山東商河地區地熱井鉆效分析

  商河縣地熱資源豐富，蘊藏量巨大，具有分布廣、熱儲層穩定、水溫適中，且水中含有多種對人體有益的微量元素，其開(kāi)發(fā)利用前景廣闊。

 

  本區地處華北拗陷區(Ⅱ)濟陽(yáng)拗陷區(Ⅲ)的惠民拗陷(Ⅳ)內，地層由老至新依次為：古近系的東營(yíng)組、新近系的館陶組、明化鎮組和第四系平原組。熱儲含水層主要為新近系館陶組以及古近系的東營(yíng)組，其中館陶組的富水性較東營(yíng)組較好。本區構造簡(jiǎn)單，斷層稀少，地熱埋藏深度適中，是理想的地熱開(kāi)采利用地。

 

  1 勘查區鉆遇地層特點(diǎn)及施工難點(diǎn)分析

 

  區內第四系埋深440ｍ，為河流相沉積地層，上部巖性為砂質(zhì)粘土、亞砂土、粉土夾粉砂，下部為砂質(zhì)粘土、粘土與粉砂、細砂互層。由于地表松軟，在鉆進(jìn)中地表可能有竄漏鉆井液現象，鉆頭直徑大，憋跳，扭矩大，在高機械鉆速情況下，可能會(huì )出現鉆具事故。

 

  明化鎮組埋深1 036m，厚度596m，上部巖性主要以由棕黃、灰、灰綠色雜色砂質(zhì)粘土、泥巖和粉砂巖、細砂巖為主，局部夾鈣質(zhì)結核；下部以泥巖及細砂、中細砂巖為主。地層為極軟到中軟，可鉆性強，易造漿，底部易吸水膨脹發(fā)生縮徑卡鉆事故。

 

  館陶組埋深為1 392m，厚度356m，上部巖性為細—中砂巖及泥巖與細砂巖互層夾粉砂巖，下部巖性為礫巖、含礫砂巖、砂礫巖、細砂巖夾灰綠色粉砂巖、泥巖，地層中軟到軟，可鉆性強，砂礫巖對鉆頭有損壞作用，要注意鉆頭選型。

 

  東營(yíng)組埋深為1 560m，厚度168m，巖性為砂巖與泥巖的互層，整合于沙河街組之上，與其上的館陶組呈不整合。由紫褐、棕黃、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖夾薄層灰白、淺灰色石英中細砂巖組成?？摄@性強。

 

  總之，該區上段巖石可鉆性好，鉆頭容易產(chǎn)生泥包，在井壁形成虛厚泥餅。長(cháng)裸眼鉆進(jìn)，調整好泥漿性能，并做好井斜的監測工作，可順利建井。

 

  2 鉆效分析

 

  該區各鉆孔設備使用情況如表1所示。

 

  2.1 動(dòng)力設備對比

 

  商河地區地熱井施工孔深大都在1 500m 左右。從表1可以看出，采用電動(dòng)機作為動(dòng)力的4#地熱井施工工期明顯優(yōu)于其他三口動(dòng)力采用柴油機的地熱井。1#與2#井施工期間多次因為柴油機故障停鉆整修，消耗大量時(shí)間；3#井由于設備提升能力受限，使用Φ245mm 鉆頭一徑到底(1 500m)后，上部300m泵室段在使用Φ445mm擴孔。

 

  4#與2#純鉆效相近，但2#施工輔助時(shí)間明顯較長(cháng)，多因柴油機整修影響施工作業(yè)時(shí)間，增加鉆探輔助時(shí)間。

 

  由此可見(jiàn)，改用電動(dòng)機作為動(dòng)力比柴油機便利可靠，可降低輔助時(shí)間，降低施工成本。

 

  2.2 鉆具組合對比

 

