北京北苑地區洼里礫巖地層地熱井鉆井技術(shù)

  摘 要:洼里礫巖地層是北京洼里地區一種特殊的礫巖地層。分析了其地質(zhì)特征、成因及對鉆探施工的影響,介紹了在此地區施工的3眼地熱井所采用的鉆井設備及工藝、鉆進(jìn)中存在的困難及采取的措施。

 

  關(guān)鍵詞:洼里礫巖;地熱井;鉆探工藝;鉆具損壞;井斜2000年9月至2004年8月,受北辰集團委托,我院為其綠色家園成功的鉆鑿了3眼井深600~3700 m的地熱井,該3眼地熱井的建成,不僅可解決4~5萬(wàn)居民的洗浴、生活熱水、游泳娛樂(lè ),還大大減輕了對當地的環(huán)境污染,其經(jīng)濟意義和社會(huì )意義不言而喻,對于地質(zhì)科技和鉆井工藝技術(shù)實(shí)踐來(lái)講,由于鉆穿了北京地區號稱(chēng)為/難以攻破的堡壘)))洼里礫巖0,其意義更為深遠。其一,進(jìn)一步認識了洼里礫巖的地質(zhì)特征,從而可對其成因作進(jìn)一步的探討;其二,從鉆井實(shí)踐中總結出一套對付該巖層的鉆進(jìn)方法。

 

  洼里礫巖地層是北京洼里地區一種特殊的礫巖地層,由于其結構成分的特殊性,可鉆性極差,該區以往鉆井施工中,多因無(wú)法鉆穿該層而造成報廢,或難以達到理想的效果,從而被稱(chēng)為/鉆探禁區0。本工程成功地鉆穿了洼里礫巖地層,取得了理想的地質(zhì)成果,并摸索出了一套較好的鉆井工藝,本文就有關(guān)地質(zhì)、鉆井情況予以介紹。

 

  1 洼里礫巖地質(zhì)情況。

 

  1.1 洼里礫巖的地質(zhì)特征。

 

  所謂洼里礫巖,是指分布于北京北苑地區洼里村一帶,南至亞運村,北至立水橋,西臨清河,東到來(lái)廣營(yíng)這一小區域范圍內,在侏羅系火山沉積巖中出現的一套特殊巖層,一般呈層狀產(chǎn)出,多為1~3層,其厚度從幾米至數百米不等。

 

  洼里礫巖多呈深灰色、紫紅色、淡綠色、灰綠色等,主要成分為白云質(zhì)灰巖、燧石條帶白云巖、石英巖、安山凝灰巖等,角礫大小不一,分選性差,一般從幾毫米至四五十毫米,呈棱角狀、半磨圓狀等形態(tài),相互擠壓,鑲嵌在一起。洼里礫巖的膠結物為鈣質(zhì)、泥質(zhì)和硅質(zhì),礫巖普遍存在綠泥石化、綠簾石化、硅化等蝕變。

 

  1.2 洼里礫巖的成因。

 

  前人對洼里礫巖的成因有多種解釋,但主流說(shuō)法為構造巖,根據北苑地區鉆鑿的3眼地熱井中收集到的第一手材料,結合歷史資料進(jìn)行綜合分析認為,洼里礫巖具有成層性,個(gè)別層位最大厚度可達400余米,礫巖中的燧石條帶白云巖多呈半磨圓狀,顯然經(jīng)過(guò)了流水搬運過(guò)程,另外礫石分選差、成分雜,說(shuō)明搬運距離較近。綜合上述,我們認為,洼里礫巖是由早期的構造活動(dòng)(九龍山向斜和八寶山斷裂)把深部薊縣系霧迷山組地層推覆于石炭-二疊系之上,經(jīng)風(fēng)化、剝蝕和搬運,在新形成的凹陷盆地底部迅速堆積下來(lái),洼里礫巖層之間的安山質(zhì)凝灰巖則是其間火山噴發(fā)作用的產(chǎn)物,為此,厚度巨大的洼里礫巖即在沉積盆地中生成。

