淺談我國地熱井鉆探工藝及方法

  1 我國地熱井鉆探施工發(fā)展概況

 

  1.1 20世紀70 年代

 

  20 世紀70 件代，我國僅北京、天津等少數地區開(kāi)展地熱勘查及鉆探施工。最初探采埋藏的地熱資源較淺，一般孔深在500~1000m。采用的鉆探設備多為XB-1000 型巖芯鉆機，配BW240/40 和BW240/60 等型號泥漿泵。鉆具多為?60mm 鉆桿、?108mm 和?121mm 鉆鋌。鉆探成井工藝多為小徑打大徑擴孔成井的工藝。此時(shí)期鉆探效率低、成井周期長(cháng)、一般完成一眼千米地熱井需8~12 個(gè)月。

 

  1.2 20 世紀80年代

 

  20 世紀80 年代，我國地熱勘查范圍開(kāi)始擴大，井深增加，鉆機選用THJ-1500 型巖芯鉆機及T-50B 型石油鉆機,用于1000~2000m以?xún)?a href="http://keyinmall.com/t/地熱鉆探.html" >地熱鉆探。此階段鉆具規格有：?73mm、89mm 鉆桿，?121mm、?146mm、?159mm 鉆鋌。采用牙輪鉆頭和刮刀鉆頭全面鉆進(jìn)方法，普遍采用三級口徑成井，提高了鉆進(jìn)效率，縮短了成井周期。

 

  1.3 20 世紀90年代至今

 

  20 世紀90 年代開(kāi)始，地熱勘查在全國范圍內逐步全面展開(kāi)，國內水井深井鉆機逐步配套，有GZ-2000型、GZ-2600 型、TSJ-3000 型等水系列鉆機及石油系列的ZJ30 型、ZJ45 型鉆機。泥漿泵從水系列的3NB-350、BW-1200 泵到石油系列的3NB-500、3NB1300泵，排量逐漸增大，滿(mǎn)足了鉆深2000~4000m 的需求。

 

  鉆具規格有：?89mm、?114mm、?127mm 鉆桿及

 

  ?114mm、?127mm 雙壁鉆桿，?121mm、?159mm、?178mm 鉆鋌等。采用多種鉆探工藝，鉆進(jìn)效率高，成井質(zhì)量好。一般完成一眼2000m 地熱井僅需3~6 個(gè)月。

 

  2 地熱井鉆探工藝

 

  2.1 泥漿正循環(huán)鉆探工藝

 

  近年來(lái)，反循環(huán)鉆探、沖擊鉆探、潛孔錘鉆探等鉆探工藝得到了普遍的應用及發(fā)展，但鉆探工藝依然是以正循環(huán)回轉鉆進(jìn)為主，具有最廣泛的適用性。

 

  2.1.1 工藝參數

 

  （1）鉆壓。在較深地熱井鉆探中，鉆壓加不足是最常見(jiàn)的，這是影響鉆探效率的主要因素之一。例如，中軟地層用?216mmHA537 鉆頭，推薦鉆壓應為107~226kN，但在生產(chǎn)中因鉆鋌和鉆桿質(zhì)量問(wèn)題，所加壓力一般都比上述值要小。

 

  鉆壓不足對機械鉆速的影響較明顯，尤其是鉆進(jìn)中硬以上地層時(shí)，一般鉆壓僅使巖石實(shí)現體積破碎，此時(shí)，上返巖屑顆粒較大。因此，要提高鉆探效率，應使用質(zhì)量好的鉆具，加足鉆壓鉆進(jìn)。

 

  （2）轉速。牙輪鉆頭主要以牙齒對巖石的沖擊、壓碎和剪力作用來(lái)破碎巖石。硬和極硬地層主要靠牙齒對巖石的沖擊、壓碎作用來(lái)破碎；極軟和軟地層主要靠牙齒對巖石的剪切作用來(lái)破碎；中軟、中硬地層靠這兩種作用同時(shí)破碎地層。因而，對于極軟和軟地層應采用低壓高速，轉速為85~90r/min；對于硬和極硬地層應采用高壓低速,轉速為60r/min 左右。

 

  （3）泥漿參數。泥漿的主要作用是保持孔底清潔，并維護孔壁穩定。地熱井鉆進(jìn)中，一般較好的泥漿性能為：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。對于泥巖地層，應加入降失水劑，泥漿性能應為：粘度20~25s，失水量＜10mL/30min，用好的粘土造漿或提高粘土顆粒含量（能防泥巖造漿）?，F場(chǎng)須配有振動(dòng)除砂器和旋流除砂器，提高泥漿的質(zhì)量并及時(shí)替出廢漿。

 

  （4）泵量。泵量應保證孔底干凈，無(wú)殘留巖屑?？變葞r屑過(guò)多，不但會(huì )出事故，而且影響效率。一般常配的泥漿泵排量由小到大為3NB-350 或BW-1200、石油3NB-500、3NB-1300 泵。泵量越大攜帶巖屑效果越好。

 

  2.1.2 常用鉆具組合

 

