長(cháng)裸眼地熱鉆井及靜壓反循環(huán)投礫技術(shù)在某超深地熱井的應用

  摘 要：開(kāi)封市地熱資源豐富，熱儲層埋藏深，地質(zhì)條件復雜，鉆探施工難度大。某1800m超深地熱井，采用了長(cháng)裸眼鉆井及靜壓反循環(huán)投礫技術(shù)進(jìn)行了鉆探施工，取得了良好效果。對采用的工藝方法及效果進(jìn)行了闡述，提出了建議和結論。

 

  關(guān)鍵詞：開(kāi)封地熱；地質(zhì)結構；超深地熱井；長(cháng)裸眼強力鉆進(jìn)；靜壓反循環(huán)投礫技術(shù).

 

  1概述.

 

  開(kāi)封市地處河南省東部，受多個(gè)斷裂構造的影響，市區范圍內深部地熱資源極為豐富。目前市區內開(kāi)鑿地熱井已超過(guò)60余眼，開(kāi)鑿深度大多在1100~1200m，水溫在45℃~55℃之間，水量40~50m3/h,主要用于洗浴及生活熱水。由于近十幾年來(lái)對這一區段的含水層過(guò)量集中開(kāi)采，已導致部分地熱井水位大幅度下降，水量大幅度變小。為合理利用寶貴的地熱資源，目前市區范圍內地熱井規劃深度必須在1500m以上。鉆井深度的增加，提高了地熱鉆井的施工難度，傳統的成井工藝遇到了很大的挑戰，必須采用更加可靠的成井技術(shù)進(jìn)行地熱井的施工，以確保地熱井的工程質(zhì)量。

 

  2 工程概況.

 

  已建的開(kāi)封開(kāi)元名都大酒店地處開(kāi)封新區鄭開(kāi)大道近鄰，為一座五星級豪華賓館。為充分利用地熱資源，計劃開(kāi)鑿一眼超深地熱井以滿(mǎn)足賓館的集中供熱及生活熱水需求。地熱井設計深度1800m，要求單井出水量不小于50t/h，水溫不小于65℃。

 

  3 地質(zhì)概況.

 

  開(kāi)封市位于濟源—開(kāi)封斷陷帶，區域內主要有鄭州—蘭考斷裂、新鄉—商丘斷裂、長(cháng)垣斷裂等3大斷裂帶。本工程位于上述斷裂圍限的開(kāi)封斷凸內，距鄭州—蘭考斷裂約7km。新近系地層是主要開(kāi)采的儲水層，上部被第四系覆蓋，厚度約350m。本工程鉆探目的層為新近系的明化鎮組(Nm)地層，地熱井鉆遇地層從上至下為新近系的石英細砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等地層以及第四系的粘性土與松散砂層等地層。

 

  鉆遇地層特點(diǎn)是第四系地層松散易垮塌，護壁困難，新近系地層較硬且處于幾大斷裂帶內，地質(zhì)條件復雜，鉆進(jìn)困難，同時(shí)鉆探需大跨度長(cháng)距離裸眼鉆進(jìn)，易導致孔內事故發(fā)生。

 

  4 鉆井結構設計.

 

  該井為開(kāi)封市區第一眼超深地熱井，根據該區地質(zhì)特點(diǎn)，為提高施工效率，簡(jiǎn)化成井結構，采用2級鉆孔結構進(jìn)行鉆進(jìn)及成井：一開(kāi)0~250m采用?394mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)下入?273mm石油套管，二開(kāi)至終孔采用?245mm牙輪鉆進(jìn)下入?177.8mm石油套管及同徑梯形絲濾水管。采用鉆至設計深度后一次提吊下管法進(jìn)行下管。

 

  5 鉆探方法及工藝措施.

