TD -1號超千米地熱井施工工藝

  摘 要:介紹了井深1650 m的TD -1號地熱井的施工工藝和施工中遇到的問(wèn)題,以及采取的對策。

 

  關(guān)鍵詞:地熱井;塔式鉆具;防斜;堵漏;止水.

 

  1 工程概況

 

  地熱同風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等一樣都屬于再生資源,為了盡快探明并開(kāi)發(fā)我省盆地的地熱資源,我院承攬了山西某地TD -1號探采結合地熱井施工任務(wù),于2006年5月組織實(shí)施了該井的鉆探施工任務(wù),經(jīng)過(guò)7個(gè)月的奮力拼搏,終于圓滿(mǎn)完成了鉆探任務(wù)。該井終孔深度1650 m,水溫53e,日出水量達到1000 m3以上,各項指標均取得了較滿(mǎn)意的效果。

 

  2 地層情況及鉆孔結構.

 

  2.1 鉆遇地層.

 

  0~250 m為新生界第四系松散層,主要以粘土、亞粘土、砂層、卵礫石層等組成; 250~1300 m為中生界三疊系、二疊系、石炭系地層,主要以泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖等組成,局部地段巖層松軟、坍塌、漏失嚴重; 1300~1450 m為奧陶系峰峰組,其下部含有厚層較軟含石膏泥質(zhì)灰巖,存在縮徑現象; 1450~1650 m為奧陶系上馬家溝組,主要由泥質(zhì)灰巖、白云質(zhì)灰巖、石灰巖等組成。

 

  2.2 鉆孔結構.

 

  0~250 m采用?445 mm三牙輪鉆頭鉆進(jìn),下入?426 mm套管; 250~800 m采用?346 mm三牙輪鉆頭鉆進(jìn), 800~1300 m采用?311 mm三牙輪鉆頭鉆進(jìn),并分別下入?273 mm套管,兩層?273 mm套管之間插接; 1300~1450m采用?244mm三牙輪鉆頭鉆進(jìn),下入?219 mm套濾管; 1450~1650 m采用?191 mm三牙輪鉆頭鉆進(jìn),下入?168 mm套濾管。

 

  3 施工中遇到的主要問(wèn)題.

 

  (1)所用鉆機為T(mén)SJ -2000型鉆機,其提升能力不能滿(mǎn)足250~1300 m孔段一次性下套管的提升問(wèn)題;(2)上部地層出現多次嚴重漏失現象,堵漏時(shí)間近1個(gè)月;(3)兩層同徑套管插接的止水問(wèn)題;(4)采用新鉆具結構防斜問(wèn)題。

 

  4 施工措施.

 

  4.1 改進(jìn)鉆具結構.

 

  以前我院采用的鉆具結構是在下部第一根鉆鋌上焊3組導向(導向外徑小于鉆頭外徑5~10mm),上部接2~3根相同規格的鉆鋌。由于這種鉆具結構的導向位置是固定在第一根鉆梃上,其導向的扶正效果并不理想,而且這種鉆具結構的回轉阻力大,很容易造成鉆桿、鉆鋌脫扣,還影響了鉆進(jìn)速度。

 

  針對以上存在的問(wèn)題,我們對原鉆具結構進(jìn)行了調整,由原來(lái)單一規格鉆鋌帶3組導向扶正,改為無(wú)導向扶正的塔式鉆具結構,鉆鋌選用?159、178、203、230 mm四種規格,隨著(zhù)鉆孔的延深和孔徑的變小,先后去掉了?230和?203mm兩種規格的鉆鋌,并換成?178、159 mm兩種規格的鉆鋌;鉆桿選用?73、89 mm兩種規格,孔深在1000 m以淺時(shí),全部采用?89mm鉆桿,超過(guò)1000m時(shí),去掉800m?89mm鉆桿換成?73mm鉆桿。通過(guò)改進(jìn)鉆具結構,不僅減小了鉆進(jìn)阻力,降低了鉆具質(zhì)量,減輕鉆機的回轉和提升負荷,而且大大減少了斷鉆桿、脫扣等事故的發(fā)生,全孔僅發(fā)生一次脫扣事故。改進(jìn)后的鉆具結構如下:

 

  主動(dòng)鉆桿+?73 mm鉆桿+?89 mm鉆桿+?159 mm鉆鋌+?178 mm鉆鋌+?203 mm鉆鋌+?230 mm鉆鋌+三牙輪鉆頭。

 

  (1)設備安裝要水平、穩固、周正,天輪、立軸、孔口三點(diǎn)要成一直線(xiàn),鉆塔四角要打混凝土墩。

 

