天津地區基巖地熱定向井施工工藝探討

天津地區地熱資源豐富,為有效地保護資源,實(shí)施地熱產(chǎn)業(yè)的可持續發(fā)展,天津市人民政府 管理部門(mén)要求在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中,開(kāi)鑿兩口地熱井,一口作為生產(chǎn)井,另一口為回灌井。受城市用地面積 的制約,多以定向“雙井”成井。本文重點(diǎn)對定向井施工工藝進(jìn)行分析研究,提出相應技術(shù)措施,以保證 優(yōu)質(zhì)成井。 關(guān)鍵詞回灌開(kāi)發(fā),定向對井,成井工藝,技術(shù)對策,高效優(yōu)質(zhì) 1前言 能源的可持續開(kāi)發(fā)利用是人類(lèi)在新世紀里面臨的最大問(wèn)題之一。地熱資源是一種新興的 環(huán)保型能源,如何在利用的同時(shí)最大限度地保護地熱資源,使其更好的持續利用是需要解決 的問(wèn)題。 天津市地熱資源豐富,鉆井工程是地熱開(kāi)發(fā)的第一重要手段。在開(kāi)發(fā)利用時(shí),天津市政 府從科學(xué)合理開(kāi)發(fā)利用地熱資源的高度要求“回灌開(kāi)發(fā)”的利用模式,可有效地保護地熱資 源。

