泡沫流體鉆井技術(shù)在肯尼亞OW904 超高溫地熱井的應用

  地球的深部蘊藏著(zhù)巨大的熱能。在地質(zhì)因素的控制下，通過(guò)一定介質(zhì)以熱蒸汽、熱水、干熱巖等形式向地殼的某一范圍聚集，形成地熱資源。預計地球蘊藏的地熱能約為14.5×1025J， 折合4 948×1012t標準煤［1］。這么豐富的地熱資源通過(guò)科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)利用，使之成為可供人類(lèi)利用的一種新型能源已成為當務(wù)之急。地熱資源按照介質(zhì)的溫度不同可分為高溫（大于150℃）、中溫（90℃~150℃）和低溫（小于90℃）。對于低溫和中溫地熱井通常采用常規鉆井液，對于高溫地熱資源，尤其是超高溫地熱資源的開(kāi)采，常選用穩定泡沫鉆井流體。穩定泡沫流體能較好地起到防漏堵漏作用和在低壓狀態(tài)下建立欠平衡條件， 提高鉆井速度。肯尼亞OLKARIA 地區的OW904 井就屬于超高溫地熱井。

 

  1 OW904 地熱井基本情況

 

  中石油長(cháng)城鉆井公司于2006 年底中標肯尼亞KenGen 電力公司在肯西南地區（OLKARIADOMES）6 口井的地熱井鉆井服務(wù)項目。OW904 井是該項目于2007 年6 月18 日開(kāi)鉆的第一口地熱資源評價(jià)井，是一口定向井，由遼河石油勘探局鉆井二公司GW188 隊承鉆，使用ZJ40L 鉆機，遼河石油勘探局定向井公司實(shí)施定向施工，長(cháng)城公司空氣隊實(shí)施泡沫鉆井技術(shù)服務(wù)。鉆探目的是為了測定地下主要地熱系統的地質(zhì)構造。該井海拔高度為1 940m，設計井深2 800m， 造斜點(diǎn)為400m， 最大井斜角為20°，方位角為北偏東45°。8 月19 日交井，完井周期為62d。KenGen 電力公司曾經(jīng)在此區塊完鉆3 口直井，漏失比較嚴重，鉆井周期逾100d。

 

  2 地質(zhì)構造和地層巖性

 

  OLKARIA 構造是一個(gè)火山噴發(fā)巖沉積的開(kāi)放性隆起。在地表該隆起大約長(cháng)42km，寬28km，目的層深度2 000～2 540m。該構造與鄰近的構造呈不均勻的階梯狀。OLKARIA 隆起與臨近的OR-POWER范圍內的其他隆起相比埋藏較深。該構造在東北方向陡峭斷崖處露出地面。從山地表面到目的層主要以流紋巖、粗面巖和玄武巖為主，凝灰巖次之，上部地層有少量的燧石和黃鐵礦夾層。全井基本無(wú)泥質(zhì)含量，具有典型的高溫地熱（蒸汽型）地層的特點(diǎn):主要是裂縫發(fā)育的火山巖，地層壓力低，漏失嚴重。

 

  3 技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

 

  漏失和超高溫是該井的兩大鉆井難點(diǎn)。

 

  （1）漏失問(wèn)題

 

  從實(shí)鉆情況來(lái)看，由于裂縫和溶洞非常發(fā)育，全井從地表至目的層中的任何一點(diǎn)都有可能發(fā)生漏失，而每一次發(fā)生的漏失幾乎都是完全漏失，無(wú)漏層或漏點(diǎn)規律可尋。所以低密度氣基泡沫流體鉆井技術(shù)在此是優(yōu)選的鉆井技術(shù)之一，有利于建立欠平衡條件，防漏堵漏。

 

  （2）高溫問(wèn)題

 