 

  根據設計要求及該地區地質(zhì)特征，該井使用GZ-2000型鉆機，配備BW2000/7B型往復式泥漿泵正循環(huán)回轉鉆進(jìn)進(jìn)行施工。由于設計采用一次下管工藝，鉆探需長(cháng)距離裸眼鉆進(jìn)，為保證成孔質(zhì)量，采用噴射式鋼齒牙輪鉆頭、寶塔式鉆鋌結構強力加壓等鉆進(jìn)工藝提高施工效率，縮短鉆孔時(shí)間，采用合理的鉆探技術(shù)參數保證鉆探質(zhì)量及鉆孔垂直度符合設計要求，采用合理的泥漿工藝維護鉆孔孔壁安全。

 

  具體工藝措施主要包括：（1）開(kāi)孔下入孔口保護管，下入深度30m，并固定牢靠；（2）開(kāi)孔輕壓慢轉，確保開(kāi)孔垂直；（3）鉆進(jìn)過(guò)程中，每 200m測斜一次，發(fā)現孔斜及時(shí)糾斜；（4）采用寶塔式結構配備鉆具，正常鉆進(jìn)鉆鋌配重不少于100m,總重量不少于50t，以實(shí)現強壓力鉆進(jìn)；（5）采用合理的鉆探工藝參數：鉆壓6~25t，69西部探礦工程2014年第7期泵量2000L/min,合適的轉速；（6）盡量采用強壓力、高轉速、吊打的方法鉆進(jìn)；（7）在縮卡地層鉆進(jìn)時(shí)，采用“兩短一長(cháng)”的起下鉆措施，即正常鉆進(jìn)2次加桿短起后，進(jìn)行一次長(cháng)的短起鉆，把2次短起鉆孔段進(jìn)行疏通；（8）經(jīng)常監測泵壓，及時(shí)更換牙輪鉆頭噴嘴；（9）采用合理的泥漿工藝確保長(cháng)距離裸眼鉆進(jìn)的安全護壁及攜渣需求：泥漿采用不分散低固相淡水泥漿，采用優(yōu)質(zhì)膨潤土配置基漿，用NaCO3、水解聚丙烯酰胺（PHP）調整泥漿性能。泥漿性能保持在：密度 1.05~1.10g/cm3，粘度20~25s，失水量15~20mL/30min，含砂量小于5%，pH值9~10，鉆進(jìn)過(guò)程及時(shí)測試維護等。

 

  通過(guò)以上工藝措施，確保了鉆探質(zhì)量。該井鉆進(jìn)過(guò)程中沒(méi)出現孔壁坍塌現象，孔內事故也僅僅出現了一次脫鉆事故并很快得到了處理。鉆進(jìn)效率大大提高，該井從開(kāi)鉆至終孔鉆深1840m,僅用了23d時(shí)間，純鉆效率平均達到了3.0m/h以上。終孔孔斜度2.1°，滿(mǎn)足設計要求。

 

  6 成井技術(shù)及工藝措施.

 

  該井鉆至終孔經(jīng)沖孔換漿后進(jìn)行了井內物探測井，得出測井曲線(xiàn)4條，包括視電阻率梯度、自然電位、自然伽馬、井溫及井斜等。經(jīng)參數解譯劃分含水層，確定可利用含水層為1600m以下累計含水層130m,巖性主要為石英質(zhì)細砂巖，排管后進(jìn)行成井。

 

  成井工藝是指探井、破壁換漿、安裝井管、填礫、封閉以及洗井、抽水試驗、采集水樣等工序的總稱(chēng)。而破壁換漿、安裝井管、投填礫料、止水封閉是關(guān)鍵工序，直接影響成井質(zhì)量。該井采用了以下重點(diǎn)工藝措施：

 

  （1）采用組合式高壓射流破壁器進(jìn)行破壁。破壁器自行設計加工而成，結構上上部為鋼絲刷，下部為射流器，整體隨鉆具下入孔內，開(kāi)動(dòng)泥漿泵在利用含水層段反復提拉鉆具，對泥皮進(jìn)行徹底破壞，破壁結束后，清孔換漿直至達到下管要求。

 

  （2）安裝井管采用提吊下管法。地熱水含有多種化學(xué)物質(zhì)，加之溫度較高，因此對鉆具、管材腐蝕特別嚴重。因此應選用強度高、熱膨脹率小、耐酸、鹽腐蝕的管材，或采用石油鉆桿和套管。本工程采用石油套管作為井壁管。

 

  將排序后的井壁管絲扣連接依次下入井孔內，為確保連接質(zhì)量，涂抹絲扣油進(jìn)行密封。濾水管采用梯形絲濾水管，在濾水管連接段的上中下部位加設5組扶正器，使濾水管居中，確保投填濾料均勻分布。井壁管下至預定位置后進(jìn)行固定，隨后進(jìn)行換漿及投填礫料的工序。

 