  ?445mm 或?311mm 鉆頭+?178mm 鉆鋌+

 

  ?127mm 鉆桿；

 

  ?216mm 鉆頭+?159mm 鉆鋌+?89mm 鉆桿；

 

  ?152mm 鉆頭+?121mm 鉆鋌+?89mm 鉆桿。

 

  2.1.3 鉆探技術(shù)難點(diǎn)

 

  （1）粘鉆及縮徑。地熱井鉆進(jìn)較厚的第三系泥巖地層及頁(yè)巖夾層時(shí)，因泥頁(yè)巖為水敏性溶脹分散地層，膨脹縮徑、泥漿增稠，鉆頭泥包，在鉆井中常遇到不同程度的遇阻、卡鉆、縮徑等情況。

 

  三牙輪鉆頭鉆進(jìn)泥頁(yè)巖時(shí)，巖屑常存于牙齒之間，形成“泥包”。其主要原因是：泵量??；由于造漿作用，孔底泥漿粘度較大；牙輪自轉不靈活。

 

  克服粘鉆和縮徑的措施有：加大泥漿泵排量，選用大排量泥漿泵，優(yōu)質(zhì)泥漿等技術(shù)措施。有條件時(shí)應選用大排量石油系列泵，如3NB-500、3NB-1300 泵等。

 

  （2）漏失。在熱水層中鉆進(jìn)時(shí)，會(huì )遇到漏失情況，有時(shí)漏失嚴重不返漿。熱水儲層為白云巖、灰巖、砂巖時(shí)，孔壁穩定性較好，因而可采用清水頂漏鉆進(jìn)。在取水目的層以上鉆進(jìn)時(shí)，對于小漏失，可以在泥漿中加鋸未或堵漏劑進(jìn)行堵漏；較大漏失時(shí)，可向孔內投入粘土球或用水泥堵漏。對于難于堵住的大漏失，可改用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)，也可下管封隔，或采用泡沫泥漿鉆進(jìn)。

 

  堵漏方法較多，可根據地層和實(shí)踐經(jīng)驗進(jìn)行選擇。

 

  2.2 氣舉反循環(huán)鉆探工藝

 

  氣舉反循環(huán)鉆探工藝能避免泥漿對環(huán)境的污染及對含水層的淤塞，并能克服地層漏失。在目的層鉆進(jìn)時(shí)采用該工藝不但可以免去化學(xué)洗井工序，而且能最大限度提高巖層的產(chǎn)水能力。

 

  氣舉反循環(huán)鉆探工藝在硬件配備上只需空壓機、氣水混合器、雙壁鉆桿、雙壁主動(dòng)鉆桿及配套水龍頭。

 

  對于較深的鉆孔，需配備大馬力的空壓機。難點(diǎn)是雙壁鉆桿的密封問(wèn)題。

 

  鉆具組合：?311mm、?216mm 或?152mm 鉆頭+

 

  鉆鋌+鉆桿+氣水混合器+?114mm 或?127mm 雙壁鉆桿+雙壁主動(dòng)鉆桿。

 

  鉆探工藝參數：沉沒(méi)比＞0.5。一般應配置較大馬力的空壓機。其功率為190kW,空氣壓力排量最大為25MPa。

 

  例如，某地熱井取水目的層采用氣舉反循環(huán)鉆探工藝。采用GZ-2600 型鉆機，WY-7.5/40 型空壓機，設計孔深2400m；鉆具組合（取水目的層）：?152mm 鉆頭+?121mm鉆鋌+?73mm鉆桿+氣水混合器+?127mm雙壁鉆桿+雙壁主動(dòng)鉆桿。氣舉反循環(huán)鉆探工藝施工井段從2070.07~2401.02m，共計進(jìn)尺330.95m，鉆探總臺時(shí)400.34h，單位輔助時(shí)間0.52h/m，純進(jìn)尺效率提高到1.45m/h。

 

  2.3 高壓噴射鉆探工藝

 

  隨著(zhù)深部地熱資源的開(kāi)采，地熱井深度的加大，石油鉆探隊伍及設備進(jìn)入地熱鉆探市場(chǎng)，采用高壓噴射鉆探工藝，大大提高了鉆探效率和成井質(zhì)量，尤其是克服了泥頁(yè)巖泥包鉆頭的問(wèn)題，縮短了工期。

 

  高壓噴射鉆井是采用噴射式鉆頭，以很高的泵壓使泥漿自鉆頭噴嘴產(chǎn)生很高的噴射速度（最高達75~100m/s）的一種鉆井工藝。它一方面可以利用高流速的泥漿沖刷井底，幫助鉆頭破碎巖石；另一方面又能更好地清洗井底和鉆頭，加速鉆進(jìn)。高壓噴射鉆井要求配備大功率的強力泵，相應地配合使用低固相泥漿，保證泥漿的除砂和凈化效果。使用這種鉆井工藝可以提高鉆速1~2 倍，大大提高了地熱井鉆井效率。

 

  例如：在鐵嶺金峰小鎮選用水源鉆機施工一眼

 

