見(jiàn), 決定設計成三段制, 及直井段、增斜段和溫斜段。工程設計井深為垂深3 500 m , 測深3 618m ;井底水平位移為560 m ;其造斜點(diǎn)在2 100 m ;最大井斜角為25°;取水層段為2 600 m ～ 3 618 m(混合開(kāi)采藍田—灞河組與高陵群熱儲)。

 

  2  工程地質(zhì)

 

  該定向地熱井位于西安凹陷北部換斜坡區, 該井鉆遇的地層自上而下有秦川群(Q2 -4qc)、為第四系三門(mén)組(Q1s)、上第三系張家坡組(N2z)、上第三系藍田—灞河組(N2l+b)與第三系高陵群(N1gl)。

 

  該井鉆遇目的層為藍田—灞河組與高陵群熱儲層, 混合開(kāi)采藍田—灞河組與高陵群熱儲層地下熱水。

 

  3  主要設備

 

  3 .1  鉆機型號與性能

 

  鉆機選用RT40/2250DR 塔式鉆機, 氣動(dòng)控制,采用柴油機動(dòng)力裝置機械驅動(dòng), 絞車(chē)采用帶式剎車(chē), 配FDWS40 型電磁剎車(chē), 其主要性能指標見(jiàn)表1 。

 

  3 .2  泥漿泵型號與性能

 

  采用青州石油機械廠(chǎng)生產(chǎn)的F -1600 和3NB-1300 泥漿泵各一臺, 通過(guò)更換不同直徑的缸套、活塞來(lái)改變泵的排量和壓力, 更換皮帶輪的直徑也能改變泵的沖程, 從而也能達到改變泵的排量和壓力。

 

  3 .3  鉆塔

 

  配備JJ225/42 -KCL 垂直立式井架, 井架配套DZ225/6 -X 底座, 井架高度42 m , 最大載荷2 250kN , 二層臺具有24 .5 m 、25 .5 m 、26 .5 m 三種安裝高度, 平臺高6 m , 適合城市小場(chǎng)地的安裝施工。

 

  3 .4  動(dòng)力裝置

 

  動(dòng)力采用三臺PZ12V -190B 柴油機, 總功率為2 649 kW , 與之配套有三臺聯(lián)動(dòng)機。

 

  3 .5  泥漿凈化系統

 

  地熱井井下溫度較高, 對泥漿性能要求較高, 泥漿凈化要求也高, 我們采用三級固控系統, 首先采用兩臺2ZYS 振動(dòng)篩除去泥漿中的巖屑, 在泥漿坑中沉淀后再吸到泥漿罐內, 再使用ZCS250 除砂器除去泥漿中較小顆粒的沙子, 最后采用LW450 -842N 離心機除去更小顆粒的固相, 達到凈化泥漿的目的。

 

  4  井眼軌跡控制

 

  鉆探方法采用正循環(huán)泥漿旋轉鉆進(jìn), 使用三牙輪鉆頭和PDC 鉆頭, 并配有螺桿動(dòng)力鉆具。

 

  4 .1  一開(kāi)井段(0 ～ 417 .75 m)

 

  一開(kāi)鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+6 1 4in(3根)+7in(12 根)+17 1 2in 三牙輪鉆頭鉆進(jìn)參數:

 

  轉速80 ～ 140 r/min , 鉆壓30 ～ 50 kN , 排量28 ～ 32L/s , 泵壓1 ～ 5 MPa 。

 

  0 ～ 417 .75 m 為第四系松軟地層, 采用大泵量、高轉速鉆進(jìn)工藝, 快速的鉆進(jìn)完一開(kāi), 并下入￠339 .

 

  7 石油無(wú)縫鋼管作為表層套管(泵室段), 管外環(huán)空全部用油井水泥封固, 達到保護地表潛水的作用。

 

  4 .2  二開(kāi)井段

 

  二開(kāi)井段分別采用三牙輪鉆頭和PDC 鉆頭, 按照設計要求直井段—增斜段—穩斜段三段式進(jìn)行施工;從2 079 .39 m 開(kāi)始造斜。

 

  4 .2 .1  直井段施工

 

  (1)417 .75 ～ 1537 .72 m 井段。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+6 1 4in(3 根)+7in(12 根)+三牙輪鉆頭;鉆進(jìn)參數:轉速80 ～ 140 r/min , 鉆壓120 ～ 150kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓5 ～ 7 MPa 。

 

  采用三牙輪銑齒鉆頭鉆進(jìn)至井深1 537 .72 m ,此段地層多為粘土和沙土互層, 巖層的膠結性差, 疏松, 容易鉆進(jìn)。

 