  商河地區一開(kāi)孔段較淺，鉆具組合相同，無(wú)明顯對比性，主要以二開(kāi)鉆具組合為對比對象。1#，2#和3# 二開(kāi)鉆具組合使用：Φ244.5mm 牙輪鉆頭+Ф178mm 鉆鋌×20m+Ф159mm 鉆鋌×60m+Ф89mm 鉆桿。鉆鋌懸重10.5T，鉆壓70～90kN。牙輪鉆頭的適用性較強，鉆進(jìn)使用應為高壓慢轉（Φ245mm牙輪鉆壓在98～20kN，轉速在60～90r/min）?？紤]到鉆柱承重扭曲受力點(diǎn)，鉆鋌質(zhì)量很難全部給到鉆頭上，這樣所給到牙輪鉆頭的壓力就更少了，根本達不到牙輪鉆頭的額定使用壓力，牙輪合金吃入地層較淺，碎巖慢，進(jìn)尺就慢，巖屑在孔底重復破碎。未達到額定進(jìn)尺，軸承已磨損老化，提前報廢。如添加足量鉆鋌，來(lái)滿(mǎn)足鉆壓需求，鉆具懸重增加，孔內如有異常，受鉆塔承重上限（24m，70T；27m，90T）與鉆機提升能力限制，孔內鉆具就難起出孔內，而給下步施工處理造成更大的麻煩，以至于側鉆造斜完井或棄井。

 

  4#井一開(kāi)使用Φ445mm牙輪鉆頭鉆至302m，下表套候凝耗時(shí)3d。二開(kāi)使用Φ245mmPDC 鉆頭鉆進(jìn)，直至1 430m施工結束。使用PDC鉆頭期間共起鉆二次（包含鉆至1 100m起鉆拉孔一次）。二開(kāi)鉆具組合：Φ244.5mmPDC鉆頭+Ф159mm鉆鋌×40m+Ф127mm鉆桿。鉆鋌懸重5.2T，鉆壓20～40kN，轉速80～120r/min。鉆具懸重在鉆機設備的可控范圍之內，及可實(shí)現快速鉆進(jìn)。PDC鉆頭優(yōu)點(diǎn)為使用鉆壓較低，轉速較高，但缺點(diǎn)也很明顯，為了增加機械鉆速則需要加大鉆壓PDC鉆頭就會(huì )產(chǎn)生粘/滑運動(dòng)，鉆頭反應扭矩上傳至鉆鋌，鉆鋌與鉆頭剛性連接，扭矩上傳至鉆桿。使用Ф127mm鉆桿相比Ф89mm鉆桿的抗扭能力更強一些（Ф127mm鉆桿，68.3kN·m；Ф89mm鉆桿，30kN·m），且與鉆頭級配相差較優(yōu)?？蓽p少因鉆頭粘/滑運動(dòng)嚴重時(shí)造成的鉆具失效問(wèn)題，保證PDC鉆頭正常鉆進(jìn)。

 

  從對比可以看出，本區構造較簡(jiǎn)單，斷層稀少，PDC鉆頭更加適用。在這種已施工過(guò)的老市場(chǎng)，地質(zhì)情況已經(jīng)熟知，分階段使用PDC鉆頭勢必可以將施工工期大大縮短。

 

  2.3 泥漿泵對比

 

  從表1可看到，1#和2#井施工采用TBW-1200。

 

  3#井施工吸取前2口井施工的經(jīng)驗使用2臺850泥漿泵交替使用，減少維修時(shí)短起下鉆回次。

 

  從以上公式可以得出：Φ445mm孔徑，泥漿泵排量要達到48L/s，才能達到最低返速。而850泥漿泵滿(mǎn)負荷理想化運轉是14L/s，差距太大，達不到全面破碎攜巖目的。當采用Φ245mm一徑到底后，再使用Φ445mm 鉆頭擴至300m。在Φ245mm 孔徑施工泥漿泵排量應不低于17L/s，使用850泥漿泵在開(kāi)孔以淺井段勉強可以攜砂維持鉆進(jìn)。鉆至1100m時(shí)泥漿泵壓達到4.5MPa負載將近泥漿泵上限壓力（上限壓力5MPa），雖然使用2臺850泥漿泵交替，但850泥漿泵的泵量與壓力上限已不能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)的需求，以致起鉆整修泥漿泵，消耗大量時(shí)間。

 