回灌開(kāi)發(fā)地熱資源是在同一施工地點(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,高溫地熱水經(jīng)由換熱器進(jìn)行熱交換,熱能被合理利用而作為地熱能的載 體—降溫后的地熱尾水,則被回灌人地下。為防止開(kāi)采與回灌井地熱流體短時(shí)間內相互干擾,要求井底距離應在800m左右。受城市用地面積的限制,多以定向“對井”的方式成 井。這就需要有定向井施工技術(shù)的支持。 天津地區地質(zhì)條件復雜,給基巖定向地熱“對井”的施工帶來(lái)很大難度,對基巖定向井 施工工藝進(jìn)行分析研究,保證施工的優(yōu)質(zhì)、高效和安全很有必要。作者就2004年組織設計 施工的天津市東麗區華明鎮SR19D、SR20D地熱定向井施工工藝進(jìn)行分析研究。 2地層及巖性 該“對井”通過(guò)鉆井、巖屑錄井及測井解釋,先后鉆遇了第四系平原組,上第三系明化 鎮組、館陶組,古生界寒武系,上元古界青白口系景兒峪組、龍山組,中元古界薊縣系霧迷 山組(目的層)(見(jiàn)表1)。 表1地層及巖性 地層劃分!深度/m}巖性 第四系平原組 第三系明化鎮組 第三系館陶組 寒武系 青白口系景兒峪組 青白口系龍山組 薊縣系霧迷山組 398 1120 1255 1610 1840 1910 2538(未穿) 貓土、砂層、砂質(zhì)貓土 砂巖、泥巖 泥巖、砂巖 泥質(zhì)灰巖、泥頁(yè)巖、泥巖、灰巖 泥質(zhì)灰巖、灰巖 泥巖、石英砂巖 白云巖 3定向井工藝 3.1定向工具的選擇該“對井”定向井段為中31lmm井眼,選用73/4即納維鉆具、2.50 · 254·或2o彎接頭、高壓循環(huán)頭、8’’無(wú)磁鉆挺等定向工具,測量?jì)x器定向井段采用有線(xiàn)隨鉆測斜 儀,增斜和穩斜井段采用自浮式電子測斜儀。 3.2定向井設計 (l)井身結構設計。根據鉆井所在區域地質(zhì)情況和地熱鉆井技術(shù)特點(diǎn),設計為四開(kāi)井, 井身結構及套管程序為:一開(kāi)鉆頭直徑為勢444.5mm,套管直徑勢339.7mm,下深400m;二 開(kāi)鉆頭直徑為勢3llmm,套管直徑價(jià)244.smm,進(jìn)人基巖Zm左右封閉松散軟地層;三開(kāi)鉆 頭直徑為協(xié)215.gmm,套管直徑價(jià)177.smm,進(jìn)人取水目的層霧迷山組白云巖Zm左右下管; 所有套管必須符合美國石油協(xié)會(huì )指定的API標準。四開(kāi)鉆頭直徑為協(xié)152.4mm,裸眼成井。 井身結構見(jiàn)表2。 表2井身結構 井身結構 一開(kāi) 二開(kāi) 三開(kāi) 四開(kāi) 深度/m 402 1260 1916 2538 井徑/mm 444.5 311 215.9 152.4 套管直徑/mm 339.7 244.5 177.8 152.4 備注 水泥固至地表 穿鞋戴帽固井 穿鞋戴帽固井 裸眼完井 (2)井身剖面的設計。根據施工井地層特點(diǎn)和井身結構設計為四段制井身剖面,即直井 段、增斜井段、穩斜井段、自然降斜井段。 (3)造斜點(diǎn)的確定。造斜點(diǎn)的選擇是定向井能否成功的關(guān)鍵因素之一。一方面定向施工 要求造斜點(diǎn)巖石的硬度應能起到對造斜鉆具的支撐作用,另一方面又要把造斜點(diǎn)選擇在盡可 能淺的地層中,以利于用盡量小的井斜達到理想的成井水平位移,如何選好造斜點(diǎn)就很關(guān) 鍵。SR19D、SRZOD的設計造斜點(diǎn)在500一soom范圍內,當鉆進(jìn)到soom時(shí)從上返的巖屑 判斷地層結構松散,如造斜容易給下一步施工帶來(lái)難度,頻繁的起下鉆容易使井壁拉出“鍵 槽”,造成事故隱患,在該“對井”施工中繼續往深部鉆進(jìn),并密切關(guān)注地層情況,最終將 SR19D造斜點(diǎn)定在820m(SR20D造斜點(diǎn)定在765m)的第三系膠結較好的泥巖中,隨后適 當加大井斜角施工,較好地預防了“鍵槽卡鉆”,同時(shí)使終孔達到了理想的水平位移和閉合 方位。 (4)設計方位角、水平位移、造斜率和最大井斜角。根據鉆井深度和地質(zhì)構造情況,以 及地層情況設計SR19D井方位角為1350,水平位移為4oom,SRZoD井方位角為3150,水 平位移為400m,井眼曲率為12。/10Om以?xún)?最大井斜角210。 3.3定向井施工工藝措施和注意事項 (1)直井段采用塔式鉆具結構,嚴格按規定參數鉆進(jìn),井斜角控制在1度以?xún)取?(2)定向造斜井段選在第三系軟地層,采用有線(xiàn)隨鉆定向速度較快,但造斜率一般應控 制在15。/IOom以?xún)?采用2.50彎接頭一般50~70m可達到8o井斜,完成定向工作。在定向 造斜時(shí),還考慮了轉盤(pán)增斜階段使用的牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)方位多向順時(shí)針?lè )较蚱?即右手漂 移規律,因此該井在定向造斜過(guò)程中比設計方位提前6“一10。