  2600m 井需要6 個(gè)月左右，而選用石油鉆機和高壓噴射鉆探工藝施工2600m 井僅需3 個(gè)月左右，效率提高一倍，不僅大大縮短了工期，還提高了成井效率。

 

  3 地熱井完井工藝

 

  3.1 測井

 

  普遍采用物探測井的參數，即自然電位、梯度電阻率、電位電阻率、井斜及井溫參數，目的是較準確地劃分出含水層來(lái)。

 

  測井雖然是劃分地層和確定含水層的重要手段，但一定要結合巖屑錄井即實(shí)際地層和巖性進(jìn)行解釋?zhuān)荒芎?jiǎn)單地依靠統一模式和程序進(jìn)行解釋。因測井參數具有多解性，不結合實(shí)際地層和巖性解釋測井結果，將會(huì )對成井造成誤導。

 

  3.2 固井

 

  溫度是地熱井的重要標志，為提高溫度一定要把較低溫度的地層和含水層封住，因此固井是重要環(huán)節。最好對于花管或裸孔以上段全孔進(jìn)行固井。固井應該用專(zhuān)用設備、專(zhuān)業(yè)隊伍進(jìn)行。特別是對于不同管徑間的環(huán)空處，一定要用水泥固好，否則很可能會(huì )影響出水溫度。

 

  3.3 射孔

 

  隨著(zhù)石油勘探技術(shù)的引入，射孔是提高出水量的一個(gè)有效方法。鐵嶺凡河ZK1 地熱井，經(jīng)過(guò)多次多方法洗井水量水溫達不到要求。后根據測井曲線(xiàn)及巖屑錄井選擇了三段進(jìn)行射孔，射孔段分別為945~950m、1025~1035m、1055~1060m，共計20m 射孔。結果出水量從開(kāi)始500m3/d 增加到810m3/d，溫度從30℃提高到36℃。某地熱井，經(jīng)過(guò)多次多方法洗井水量仍很小，無(wú)法使用。后根據測井曲線(xiàn)及巖屑錄井選擇了已封孔的四段進(jìn)行射孔，射孔段分別為697~701m、712~716m、722~728m、920~926m，共用127 彈射了4 段，計20m。結果出水量從幾乎干眼到400m3/d，出水溫度達到46℃。通過(guò)射孔救活了該地熱井。在此井成功的基礎上，該地區又進(jìn)行第二眼地熱井的施工，水量、水溫均又有大幅度地提高。

 

  3.4 掛管

 

  掛管也是隨著(zhù)石油勘探技術(shù)的引入應用到地熱井施工中來(lái)的。鐵嶺凡河ZK1 井原設計熱儲層（白云巖）埋深1600m，設計井身結構為三開(kāi)結構，設計0~1600m全下管固井，取1600m 以下的水層。但實(shí)鉆至655m 就見(jiàn)到了熱儲層（白云巖），至1100m 巖性變?yōu)槭⑸皫r，石英砂巖含水性較差。為保留住熱儲層（白云巖），鉆孔結構由三開(kāi)變?yōu)槎_(kāi)，最后采用掛管技術(shù)保留了該井的熱儲層（白云巖）段，從而保證了該井的最后成井（水量810m3/d，出水溫度36℃）。

 

  3.5 洗井

 

  地熱井常用的洗井方法有焦磷酸鹽洗井、活塞洗井、酸化洗井、液態(tài)二氧化碳洗井、空壓機洗井等。

 

  隨著(zhù)鉆井深度的增加，常用的洗井方法有時(shí)達不到徹底洗井的目的，水量洗不出來(lái)。因此近年來(lái)采用了大功率空壓機（250 個(gè)壓力以上的大型空壓機）進(jìn)行氣舉和氣水混合洗井的方法，如果引進(jìn)石油系統的壓酸、壓裂方法洗井方法將取得更好的效果。

 

  4 結論

 

  （1）根據我國各地區的地層特點(diǎn)及熱儲層埋藏深度選擇先進(jìn)設備和配套機具，確保機具的合理級配。

 

  （2）根據我國各地區的地層特點(diǎn)及熱儲層埋藏深度選擇不同的鉆探工藝進(jìn)行施工，也可以采用多種鉆探工藝交叉的方法進(jìn)行施工（如正循環(huán)方法、反循環(huán)方法）。

 

  （3）固井是地熱井施工的重要環(huán)節。固井作業(yè)前必須做好設計，選擇專(zhuān)用固井設備及優(yōu)質(zhì)水泥保證固井的成功。

 

  （4）地熱井的成井關(guān)鍵在洗井，可以采用機械洗井、化學(xué)洗井的同時(shí),采用大功率空壓機進(jìn)行氣舉和氣水混合洗井的方法，可取得較好的效果。

 

  （5）引用石油鉆探施工先進(jìn)工藝進(jìn)行地熱井鉆井成井施工。如掛管技術(shù)、射孔技術(shù)及固井技術(shù)等工藝。將會(huì )大大提高地熱井的成井率及成井的出水量和出水溫度。