  4#井改用QZ3NB-350泥漿泵，開(kāi)孔Φ445mm孔徑使用Ф170mm 缸套增大排量，排量達到34.4L/s。

 

  雖然達不到最低返速48L/s，但一開(kāi)井段較淺300m，通過(guò)增加沖孔時(shí)間來(lái)保證孔內清潔。鉆至302m,下表套，固井。二開(kāi)Φ245mm孔徑使用Ф140mm缸套泵量達到20L/s，滿(mǎn)足最低攜巖返速。且在Ф140mm缸套泥漿泵額定壓力上限10.5MPa，滿(mǎn)足施工時(shí)5MPa的泵壓。

 

  在泵量達到20L/s時(shí)，鉆頭水眼不變情況下，使用內徑Ф108mm的Ф127mm鉆桿，鉆桿循環(huán)壓力損耗1.82MPa（鉆桿內循環(huán)壓力損耗1.76MPa+鉆桿外循環(huán)損耗0.06MPa）；如使用內徑Ф70mm 的Ф89mm鉆桿，鉆桿循環(huán)壓力損耗就達到5.90MPa（鉆桿內循環(huán)壓力損耗5.87MPa+鉆桿外循環(huán)損耗0.03MPa）。

 

  水力傳遞在鉆桿這一環(huán)節損耗更多，傳遞到鉆頭的能量就更少了，降低了孔底的沖刷清潔能力。雖然泵量增大了但使用Ф127mm鉆桿也是保證QZ3NB-350泥漿泵水功率傳遞的一項重要措施。

 

  2.4 鉆井液循環(huán)系統對比

 

  1#，2#和3#井的泥漿循環(huán)系統為：井口→泥漿小沉淀池（JSB-2B除砂器配備80目濾網(wǎng)）→大泥漿循環(huán)沉淀池→泥漿泵→地面管匯→鉆具→井口。

 

  4#井使用PDC快速鉆進(jìn)，泥漿的凈化除砂就顯得尤其重要，將原鉆井液循環(huán)系統加以改進(jìn)：井口→泥漿小沉淀池（JSB-2B除砂器配備80目濾網(wǎng)）→泥漿大沉淀池（JSB-2C除砂器配備120目濾網(wǎng)）→40方泥漿循環(huán)罐（配備有150目除泥器循環(huán)）→泥漿泵→地面管匯→鉆具→井口。

 

  泥漿循環(huán)系統大泥漿沉淀池內使用50m3立式排污泵2臺交替不間斷供給JSB-2C除砂器，降低維持泥漿的密度。連接泥漿循環(huán)罐一側的臥式蝸牛泵供給除泥器間隔式除泥。泥漿循環(huán)罐的使用更重要的是位于地面上的泥漿罐靠泥漿自重將泥漿流入泥漿泵閥室內，降低了泥漿泵從循環(huán)沉淀池抽吸功耗與節省吸入閥磨損。

 

  3 結論及認識

 

  ①在地質(zhì)條件穩定的情況下，使用PDC鉆頭快速鉆進(jìn)可明顯提高鉆速，縮短了建井周期，降低了鉆井成本，具有顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。PDC鉆頭配備扭力沖擊器使用可徹底減少粘滑運動(dòng)，并改善機械鉆速，延長(cháng)鉆頭壽命。

 

  ②泥漿泵泵量保證巖屑上返速度不低于0.5m/s。返出巖屑利用有效的沉淀池與固控處理，大顆粒自然沉淀易于排除，小顆粒通過(guò)機械除砂器不間斷除砂處理。

 

  ③使用Ф127mm鉆桿代替Ф89mm鉆桿，一是鉆具內徑較大，鉆柱內循環(huán)損耗相比要少；二是抗扭矩強度較大。

 

  ④使用PDC鉆頭鉆進(jìn)，鉆頭會(huì )出現粘滑現象，使用抗扭強度更優(yōu)的Ф127mm鉆具可利保證施工的安全。

 

  ⑤地面使用泥漿罐配備除泥器間斷性除泥，保證泥漿液面高于泥漿泵閥室。