目的是利用右手漂移規律在 鉆達目的層時(shí)中靶精度更高。 (3)轉盤(pán)鉆增斜井段,每鉆進(jìn)30m要測斜一次,根據軌跡測量情況調節鉆壓和轉速, 以控制增斜速度和方位,井眼軌跡要圓滑,鉆至最大井斜角21“可以進(jìn)行穩斜鉆進(jìn)。 (4)斜井段700一13oom為中3llmm大井眼,鉆井過(guò)程中井巖屑較多,要求泥漿泵排量 要大,并根據井內情況和巖屑返出情況,每鉆進(jìn)100~200m進(jìn)行一次短提下鉆,以清理下 255井壁的“巖屑床”,起鉆時(shí)要觀(guān)察井口,防止出現“抽吸”,必要時(shí)接方鉆桿循環(huán)。 (5)穩斜井段,按照設計要求采用三只扶正器穩斜鉆具結構,就可滿(mǎn)足第三系地層 巾3nmm井段穩斜要求,每鉆進(jìn)50m要測斜一次,根據軌跡測量情況調節鉆壓和轉速,控 制增斜速度和方位,可以達到按所需軌跡施工的目的。而基巖地層價(jià)2巧.gmm井段穩斜時(shí), 情況相對較復雜,由于地層巖石塑性小、剛性較大,因此鉆井過(guò)程中受巖層傾角和走向影 響,非常容易出現降斜和跑方位情況,在設計和施工過(guò)程中采用四只扶正器的穩斜鉆具結構 有利于方位穩定,并要根據測量井斜和方位情況及時(shí)調整鉆具結構,如采用微增結構或增斜 結構進(jìn)行穩斜,SR19D井遇到穩斜穩不住情況,利用增斜鉆具穩斜較理想。 (6)若方位和井斜確實(shí)難以控制時(shí),建議采取不下動(dòng)力鉆具扭方位和增斜的措施, 丸15.gmm井段成井時(shí)要下人價(jià)177.smm套管,易造成井內事故,甚至井內環(huán)空間隙較小, 若扭方位造成井眼“狗腿度”較大,則會(huì )導致套管下人度增大,造成地熱鉆井失敗。成巖較 高、巖性較硬定向井軌跡受地層影響較大,在施工中可以根據“對井”施工的第一口井的情 況,分析地層的造斜規律指導第二口井施工,如第一口井降斜嚴重,第二口井則可能不降甚 至增斜(因“對井”方位相反或基本相反),方位也有一定規律,若第一口井位移過(guò)小,第 二口井可更改設計加大位移,最終使兩口井實(shí)現理想的井底距離,滿(mǎn)足地熱“對井”實(shí)現采 水和回灌的需要。 (7)四開(kāi)價(jià)152.4mm井段為工作的目的層中元古界薊縣系霧迷山組主要巖性是白云巖, 裂隙發(fā)育、漏失嚴重,采用自然降斜鉆具結構。 4泥漿調配 泥漿調配是定向施工的又一難點(diǎn),定向井對鉆井液的要求很高,要求泥漿能夠起到非常 好的潤滑鉆具、冷卻鉆頭、維護井壁的作用,這樣才能減小井下危險,保證施工安全順利地 進(jìn)行。

 (l)一開(kāi)井段地層:第三系。 巖性:豁土、砂層、砂紙鉆土、泥漿用拌土漿。 

(2)二開(kāi)井段鉆遇地層:第三系。 巖性:砂巖、泥巖、砂泥巖。 井眼尺寸:價(jià)3nmm;鉆井液類(lèi)型:聚合物防塌鉆井液。 本井段難點(diǎn):井壁穩定、大井眼攜砂、潤滑防卡。 1鉆井液性能密度1.05一1.089/cm“、豁度35一385、API失水成smL、塑性乳度 7~10mPa·s、動(dòng)切力3~6Pa、105切力0.5一1.oPa、10min切力1.0~3.OPa、pH值 8.5~9。 o二開(kāi)鉆水泥塞時(shí),加人適量的純堿,避免水泥對鉆井液的污染。定向鉆進(jìn)前,加人 極壓潤滑劑、潤滑防塌劑、胺鹽等鉆井液材料,保證鉆井液性能穩定。 ?上部地層機械鉆速較快,及時(shí)排放沉砂,鉆進(jìn)過(guò)程中保證固控設備運轉正常,降低 劣質(zhì)固相對鉆井液的污染。由于第三系明化鎮組地層本身具有造漿性能,因此增加大分子抑 制劑的含量,保持鉆井液具有低戮高切的特性,從而保證井眼清潔。 ?根據機械鉆速、進(jìn)尺和鉆井液性能的變化及時(shí)補充各種鉆井液處理劑,保證鉆井液 具有較好的流變參數和穩定性。 ?根據鉆進(jìn)時(shí)的實(shí)際情況及時(shí)采取短起下鉆及其他工程措施。起下鉆過(guò)程中控制速度, · 256·避免引起井下復雜。 ?完鉆前50m調整好鉆井液各項性能,保證電測和下套管施工的順利進(jìn)行。