  (2)1 537 .72 m ～ 2 079 .39 m 井段。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+66 1 4in 鉆鋌(6根)+7in 無(wú)磁鉆鋌+PDC 鉆頭;鉆進(jìn)參數:轉速140 r/min , 鉆壓30 ～ 50 kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓7 ～ 9 MPa 。

 

  采用了PDC 鉆頭鉆進(jìn), 地層也較疏松, 鉆時(shí)較快, 鉆至井深2 079 .39 m , 起鉆更換鉆具組合準備造斜。直井段打完后, 最大井斜在1 819 .00 m 處井斜最大, 為1 .23°, 為下部定向井段施工奠定了基礎。

 

  4 .2 .2  造斜井段施工 該井采用先進(jìn)的MWD 無(wú)線(xiàn)隨鉆測斜技術(shù), 測斜準確迅速, 并且不影響鉆進(jìn)工作。

 

  (1)2 079 .39 ～ 2 149 .80 m 。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+6 1 4in 鉆鋌(6根)+7in 無(wú)磁鉆鋌+MWD 定向短節+1°單彎單扶螺桿鉆具+PDC 鉆頭;鉆進(jìn)參數:定向轉速200 r/min(螺桿轉速, 鉆桿在井內不動(dòng)), 復合鉆進(jìn)轉速80 r/min , 鉆壓30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓8 ～ 11 KPa 。

 

  首先采用定向鉆具組合鉆進(jìn)至井深2 149 .80 m,無(wú)線(xiàn)隨鉆測斜儀測得井斜0 .4°這段定向鉆進(jìn)未取得任何效果, 分析原因與施工區內的地層可鉆性以及使用的PDC 鉆頭有關(guān), 之后起鉆更換鉆具組合。

 

  (2)2 149 .80 ～ 2 551 .42 m 。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+6 1 4in 鉆鋌(6根)+7in 無(wú)磁鉆鋌+MWD 短節+1°單彎單扶螺桿鉆具+三牙輪鉆頭;鉆進(jìn)參數:定向轉速200 r/min(螺桿轉速, 鉆桿在井內不動(dòng)), 復合鉆進(jìn)轉速80 r/min , 鉆壓30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓8 ～ 12 KPa 。

 

  根據造斜井段鉆進(jìn)至2 551 .42 m , 隨鉆測斜儀測得井斜24 .61°, 達到了增斜段設計的井斜要求,后起鉆更換穩斜鉆具組合。

 

  4 .2 .3  穩斜井段施工

 

  (1)2 551 .42 ～ 2 802 .00 m 。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+6 1 4in 鉆鋌(6

 

  根)+7in 無(wú)磁鉆鋌+MWD 短節+￠226 扶正器+單彎單扶螺桿鉆具+PDC 鉆頭;鉆進(jìn)參數:轉速80 r/min(復合), 鉆壓30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓12 ～ 15 KPa 。

 

  采用雙扶穩斜鉆具組合后, 發(fā)現有降斜趨勢, 鉆進(jìn)至2 802 .00 m 后, 隨鉆測斜儀測得井斜已降至23 .73°, 且井斜有加速降低趨勢, 這樣按照該套鉆具組合施工下去, 將無(wú)法達到設計的井底水平位移, 不能滿(mǎn)足該井的要求, 研究決定起鉆更換鉆具組合, 在剩余的井段采用以下的鉆具組合。

 

  (2)2 802 .00 ～ 3 481 .38 m 。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+61/4in 鉆鋌(6根)+7in 無(wú)磁鉆鋌+MWD 短節+單彎單扶螺桿鉆具+PDC 鉆頭;鉆進(jìn)參數:轉速80 r/min(復合), 鉆壓30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓12 ～ 15 MPa 。

 

  去掉穩斜組合的上扶正器, 鉆進(jìn)中發(fā)現出現增斜現象, 雖然采取了定向措施, 但效果不明顯, 經(jīng)分析增大井斜后對該井設計影響不大, 工藝也是可行的, 井斜增大井底位移相應也會(huì )增大, 更能滿(mǎn)足該定向井的設計目的, 采用該套鉆具組合鉆到斜深3 625 .60 m , 完鉆, 垂深3 481 .38 m , 井底井斜36 .