 

  1.3 從鉆探工藝上看/洼里礫巖。

 

  探礦工程(巖土鉆掘工程)(1)洼里礫巖分選性差,大小不均,軟硬不均,造成嚴重/跳鉆0,鉆具在長(cháng)期/跳鉆0的情況下極易疲勞而斷折,致使下部鉆鋌和鉆桿等鉆具多次折斷和脫落于孔內,引發(fā)大量孔內事故。

 

  (2)洼里礫巖有強烈硅化現象,且礫石中有部分石英巖,硬度較大,增大研磨程度,使鉆頭消耗增加。

 

  (3)洼里礫巖鉆進(jìn),鉆壓過(guò)大易形成井內鉆具非正常破壞和井斜加大;鉆壓小則易形成/跳鉆0引發(fā)孔內事故。轉速高使井內鉆具離心力加大,鉆具非正常磨損加大;低轉速影響鉆進(jìn)時(shí)效。合理的鉆進(jìn)參數很難掌握。

 

  洼里地區以往鉆井中,因洼里礫巖地層鉆井困難,井深僅達幾百米,個(gè)別井深在2000 m左右,因而難以獲取高溫、大流量地熱水資源。

 

  2 施工工藝。

 

  2.1 井身結構。

 

  根據勘查報告及地層特點(diǎn),確定井身結構為四開(kāi)。

 

  2.2 鉆井設備。

 

  根據井身結構特點(diǎn),一般選用施工能力在3500m以上的石油或水井鉆機;排量\50 L /s,額定泵壓\30MPa的水泵;垂直空間高度\40 m的井架;功率\800 kW(1300PS)的柴油機。

 

  2.3 鉆具組合。

 

  洼里礫巖多在二開(kāi)至三開(kāi)鉆進(jìn)地層中,因而在二~三開(kāi)鉆進(jìn)中,要充分注重鉆具的組合,特別是加重鉆鋌的配備,保證?203、178、159、127 mm各種鉆鋌的合理配套。

 

  2.4 鉆進(jìn)參數。

 

  通過(guò)統計總結,較合理的鉆進(jìn)參數見(jiàn)表3。

 

  2.5 鉆進(jìn)液性能及配制。

 

  2.5.1 鉆進(jìn)液性能。

 

  根據地層情況,在洼里礫巖鉆進(jìn)中,主要考慮攜帶巖屑(粉)能力和防塌、掉塊能力,因而以固相泥漿為主其性能參數見(jiàn)表4。

 

  2.5.2 鉆井液配制、維護。

 

  開(kāi)鉆用峰峰黃土造漿+NaOH( 011% ) +Na2CO3(015% )作預水化處理,密度111~112 kg /L,粘度25~35 s,遇坍塌層時(shí)可以從井口添峰峰黃土達到護壁的目的。

 

  正常鉆進(jìn)采用基漿稀釋后,加入KPAM(011%~012% ),NPAN(013% ~015% ), FT-342(015% ),鉆進(jìn)過(guò)程中不斷補充KPAM和NPAN。

 

  及時(shí)除砂,振動(dòng)篩使用大于90%,除砂器使用大于80%。

 

  易坍塌地層鉆進(jìn)時(shí),鉆井液中FT-342含量不低于2%。

 

  3 鉆遇的洼里礫巖地層工作量統計。

 

  上述三開(kāi)中,共鉆遇洼里礫巖1177 m,其層厚從南往北逐漸變薄,埋深變淺。

 

  4 洼里礫巖鉆進(jìn)的主要困難和處理措施。

 

  4.1 鉆進(jìn)的主要困難。

 