  (2)開(kāi)孔鉆進(jìn)時(shí)要控制鉆進(jìn)參數,采用輕壓、慢轉的鉆進(jìn)參數,并隨鉆孔的延深逐步加入相應鉆鋌,待鉆鋌全部加入孔內后,方可逐步恢復正常的鉆進(jìn)參數進(jìn)行鉆進(jìn)。

 

  (3)采用無(wú)導向扶正的塔式鉆具結構,可以有效地降低鉆具的回轉阻力,減少孔內斷鉆桿、脫扣等事故,提高鉆進(jìn)效率,節約鉆探成本。但能否有效防止孔斜,是該地熱井成功與否的關(guān)鍵。為此我們首先要求現場(chǎng)操作人員嚴格控制鉆進(jìn)參數,使鉆壓全部由鉆鋌自重提供,控制鉆具的受力中和點(diǎn)落在鉆鋌的3 /4處,鉆桿全部處于受拉狀態(tài),以免鉆桿受壓彎曲對孔壁造成新的破壞;其次,要求操作人員集中精力,注意鉆進(jìn)情況,發(fā)現由于地層變化導致鉆速發(fā)生明顯變化時(shí),要及時(shí)調整鉆進(jìn)參數(降低鉆壓、轉速),并在換層處反復提拉鉆具上下掃孔,以防孔斜,然后逐步恢復正常鉆進(jìn)參數進(jìn)行鉆進(jìn)。

 

  (4)按照鉆探規格要求操作,堅持常規的防斜措施。

 

  4.3 泥漿護壁堵漏措施.

 

  4.3.1 泥漿類(lèi)型.

 

  (1)覆蓋層采用石灰栲膠泥漿,該泥漿成本低、易配制,護壁性能好,對第四系松散層有抑制作用。

 

  配方:土8%,生石灰013% ~015%,栲膠堿液015% ~1%。

 

  該泥漿pH值為11。

 

  (2)三疊系、二疊系、石炭系地層采用銨基聚合物低固相泥漿,這種泥漿主要適用于完整基巖地層的正常鉆進(jìn)。

 

  配方:土5%,純堿013% ~014%,銨鹽014% ~015%,酰胺100~150 ppm。

 

  該泥漿性能:密度1103~1104 kg /L,漏斗粘度23~25 s,API失水量8~10 mL /30 min, pH值>9。

 

  (3)奧陶系地層有漏失、坍塌、縮徑現象,為了有效抑制地層坍塌、掉塊、縮徑等現象,在原銨基聚合物泥漿的基礎上,加入腐植酸鉀(3~5 kg /m3),這樣使泥漿的降失水性、防塌性都得到了明顯的改觀(guān),同時(shí)也有效地控制了泥漿的粘度,使泥漿性能更加穩定。

 

  4.3.2 護壁堵漏措施TD -1號地熱井在孔深500~800 m孔段共發(fā)生過(guò)3次漏失,漏失量大致為10~15m3/h。由于開(kāi)始時(shí)漏失原因判斷不準確,采用的堵漏方法不當,使堵漏工作走了一些彎路。最后通過(guò)加大泥漿池,控制提下鉆具速度,降低泥漿密度,增加泥漿粘度,向孔內壓入堵漏材料等措施,使堵漏工作取得了較滿(mǎn)意的效果。

 

  4.3.2.1 第一次漏失的治理當鉆進(jìn)到500 m時(shí),孔內發(fā)生漏失,漏失量達10 m3/h以上,由于現場(chǎng)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)泥漿攪拌機,在鉆孔發(fā)生漏失后不能及時(shí)補充泥漿,現場(chǎng)泥漿池又太小,一次儲備的泥漿量有限,使泥漿循環(huán)無(wú)法恢復,給堵漏工作增添了不少困難。

 

  本次漏失先后采用兩種堵漏方法:首先是加大了泥漿密度、粘度,使泥漿密度達1115 kg /L以上,粘度達35 s以上,同時(shí)把鋸末和紅土混合捏成紅土球投入井內,回填鉆孔50~80 m,下鉆具搗實(shí)后開(kāi)始鉆進(jìn),鉆進(jìn)到孔底泥漿池的泥漿再次全部漏失,這樣反復多次,整個(gè)堵漏耗時(shí)10多天均無(wú)明顯效果。

 

  經(jīng)分析研究,認為造成鉆孔漏失的主要原因是泥漿密度太大,地層被泥漿液柱壓裂造成鉆孔漏失。

 