 (3)三開(kāi)井段鉆遇地層:古生界寒武系地層。巖性:泥質(zhì)灰巖、泥葉巖、泥巖、灰 巖。井眼尺寸:價(jià)215.gmm。鉆井液類(lèi)型:抑制性防塌鉆井液。本井段難點(diǎn):泥巖防縮徑、 井眼凈化、潤滑防卡、防漏。 1鉆井液性能:密度1.10一1.159/e時(shí)、豁度35一485、”I失水鎮12n1L、塑性勃度卜 15mPa·S、動(dòng)切力5一SPa、105切力1.0~2.oPa、10而n切力2.0一4.oPa、pH值8.5~9。 o鉆水泥塞時(shí),加入適量的純堿,避免水泥對鉆井液的污染。鉆進(jìn)過(guò)程中,補充極壓 潤滑劑、防塌護壁劑、高溫降濾失劑等鉆井液材料,保證鉆并液性能穩定。

本井段泥巖地層易縮徑,造成井壁不穩定,加強鉆井液的抗溫性和性能穩定性,必 要時(shí)可提高鉆井液密度平衡地層壓力。失水應小于smL,茹度45~505,加入防塌護壁劑和 高溫降濾失劑。并根據情況進(jìn)行短起下鉆,及時(shí)修復井眼,同時(shí)加強鉆井液的造壁性能,減 少地層的吸水量和時(shí)間。 ?根據鉆進(jìn)時(shí)的實(shí)際情況及時(shí)采取短起下鉆及其他工程措施,保證施工安全順利。起 下鉆過(guò)程中控制速度,避免引起井下復雜。 

(4)四開(kāi)井段清水鉆進(jìn)。 5根據地層情況采取的堵漏措施 SR19D、SR20D兩井相距很近,但在施工中發(fā)現兩井鉆遇地層相差較大。尤以古生界 寒武系地層最為突出,SR19D井寒武系地層厚度為164m,其中府君山組地層缺失,井底沒(méi) 有出現異常。SR20D井的寒武系地層厚度355m,其中府君山組地層厚78m。當鉆進(jìn)至 1526m時(shí)進(jìn)尺開(kāi)始加快為3m/min,當鉆進(jìn)至1534m時(shí)出現大漏,基本不返漿,上返的少量 巖屑中含有大量的風(fēng)化的灰巖,滴酸起泡劇烈,作者果斷采取了措施,甩掉三個(gè)扶正器,保 證了下面鉆進(jìn)沒(méi)有發(fā)生重大井下事故,繼續鉆進(jìn),1558m再次出現大漏不返漿,提鉆,實(shí) 施靜止堵漏。3天的堵漏過(guò)程中,多次出現井下危險,但由于采取措施及時(shí)、妥當保證了生 產(chǎn)的安全進(jìn)行,為后期的工作奠定了堅實(shí)的基礎。經(jīng)過(guò)對1526一156om上返巖屑的對比研 究,確定為下古生界寒武系府君山組地層,裂隙發(fā)育,為以后對該地層的研究提供了可靠的 現實(shí)依據。 

6結論 天津市地熱資源十分豐富,作為可再生能源,它的勘探開(kāi)發(fā)利用對天津市經(jīng)濟可持續發(fā) 展、人民生活的提高和環(huán)境改善具有十分重要的意義。定向井技術(shù)在地熱井勘探開(kāi)發(fā)中的應 用舉足輕重,而天津地質(zhì)地層情況十分復雜,因此相對一般意義上石油定向井技術(shù)工藝有較 大的區別。作者對SR19D、SRZoD定向井施工工藝的分析研究,對天津地質(zhì)基巖定向井施 工乃至于華北地區基巖地熱定向井施工具有指導意義。