  44探礦工程(巖土鉆掘工程)自二開(kāi)385 m進(jìn)入侏羅系,地層巖性主要為灰綠色洼里礫巖、紫紅色安山巖、暗紅色凝灰質(zhì)角礫巖、凝灰質(zhì)砂巖等。該段地層巖石膠結好,致密堅硬,可鉆性差,鉆頭易于磨損,進(jìn)尺緩慢。

 

  洼里礫巖礫石均為碳酸鹽巖角礫,鈣質(zhì)膠結,礫石硬度大于膠結物,造成地層軟硬不均,礫石脫離其膠結物以后,在孔底位置不穩定,導致鉆進(jìn)中發(fā)生嚴重的/跳鉆0現象。/跳鉆0導致井內鉆具在回轉的情況下極易疲勞而折斷,致使下部鉆具脫落于井內。

 

  本次施工鉆遇洼里礫巖總厚度達1177 m,先后發(fā)生鉆鋌折斷事故30余起,占用了大量的鉆井時(shí)間。由于措施得當大都在48 h內處理完畢。但造成了大量的鉆桿、鉆鋌、鉆頭和減震器損壞和報廢。

 

  4.1.2 降低鉆頭使用壽命。

 

  鉆頭在碎巖過(guò)程中受沖擊振動(dòng)作用,使鉆頭非正常破壞嚴重,崩齒、掉牙輪較多,鉆頭壽命偏低。

 

  4.1.3 引發(fā)機械事故。

 

  由于洼里礫巖的不均勻性導致/跳鉆0,引發(fā)設備、機械事故。

 

  4.1.4 影響鉆井質(zhì)量。

 

  由于地層的不均勻性導致鉆具的橫向擺動(dòng)加大,使井斜增大。JR -94井在1350~1500 m段, JR-130井在2100~2200 m段, JR -147井在1150~1250 m和1750~1850 m段的洼里礫巖地層,井斜明顯加大。

 

  4.2 主要措施。

 

  4.2.1 選擇合理的鉆具及級配,安裝相應的減振器。

 

  鉆壓過(guò)大加大沖擊力,加劇鉆具破壞;鉆壓過(guò)小,難以有效切入巖石,降低鉆速。沖洗液量大,孔內壓力增加,沖擊力加大;沖洗液量過(guò)小則排屑不利。轉速高,振動(dòng)加劇;低則影響鉆效。表3是較合理的規程參數。

 

  同樣,泥漿的選擇亦很重要。

 

  4.2.3 及時(shí)檢查、更換鉆具。

 

  每鉆進(jìn)100~120 m應提鉆檢查鉆具,密切注視井內情況,如有異常,及時(shí)提鉆。

 

  4.2.4 保持鉆鋌的質(zhì)量和數量。

 

  通過(guò)分析統計,鉆具折斷大都在距井底60~80m處。究其原因,主要是這段鉆具受力較大,通過(guò)這段鉆具后沖擊力相對減小。因而應經(jīng)常對井底100m以?xún)鹊你@鋌進(jìn)行詳細檢查并保證井內鉆鋌的數量。

 

  4.2.5 鉆井現場(chǎng)必須配備各種工具。

 

  鉆井現場(chǎng)必須配備齊全各種打撈工具和儀器,以便井內發(fā)生事故時(shí)及時(shí)處理,防止事故惡化。平時(shí)要對工具、儀器及時(shí)清理和保養,以備急用。

 

  5 主要成果。

 

  通過(guò)本工程施工,不但在地熱空白區開(kāi)發(fā)出了溫度高、水量大、水質(zhì)好的地熱資源,同時(shí)也摸索了一套洼里礫巖鉆井經(jīng)驗。以?xún)?yōu)質(zhì)高效贏(yíng)得了業(yè)主好評。

 

  6 結語(yǔ)。

 

  上述3眼地熱井的施工,對奧運公園及洼里周邊地區地熱井的開(kāi)發(fā)具有指導意義,也使我們突破了洼里礫巖鉆探禁區。但要詳細總結出一套完整的鉆井規律,仍需進(jìn)一步的研究。