定向井技術(shù)在地熱井施工中的應用

1.定向井技術(shù)簡(jiǎn)介

 

  1.1 定向井基本概念

 

  定向井就是使井身沿著(zhù)預先設計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法。其剖面主要有三類(lèi)：（1）兩段型：垂直段+造斜段；（2）三段型：垂直段+造斜段+穩斜段；（3）五段型：上部垂直段+造斜段+穩斜段+降斜段+下部垂直段。

 

  定向井技術(shù)是當今世界最先進(jìn)的鉆井技術(shù)之一，它是由無(wú)磁傳感控制鉆頭運動(dòng)軌跡，使鉆頭沿著(zhù)特定方向鉆達地下預定目標的鉆井工藝技術(shù)。采用定向井技術(shù)可以使地面和地下條件受到限制的地熱資源得到經(jīng)濟、有效的開(kāi)發(fā)，具有顯著(zhù)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。定向井就是使井身沿著(zhù)預先設計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法。

 

  1.2 定向井基本應用

 

  （1）地面限制：埋藏在高山、城鎮、森林、沼澤海洋、湖泊、河流等地貌復雜的地下，或井場(chǎng)設置和搬家安裝碰到障礙時(shí)，通常在它們附近鉆定向井。

 

  （2）地下地質(zhì)條件要求：用直井難以穿過(guò)的復雜層、鹽丘和斷層等，常采用定向井。

 

  （3）鉆井技術(shù)需要：遇到井下事故無(wú)法處理或不易處理時(shí)，常采用定向井技術(shù)。

 

  （4）其它需要：其它需要用到定向井時(shí)。

 

  1.3 定向井基本分類(lèi)

 

  （1）按設計井眼軸線(xiàn)形狀可分為：①兩維定向井：井眼軸線(xiàn)在某個(gè)鉛垂平面上變化的定向井，井斜變化，方位不變化；②三維定向井：井眼軸線(xiàn)在三維空間變化的定向井，井斜變化，方位變化，包括：三維糾偏井和三維繞障井。

 

  （2）按設計最大井斜角可分為：①低斜度定向井：井斜小于15 度，鉆井時(shí)井斜、方位不易控制，鉆井難度大；②中斜度定向井：井斜在15-45 度之間，鉆井時(shí)井斜、方位易控制，鉆井難度相對較小，是使用最多的一種；③大斜度定向井：井斜在46-85 度之間，其斜度大，水平位移大，增加了鉆井難度和成本；④水平井：井斜在86-120 度之間，其鉆井相對較難，需要特殊設備、鉆具、工具、儀器。

 

  （3）按鉆井的目的可分為：救援井、多目標井、繞障井、多底井等等。

 

  （4）按一個(gè)井場(chǎng)或平臺的鉆井數可分為：①單一定向井；②雙筒井：

 

  一臺鉆機，鉆出井口相距很近的兩口定向井；③叢式井（組）：在一個(gè)井場(chǎng)或平臺上，鉆出幾口或幾十口定向井和一口直井。

 

  2.國內外定向井技術(shù)發(fā)展

 

  2.1 定向井技術(shù)往昔

 

  定向井通常采用的軌道剖面是“直—增—穩”和“直—增—穩—降—穩”或與之相近的剖面結構，在數量上以“直—增—穩”三段制結構占絕大多數。對于這種剖面，早期的定向井鉆井在造斜點(diǎn)以下井段是分三步施工的，即彎接頭+直螺桿定向造斜、轉盤(pán)鉆進(jìn)增斜和轉盤(pán)鉆進(jìn)穩斜。該施工步驟相對而言較為復雜，且由于定向井井眼軌跡的井斜變化和方位漂移量受地層巖性、鉆具結構、鉆進(jìn)參數等諸多因素影響，如果沒(méi)有對相應區塊的鉆井施工經(jīng)驗，判斷和量化分析井斜、方位變化規律存在一定的難度。

 

  2.2 國內定向井技術(shù)現狀與發(fā)展

 

  隨著(zhù)彎殼體泥漿馬達、高效PDC 鉆頭的研制成功和無(wú)線(xiàn)隨鉆測量技術(shù)的發(fā)展，導向鉆井系統逐步發(fā)展，并成為定向井技術(shù)發(fā)展的最重大的成果。最初是彎殼體動(dòng)力鉆具與MWD 組成的滑動(dòng)導向鉆井系統，近年來(lái)又出現了旋轉導向鉆井系統。導向鉆井系統的最大優(yōu)點(diǎn)是一套工具下入井內后，可以增斜、降斜和穩斜，可以根據需要鉆出不同曲率的井眼，從而大大提高了井眼軌跡控制能力。如英國B(niǎo)P 公司1999 年7 月在英國WytchFarm 油田完成的M16SPZ 井，完鉆井深11278m，垂深1637m，水平位移達10728.4m。1997 年6 月中國南海西江24-3-A14 井的水平位移達到了8060.7m。20 世紀90 年代末期，經(jīng)過(guò)鉆井工作者的共同努力，國內定向井技術(shù)逐步發(fā)展成熟，相繼完成了一大批各種難度的定向井、叢式井、大位移井、三維多目標井、三維繞障井，形成了較為成熟、完善的特殊工藝井鉆井技術(shù)。盡管與國外技術(shù)相比還有一定的差距，但主要集中在鉆井裝備和測量?jì)x器等硬件設施方面。