  該井從地表300m 開(kāi)始就有高溫蒸汽出現，溫度高達180℃以上；隨著(zhù)井深的增加，地溫則不斷升高，當井深在1 224m 以下時(shí)，溫度高達250℃以上，據甲方資料最高溫度達350℃， 已經(jīng)超出了我們儀器的測量范圍。如何解決鉆井流體抗高溫能力是鉆井的技術(shù)難點(diǎn)之二。

 

  （3）關(guān)鍵技術(shù)

 

  從鉆井工程上來(lái)講，采用合理的套管程序是解決井眼中技術(shù)難點(diǎn)的基本手段，應用低密度氣基穩定泡沫流體，有利于建立欠平衡條件，防漏堵漏，提高機械鉆速，是實(shí)現這一手段的關(guān)鍵技術(shù)，解決鉆井流體的抗溫能力則是實(shí)現這一技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。

 

  4 超高溫地熱井鉆井泡沫流體技術(shù)要點(diǎn)

 

  OW904 井從井下300m 開(kāi)始地層溫度就達到180℃以上，隨著(zhù)井深的加深，最高溫度達到350℃。

 

  因而對形成泡沫流體的發(fā)泡劑而言，最關(guān)鍵的是它的抗溫能力。超高溫度對發(fā)泡劑的影響主要是高溫降解作用，在高溫條件下，構成發(fā)泡劑的一些基團會(huì )發(fā)生變異而失去它的起泡作用，從而在鉆井過(guò)程中導致一系列井下事故的發(fā)生。

 

  泡沫是熱力學(xué)不穩定體系。表面活性劑能降低表面張力，促進(jìn)泡沫形成。但是泡沫的穩定性取決于氣泡間液膜的粘彈性和機械強度，而液膜的粘彈性和機械強度主要取決于由表面活性劑產(chǎn)生吸附膜的柔韌能力和抗沖擊能力。在超高溫地熱井施工中，要求形成氣泡間的液膜具有在高溫條件下能抵抗超高溫（抗蒸發(fā)）、抗壓和抗剪切的能力。

 

  5 泡沫流體鉆井技術(shù)的應用

 

  在OW904 井的實(shí)際鉆井過(guò)程中，采用清水鉆井解決表層和上部地層的井漏問(wèn)題；采用充氣水和抗高溫硬膠泡沫解決中、深部地層井漏問(wèn)題；采用抗高溫保護劑提高原有發(fā)泡劑的抗高溫能力，保證發(fā)泡劑的高溫穩定性，從而形成了一套適合肯尼亞地熱井的泡沫鉆井作業(yè)程序和特有泡沫流體配方，順利完成了鉆井施工任務(wù)，取得了較好的經(jīng)濟效益。

 

  5.1 泡沫鉆井設備

 

  空壓機4 臺，增壓機3 臺，霧化泵1 臺，注入泵1 臺，氣體流量計1 臺，液體流量計1 臺，泡沫發(fā)生器1 臺，溫度監控儀1 臺，高、低壓管匯1 套，排砂管1 套，節流管匯1 套，21 1/4“旋轉頭1 套，13 5/8”旋轉頭1 套，基液罐1 座，干燥機1 套。

 

  該設備供氣能力為102m3/min， 最高工作壓力為15.4MPa。OW904 井泡沫鉆井工藝流程見(jiàn)圖1。

 

  5.2 抗高溫保護劑的應用

 

  使用泡沫鉆井， 從井筒返出的鉆井流體是一次性使用， 能抗高溫的發(fā)泡劑相對與常用鉆井液用發(fā)泡劑價(jià)格昂貴，必然會(huì )大大增加鉆井成本。因此，在OW904 井采取了在現有發(fā)泡劑的基礎上，通過(guò)加入抗高溫保護劑來(lái)提高泡沫流體抗溫能力的辦法，取得了較好的效果。

 

  長(cháng)城公司委托鉆井工程技術(shù)研究院研制了HT-1 新型抗高溫保護劑。通過(guò)在實(shí)驗室的實(shí)驗和現場(chǎng)應用證明：HT-1 對泡沫流體具有良好的抗高溫保護作用，在形成泡沫的基液中加入1%HT-1 能將發(fā)泡劑的極限抗溫從原來(lái)的180℃提高到240℃；HT-1 在不同溫度下對Ca2+、Cl-的污染不敏感，不會(huì )影響原有發(fā)泡劑的抗污染能力；HT-1 具有在高溫條件下保護泡沫流體良好活性的作用。