 

  7°, 井底位移591 .13 m 。

 

  5  鉆井液性能

 

  該地熱井是一口深井, 要求在鉆進(jìn)中達到近平衡鉆進(jìn), 保證井壁穩定, 防止卡鉆、垮塌和井涌、井漏等現象, 而且井下溫度極高, 要求泥漿必須有耐高溫的能力, 該井采用聚合物低固相泥漿體系, 主要以高分子聚合物材料為主, 在3 000 m 以后采用抗高溫的聚磺泥漿體系, 主要以磺甲基酚醛樹(shù)脂為主要的抗溫材料, 在鉆進(jìn)中使用好固控系統, 嚴格控制泥漿密度, 粘度, 失水量, 加之該井為定向井, 因此在泥漿中加入白油潤滑劑, 確保泥漿的潤滑性, 降低鉆進(jìn)中的摩阻。表2 列出了該井在鉆至取水目的層段的泥漿性能指標。

 

  6  成井工藝

 

  6 .1  井身結構

 

  一開(kāi)井徑￠444 .5 mm , 下￠339 .7 mm 石油套管(0 ～ 417 .62), 鋼級J55 。

 

  二開(kāi)井徑￠241 .3 mm , 下￠177 .8 mm 石油套管(383 .34 ～ 3 624 .60 , 其中穿袖井段長(cháng)34 .28 m),鋼級N80 。

 

  6 .2  濾水管的安裝

 

  濾水管選用國產(chǎn)石油無(wú)縫鋼管, 直徑￠177 .8mm , 壁厚9 .19 mm , 鋼級N80 , 加工打眼, 園孔直徑2cm , 孔隙率大于18 %, 未包網(wǎng)纏絲;濾水管有效長(cháng)度627 .35 m 。安裝在取水層段中主要含水層部位, 濾水管與含水層的吻合率達98 %以上。幾年來(lái), 西安天地行地熱井工程有限責任公司已在20 余口地熱井中采用打眼不包網(wǎng)纏絲型濾水管, 實(shí)踐證明, 采用該種濾水管可以在洗井過(guò)程中, 一次性將井洗清, 將砂粒洗出, 不會(huì )出現地熱井在使用過(guò)程中出砂問(wèn)題。

 

  6 .3  洗井

 

  在下入φ177 .8 mm 水層井管后, 立即進(jìn)入洗井。利用空壓機氣舉洗井, 將φ88 .9 mm 油管下至1 300 m , 然后用稀泥漿替換處井內稠泥漿, 待泥漿密度降至1 .08 g/cm3 , 后利用空壓機氣舉洗井, 熱水開(kāi)始自流, 直至水清砂凈為止。

 

  6 .4  止水

 

  該井采用水泥封固和橡膠復合型止水器, 止水位置自上而下分別設在泵室段, 第四系三門(mén)組底部,于低洼地后, 采取植物措施以防止水土流失, 由于工程建設的需要, 工程施工時(shí)將棄土堆放于洼地的北側, 并在棄土場(chǎng)的南面用塊石進(jìn)行護坡, 利用棄土場(chǎng)建設廠(chǎng)區鐵路的信號樓。因工程設計方案的調整,水土保持的設計較原方案做了相應變更, 植物措施也相應減少。

 

  (4)水土保持設施補償費調整。原方案中水土保持設施補償費考慮了輸灰管線(xiàn)沿線(xiàn)占地6 .2 hm2和租用的7 .0 hm2 農田, 但工程施工時(shí)未使用這兩塊地。

 

  6  水土保持效果

 

  新海發(fā)電有限公司本期工程施工期擾動(dòng)地面面積達25 .751 hm2 。施工單位在施工過(guò)程中按照主體工程水土保持方案設計, 對臨時(shí)棄土、棄渣與開(kāi)挖破壞面采取了臨時(shí)防護措施, 在試運行期間水土流失面積逐漸減少, 水土流失得到有效控制。

 

  廠(chǎng)區內以喬木、灌木和草坪為主進(jìn)行了綠化, 有效遏制了煙塵對廠(chǎng)區的影響。本著(zhù)因地制宜的原則, 配以相應的植物措施, 既起到了防塵降噪、凈化空氣、減少裸地的作用, 又綠化了廠(chǎng)區, 美化了環(huán)境。

 

  在評估工作過(guò)程中, 向電廠(chǎng)周?chē)罕姲l(fā)放40 張水土保持公眾調查表, 通過(guò)抽樣進(jìn)行民意調查, 78 %的人對項目建設水土保持的總體評價(jià)很滿(mǎn)意。

 

  7  綜合結論

 

  新海發(fā)電有限公司2 ×330 MW 發(fā)電供熱機組擴建工程基本完成了水土保持方案確定的防治任務(wù), 投資控制和使用合理, 完成的各項工程安全可靠, 工程質(zhì)量總體合格, 水土保持設施達到了國家水土保持法律法規及技術(shù)標準規定的驗收條件, 可以組織竣工驗收, 正式投入運行。