 

  2.3 國外定向井技術(shù)現狀與發(fā)展

 

  國外隨著(zhù)導向鉆井技術(shù)、無(wú)線(xiàn)隨鉆測量技術(shù)的不斷發(fā)展，地質(zhì)導向鉆井技術(shù)、旋轉導向鉆井技術(shù)等新技術(shù)的不斷涌現，推動(dòng)了水平井技術(shù)應用規模的不斷擴大。20 世紀90 年后期，水平井鉆井技術(shù)發(fā)展迅速。

 

  1996 年之后，僅美國鉆水平井能力就達到600～1000 口/年。近年來(lái)，國外水平井鉆井技術(shù)不斷發(fā)展，突出的表現在地質(zhì)導向技術(shù)、旋轉導向技術(shù)、自動(dòng)化（閉環(huán)）鉆井技術(shù)以及配套工具的研制及使用。

 

  3.定向井技術(shù)在地熱井施工中的應用

 

  3.1 地熱井施工現狀

 

  地熱資源的開(kāi)發(fā)利用需要采用“回灌開(kāi)發(fā)”的模式。回灌開(kāi)發(fā)是在同一施工地點(diǎn)開(kāi)鑿兩口或兩口以上地熱井，一口作為開(kāi)采井，另一口作為回灌井。受城市用地面積的限制以及運行管理的需要，多以定向“對井”的方式成井。對井井口直線(xiàn)距離在2.5～10m 之間，為防止開(kāi)采、回灌地熱流體短時(shí)間內相互干擾，井底距離保持在600～800m，定向井技術(shù)很好的解決了這些問(wèn)題。目前，國內各地地熱定向井成百上千，積累了低溫地熱定向井的施工經(jīng)驗。

 

  3.2 地熱井施工方法

 

  地熱施工定向井多采用四段制剖面，包括直井段、造斜段、穩斜段、自然降斜段。直井段450～650m，設計最大井斜18°～35°，井底水平位移400～600m。鉆直井段采用塔式鉆具組合，定向井段采用井底動(dòng)力鉆具，采用隨鉆測量技術(shù)，控制方位角和井斜角，鉆至井斜角9°左右，用增斜鉆具組合鉆至設計最大井斜角，換穩斜鉆具組合。全井根據取得的井眼軌跡數據，調整合理的鉆具組合和鉆進(jìn)參數，來(lái)控制井斜和方位的變化，使井眼曲率變化平緩。自然降斜井段位于開(kāi)采層，一般存在井漏，此時(shí)去掉扶正器，簡(jiǎn)化鉆具結構鉆進(jìn)至終孔。下面以某項目為例，說(shuō)明定向井技術(shù)在地熱井施工中的應用。

 

  3.3 地熱井施工實(shí)例分析

 

  該項目甲方為了解決建筑供暖，擬開(kāi)鑿一對地熱井。但由于場(chǎng)地限制，無(wú)法保證井底位移，故采用定向井技術(shù)。設計井口地面距離為5m，井身結構為四開(kāi)定向井，具體見(jiàn)圖1。

 

  對井造斜基本數據如下：

 

  設計開(kāi)采井：

 

  ①設計方位角：180°；

 

  ②最大井斜角：24°；

 

  ③井底水平位移：500m；

 

  ④井身剖面：

 

  垂深0～500m——直井段；

 

  斜深500～600m——造斜段；

 

  斜深600～900m——增斜段；

 

  斜深900～1895m——穩斜段；

 

  斜深1895～2495m——自然降斜段。

 

  設計回灌井：

 

  ①設計方位角：280°；

 

  ②最大井斜角：24°；

 

  ③井底水平位移：500m；

 

  ④井身剖面：

 

  垂深0～550m——直井段；

 

  斜深550～650m——造斜段；

 

  斜深650～970m——增斜段；

 

  斜深970～1895m——穩斜段；

 

  斜深1895～2495m——自然降斜段。

 

  通過(guò)使用定向井技術(shù)，該對井井底距離達到700m，不僅滿(mǎn)足了井底距離的要求，也滿(mǎn)足了甲方的要求。

 

  4.結論和建議

 

  定向井技術(shù)是當今世界最先進(jìn)的鉆井技術(shù)，它可以使地面或地下條件受到限制的地熱資源得到經(jīng)濟、有效的可持續開(kāi)發(fā)利用。作為可再生能源，地熱能將納入“十二五”能源規劃，地熱資源開(kāi)發(fā)利用將掀起一輪高潮，而定向井技術(shù)的應用將迎來(lái)一個(gè)前所未有的發(fā)展機遇，作為地質(zhì)工作者一定要認真學(xué)習、科學(xué)使用這項技術(shù)，從而達到可持續開(kāi)發(fā)利用地熱資源。