 

  5.3 應用的套管程序

 

  采用合理的套管程序是解決井眼中存在的技術(shù)難點(diǎn)的基本手段。OW904 井采用四層套管的井身結構。一開(kāi)用準660.4mm 鉆頭清水鉆至井深68.17m，下準508mm 套管至63.5m 封隔表層漏失段，建立井口；二開(kāi)用準444.5mm 鉆頭， 用充氣水鉆至井深315.52m，下準339.7mm 套管至306.52m 封隔上部漏失層， 為三開(kāi)泡沫鉆進(jìn)做準備； 三開(kāi)已進(jìn)入高溫地層，交替使用充氣水和穩定泡沫流體，交替時(shí)間視井溫而定，準311.2mm 鉆頭鉆至井深1 259m， 下準2 44.5mm套管至1 250.66m；四開(kāi)全井段地層溫度都在260℃以上，用穩定泡沫流體，準215.9mm 鉆頭鉆至2 799.31m，下準177.8mm 尾管至底部，尾管頂部1 228m，與準244.5mm 生產(chǎn)套管重疊段長(cháng)22m。

 

  5.4 三開(kāi)、四開(kāi)鉆具組合和技術(shù)參數

 

  三開(kāi)鉆具組合：12 1/4" 鉆頭+ 浮閥接頭+311mm 扶正器+ 8"無(wú)磁鉆鋌1 根+ 311mm 扶正器+ 8"無(wú)磁鉆鋌1 根+ 8"鉆鋌2 根+ 5"加重鉆桿15 根+ 5"鉆桿。參數：氣量為75～100m3/min；鉆壓為8～16T； 轉速為60～80r/min。使用了3 個(gè)鉆頭。

 

  四開(kāi)鉆具組合：8 1/2" 鉆頭+ 鉆頭接頭+195mm扶正器+ 8"無(wú)磁鉆鋌1 根+ 195mm 扶正器+ 8"鉆鋌1 根+195mm 扶正器+ 8" 鉆鋌3 根+195mm 扶正器+ 8"鉆鋌4 根+ 5"加重鉆桿9 根+ 5"鉆桿。參數：氣量為50～75m3/min；鉆壓為8～12T； 轉速為60～80r/min。使用了4 個(gè)鉆頭。

 

  5.5 泡沫鉆井防鉆具內噴的措施

 

  由于本井使用充氣水鉆井液， 鉆進(jìn)和循環(huán)過(guò)程中鉆具內鉆井液密度總是小于環(huán)空中的鉆井液密度，這樣一停泵就會(huì )發(fā)生鉆井液倒返甚至內噴，一旦井底蒸汽噴至井口， 再搶接方鉆桿或井口內防噴工具將是極其困難的。為此必須在鉆具底部安放回壓凡爾， 在甲方不要求繼續測斜的情況可以在鉆具中部（起鉆時(shí)鉆頭能進(jìn)入套管鞋時(shí)的位置上）加裝一個(gè)回壓凡爾。一旦發(fā)現回壓凡爾不起作用時(shí)，打完一根單根必須先停氣，繼續清水循環(huán)至立壓為0，再循環(huán)2min，方可卸開(kāi)方鉆桿，這時(shí)鉆具內液體密度要大于環(huán)空中的，發(fā)生鉆具內噴的可能性會(huì )大大降低。

 

  5.6 防地層高溫水蒸氣的措施

 

  在不定的時(shí)間內向井內灌入冷水，讓地層保持適當的漏失達到降低循環(huán)溫度的目的；而清水是不會(huì )給地層造成永久性傷害的，這是地熱井和油氣井鉆井的最大區別。

 