  為此我們采取了以下3種措施:首先是增加一個(gè)10m3泥漿池,使每次下鉆后或孔內出現漏失時(shí),能夠較長(cháng)時(shí)間地維持泥漿的正常循環(huán);其次是更換孔內泥漿,配制新的銨基聚合物低固相泥漿,并加入F801隨鉆堵漏劑和適量的鋸末,以增加泥漿的粘度,使泥漿的密度在1104 kg /L以下,粘度在30~35s之間, pH值>9;最后是嚴格控制提下鉆具速度,以免由于泥漿壓力/激動(dòng)0造成對孔壁的破壞。通過(guò)采取以上措施后,鉆孔漏失逐漸減小,鉆進(jìn)到550m時(shí)停止漏失,恢復正常鉆進(jìn)。

 

  4.3.2.2 第二次漏失的治理當鉆進(jìn)到620 m時(shí),鉆孔又發(fā)生漏失,為了盡快堵住孔內漏失,及時(shí)調整泥漿性能,孔內泥漿密度達到1104~1105 kg /L,粘度在30~35 s,并逐漸向泥漿中加鋸末,但堵漏效果不理想,鉆孔漏失仍比較嚴重。后經(jīng)分析研究,決定向泥漿池投入大量麥桿、鋸末,充分攪拌后泵入孔底,停止鉆進(jìn)提出鉆具,在提出鉆具的同時(shí),從井口注入優(yōu)質(zhì)泥漿,直到水位到井口為止,停鉆一天觀(guān)察井孔內水位,水位下降速度遞減,說(shuō)明孔內漏失逐漸減小,下鉆繼續鉆進(jìn),漏失明顯減小,到孔深640 m時(shí),鉆孔停止漏失,恢復正常鉆進(jìn)。

 

  4.3.2.3 第三次漏失的治理.

 

  第三次的漏失發(fā)生在750~770 m孔段,這次漏失層的治理工作,我們汲取前兩次堵漏的經(jīng)驗,發(fā)現鉆孔漏失后,首先向孔底壓入麥桿、鋸末等材料,然后在把鉆具提離孔底50 m,調整泥漿性能,最后開(kāi)始鉆進(jìn),邊鉆進(jìn)邊堵漏,直到孔深770 m時(shí),鉆孔停止漏失,恢復正常鉆進(jìn)。

 

  4.4 下套管及止水.

 

  4.4.1 下套管.

 

  為了解決TSJ -2000型鉆機提升力不足的問(wèn)題,本孔原設計奧陶系以上基巖孔段(250~1300m)的套管分兩次下入,即先采用?346 mm三牙輪鉆頭鉆進(jìn)到800m下入?325mm套管,換?295mm三牙輪鉆頭鉆進(jìn)到1300 m下入?273 mm套管。為了節約鉆探成本,保證施工安全和止水質(zhì)量,對原鉆孔設計進(jìn)行了修改,其施工順序改為采用?346 mm鉆進(jìn)到800m,換?311mm鉆進(jìn)到1300m,并將250~800m孔段?325mm套管改下?273mm套管,把800~1300 m孔段的?273 mm套管上端部增加10m?325 mm的套管,下套管順序改為先下入下部的?273 mm套管,并進(jìn)行止水,再下入上部的?273mm套管,并把上部的?273 mm套管插入下部?273mm套管上端部的?325 mm套管,最后進(jìn)行止水。

 

  實(shí)踐證明,采用這種下套管方法不僅能有效地解決鉆機提升能力不足的問(wèn)題,而且也節約了大量的鉆探成本。

 

  4.4.2 止水.

 

  止水的好壞直接影響著(zhù)地熱井的水質(zhì)、水溫。

 

  本孔的止水采用普通硅酸鹽水泥,配制成水灰比0155~016的水泥漿,采用泥漿泵灌注,并在兩層套管底部安裝了專(zhuān)門(mén)的止水逆止閥,對兩層套管與鉆孔的環(huán)狀間隙和套管插接部分的環(huán)狀間隙全部用水泥漿灌注,待水泥凝固,注水檢查止水效果,檢查合格繼續進(jìn)行鉆進(jìn)。

 

  5 結語(yǔ).

 

  通過(guò)嚴密的組織,精心的設計,順利地完成了TD -1號地熱井的施工任務(wù),得到了甲方的高度評價(jià)。分析TD -1號地熱井的施工工藝,無(wú)論是下套、止水、漏失治理、鉆具結構和防斜措施都是比較成功的,為今后超千米地熱井施工奠定了良好的基礎。