  （3）靜壓反循環(huán)投礫技術(shù)的應用。在以往的地熱井施工中，投填礫料一直采用動(dòng)水投礫法，由于礫料在上返水的沖擊下，下沉過(guò)程中沉降速度慢，濾料容易分選，導致大的濾料在下部，小的濾料在上部，形成分層現象，影響濾水效果，導致井孔涌砂?？紤]到該地熱井投礫深度更深，投放難度更大，采用了靜壓反循環(huán)投礫技術(shù)。具體做法是：

 

  首先井壁管下至到位后，下入鉆具至孔底，在孔口位置用密封板進(jìn)行密封，開(kāi)動(dòng)泥漿泵進(jìn)行管外全孔換漿，將泥漿換至粘度小于17s、含砂量小于2%時(shí)，上提鉆具，解除孔口密封，進(jìn)行井管內的沖孔換漿，井管內泥漿換至清水后，即可停泵投礫。

 

  將篩選清洗過(guò)的直徑1~3mm混合優(yōu)質(zhì)石英砂礫料（依據濾水管纏絲間距、含水層巖性而選定）集中堆放于鉆場(chǎng)近處備用，數量以預先計算量為準。

 

  靜壓反循環(huán)投礫工藝的關(guān)鍵是在投礫初期形成管內與管外的自循環(huán)。為達到此目的，在首次投礫時(shí)采用鏟車(chē)一次投入孔內礫料2~3m3,使孔口形成一個(gè)松散的“濾料柱”。該“濾料柱”如同一個(gè)“活塞”一樣迫使井管壁外泥漿下沉，這樣就在井管內外形成一個(gè)壓差。這個(gè)壓差促使井管壁外泥漿通過(guò)下部濾水管進(jìn)入井管內上涌，然后由井口回流到井壁外下泄，這樣隨著(zhù)首次濾料柱的不斷下沉，帶動(dòng)了管內外的泥漿不斷流動(dòng)，反循環(huán)條件形成，這時(shí)可連續地由3~4人圍繞井口不停地投入礫料，隨著(zhù)礫料的不斷投入，管內外的壓差愈來(lái)愈大，反循環(huán)形成的流量也愈來(lái)愈大，流速愈來(lái)愈高，這樣礫料在循環(huán)液的帶動(dòng)下迅速沉至濾水管的位置。由于礫料是隨著(zhù)循環(huán)液同步下沉的，因此避免了礫料的分層現象，同時(shí)礫料到位迅速，到位后比較密實(shí)，形成的濾層更加穩定，濾砂效果更好。該井投礫量約25m3，40min投礫結束。

 

  （4）止水封閉。投礫結束等待井內外反循環(huán)停止后立即進(jìn)行止水。首先投入直徑 2~3cm 干凈礫石1.5~2.0m3,壓實(shí)上部礫料，隨后投入4m3半風(fēng)干蘸機油粘土球（直徑2~3cm）進(jìn)行止水，停待40min進(jìn)行碎石圍填至井口。為防止不同含水層竄層污染，按照前述止水方法對不同含水層進(jìn)行了4次粘土球隔水止水。

 

  7 效果.

 

  該井固井結束后，立即下入潛水泵進(jìn)行了洗井。

 

  開(kāi)抽后6h即達到水清砂凈，水位穩定，證明該井成井效果好，洗井容易。其后按常規進(jìn)行了抽水試驗、取樣化驗。最終確定該井水質(zhì)為Cl-Na型醫療礦泉水，礦化分段壓裂改造技術(shù)的擴展應用來(lái)說(shuō)，意義非常重大；同時(shí)，對于克拉美麗氣田的開(kāi)發(fā)治理，提供了一種較好的完井及增產(chǎn)技術(shù)措施。滴403井在鉆井項目管理運作上，運用了“鉆完井集成項目一體化管理制度”，服務(wù)承包商主要承擔的工作內容為施工方案論證與設計、各種資源組織與調動(dòng)、現場(chǎng)生產(chǎn)管理與技術(shù)決策和完井技術(shù)總結與評估等系列內容；而在現場(chǎng)管理方面，采用了鉆井技術(shù)總監負責制；在實(shí)際項目運作過(guò)程中，又結合了現場(chǎng)的各種具體情況，圍繞“安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗”靈活組織生產(chǎn)；實(shí)踐證明，這種組織方式不僅保證了該井的成功，而且大大減輕了甲方的管理負擔和風(fēng)險。