  5.7 接單桿和測斜時(shí)采取的措施

 

  由于地層漏失嚴重，全井基本上都是采用充氣水和泡沫，攜砂和“懸砂”效果都受到一定影響，停泵后井眼中巖屑迅速下沉，使得鉆具下放不到底，用稠泥漿清潔井眼為定點(diǎn)泵入稠泥漿封井“懸砂”，效果很好，基本不影響接單與測斜。

 

  5.8 解決井眼清潔問(wèn)題的措施

 

  所鉆地層除表層外， 基本上都是火山噴發(fā)巖。從OW904 井的實(shí)鉆情況來(lái)看， 井眼的穩定性非常好，即使是空井眼也不會(huì )發(fā)生井壁垮塌和縮徑現象。

 

  這就為鉆井帶來(lái)了很多的方便。解決井眼清潔問(wèn)題的措施是：

 

  （1）在清水中加入適量的發(fā)泡劑作為泡沫基液，并根據井深和地層漏失狀況在泡沫基液中充入一定量的空氣，保持泡沫的質(zhì)量系數在0.55 左右，這樣可建立一個(gè)良好的循環(huán)來(lái)保證攜巖效果。

 

  （2）在不能建立循環(huán)的漏失地層，在泡沫性注入參數不變的情況下，可進(jìn)行盲鉆。但在盲鉆過(guò)程中要經(jīng)常測試井眼是否清潔。測試的方法是：剛開(kāi)始盲鉆時(shí)，先鉆井3～4m，上提鉆具，然后停止泡沫流體的注入鉆具靜止5min 左右，然后再次下入鉆具，測試井底是否有沉砂，如果沒(méi)有沉砂則開(kāi)泵繼續往下鉆進(jìn)。

 

  注意在重新下入鉆具過(guò)程中不要開(kāi)泵和轉動(dòng)轉盤(pán)。

 

  以后不管是否返出，只要每次接單根能下放到井底，就可放心地進(jìn)行盲鉆。

 

  （3）在建立循環(huán)時(shí)，一定要進(jìn)行“大”循環(huán)，既返出的流體在除氣后要排入廢水坑中進(jìn)行散熱， 然后用潛水泵抽回繼續使用， 由于廢水坑的散熱面積較大，可較迅速地降低循環(huán)流體的溫度，這樣可有效地抑制循環(huán)流體溫度持續升高。

 

  （4）在循環(huán)流體再利用時(shí)，要適當補充發(fā)泡劑，保證流體的質(zhì)量系數不會(huì )太低， 這樣可有效地抑制斷塞流的產(chǎn)生，有利于清潔井眼。

 

  （5）嚴格控制氣體的注入量。充氣鉆井中并不是氣體注入量越多越好。當氣體不能完全分散于氣體中時(shí)，就會(huì )破壞流體的層流狀態(tài)，在環(huán)空中形成紊流或斷塞流，這樣將嚴重影響流體的攜砂能力。

 

  6 結論

 

  （1）抗高溫保護劑可以提高原有發(fā)泡劑的抗高溫能力， 加入該保護劑的穩定泡沫流體能夠解決常規鉆井液不能解決的嚴重漏失問(wèn)題。

 

  （2）在OW904 井順利完成鉆井施工，說(shuō)明充氣水和泡沫鉆井工藝安全、合理。

 

  （3）充氣水和泡沫鉆井提高了機械鉆速，減少了鉆頭使用數量，降低了鉆井成本。

 

  （4）地熱井鉆井不同于油氣井鉆井，首先表現在地溫梯度無(wú)規律可尋， 地層溫度遠遠高于油氣井的溫度，一旦幾百度的水蒸氣涌出地面，其控制程序完全不同于油氣的控制， 甚至油氣井的相關(guān)控制設備將會(huì )失效。因此， 不能讓地層里的水蒸氣噴到地面來(lái)，必須通過(guò)不定期地向井內灌入冷水，讓地層保持（4）對M氣田控縫高壓裂設計提出了主要參數取值建議。