天津市地热井钻井与成井工艺

  近10 多年来, 由于勘探和开发地热的需要, 地热井钻凿技术水平有较大提高。以前, 因为没有大型的钻凿设备, 机具又很简陋, 只能沿用打浅(冷)水井的工艺技术。所以成井深度浅, 出水量和水温较低, 而且也无法进行深部地热的勘探开发。地热井的钻凿急需引进先进的工艺技术和机具, 以达到其口径大、井深、出水量大和出水温度高的要求。石油钻井技术的引进, 为我们解决了这些难题。现在, 我们可以钻井深近4000 m 、开孔口径445 mm 、终孔口径152 ～ 216 mm 、出水量达200 m3/h 、出水温度超过95 ℃的地热井, 使得我市近些年来出现了开发地热的热潮。为了避免水位逐年下降, 储量减少, 保护地热资源, 建立了开采-回灌的开发模式。推广地热对井技术(一采一灌), 即两井井口相距较近(4 ～ 5m), 便于管理, 而井底相距较远(800 ～ 1000 m), 以避免两井相互干扰。因此, 定向斜井钻凿技术也被引用进来。

 

  由于开采不同的热储层, 地热井可以有2 种基本类型:一是第三系(明化镇组和馆陶组热储层)地热井;另一是基岩(奥陶系、寒武系、青夕口系龙山组和蓟县系雾迷山组热储层)地热井。前者的开采层较为松散或半胶结, 需下过滤器成井;后者为基岩裂隙型, 采用先期裸眼完井技术。两者的成井工艺有所不同。

 

  为了适应当前开发地热的要求, 笔者认为还应在以下几个方面进一步发展和提高地热井的钻凿技术。首先应设计新型的钻机、设备, 特别是适用于城市环境的钻凿设备, 占用场地较小, 便于运输, 马力较高, 而且具有较低的环境和噪声污染。其次, 应有较为先进的机具, 达到高效、低耗、安全。有了新设备和先进的机具, 还要有一套可靠的工艺技术, 重点是:保护产层技术和成井工艺;能确保较高的钻凿成功率、高的出水量和出水温度;避免或者是尽可能地降低钻凿施工的风险性。

 

  1  地热井井身结构

 

  确定井身结构所考虑的主要因素是:欲开采热储层的层位特点和所钻遇的地层情况(据已有地质资料进行预测), 即地质条件。

 

  由于第三系地层和开采热储层具有松散或半胶结的特点, 须下带过滤器的井管来保护井壁, 使地热水畅通地进入井内, 又要将非开采层有效地封隔。这类地热井与第四系或第三系砂层成浅(冷)水井的井身结构相近, 但在成井工艺上有所不同。

 

  若在奥陶系热储层成井则为三开井, 如在蓟县系雾迷山组热储层成井为四开井。其成井工艺均为先期裸眼完井。

 

  以上2 种井身结构, 均采用了石油钻井的钻头口径和套管口径系列。即:三牙轮钻头为 444.5 、311.1 、215.9 和152.4 mm 口径系列;套管为339.7 、244.5 和177.8 mm 系列。

 

  2  地热井钻进

 

  2 .1  热储层种类和特点

 

  天津地区地热田为上下叠置的2 套热储系统,即:上部为第三系陆相松散或半胶结碎屑岩地层;下部为古生界、元古界较坚硬的碳酸盐岩地层。上部的热储层位于上第三系明化镇组和馆陶组地层。明化镇上段为砂岩、含泥砂岩和泥岩不等厚互层, 具富水性;下段以泥岩为主, 也夹有细砂岩。馆陶组由砂砾岩、砂岩和泥岩组成, 一般呈半胶结状, 富水性好。

 

  此热储系统以馆陶组为主要开采层位。下部的热储系统包括下古生界奥陶系中统和下统, 以灰岩、白云质灰岩、白云岩为主要富水层段。该层段中溶洞裂隙极为发育, 钻井时易漏失。寒武系中的部分灰岩层段也有富含水层。青白口系龙山组的砂岩层段也是含水层。目前作为我们主要的开采层:中元古界蓟县系雾迷山组热储层, 以白云岩为主, 裂隙发育,易发生井漏, 岩石较硬且脆。

 

  2 .2  钻头的选用

 

  三牙轮钻头钻大口径地热井具有很多优越性,因此是我们的首选。用三牙轮钻头钻进, 配以钻铤加压, 钻进平稳, 钻具的阻力矩小, 井眼圆滑规则, 钻头口径形成系列, 种类较多可适用不同地层钻进。

 

  选用钻头时, 应先了解所钻地层的性质, 收集有关钻头使用的经验, 并结合具体情况, 综合考虑。使所选择的钻头机械钻速快, 下井时间较长, 外径不易磨损。总之, 既要效率高, 又要使所钻出的井眼圆滑、规则, 经济又合理。

 

  2 .3  钻具组合

 

  钻具组合合理与否会直接影响钻进效率和井眼质量。因此, 钻具组合是钻进工艺规程中的“硬件” ,具有举足轻重的作用。目前, 我们优选复合式钻具组合, 使用不同直径的钻铤, 实现用钻铤加压, 使全套井下钻具钻进稳定, 以提高钻进效率和确保井眼的正确轨迹。现在所选用的钻具组合中, 常用的钻铤口径有: 228.6 、203.2 、177.8 、159.0 和120.65mm 。根据所用钻头的类型(铣齿或是镶齿)和口径大小, 配以2 ～ 3 种直径的钻铤及相应的长度, 组成合理的钻具组合, 就会获得明显的钻进效果。

 

  2 .4  钻进规程参数

 

  钻进规程参数是钻进工艺规程中的“软件” 。牙轮钻进时不仅要根据地层情况施以足够的钻压达到有效地破碎岩石, 同时还要考虑钻压的大小和转速的快慢对钻头的牙轮轴承和牙齿的影响, 使钻头在井下有最长的工作寿命。所选用的钻压以每厘米钻头直径5.25 ～ 10.42 kN , 转速35 ～ 65 r/min 较合适。

 

  2 .5  地热井钻井液

 

  2 .5 .1  地热井钻井液的影响因素

 

  (1)地层压力梯度。它是在设计钻井液性能时考虑的重要因素。特别是在热储层钻进时, 避免产生井漏, 或者造成堵塞、封闭开采层的情况, 致使洗井困难, 出水量偏低。

 

  (2)地温梯度。温度对钻井液性能直接造成影响。高温会使钻井液性能恶化, 使泥浆增稠、加速其化学反应, 使某些处理剂降解和变性。因此在设计地热井钻井液时高温因素不可忽视。

 

  (3)地层和热储层性质。在第四系和第三系地层钻进时, 钻井液应具有良好的护壁性能和携带岩粉的能力, 尽可能地降低地层的造浆性、增粘性, 控制钻井液的固相含量。在钻进第三系热储层时应考虑保护产层、避免影响产层出水量的措施。而在某些易发生井漏的热储层段则应设法降低钻井液的密度, 尽可能减少井漏的发生。

 

  (4)钻井较深, 裸眼井段较长。这要求钻井液的性能不会造成井壁坍塌, 不缩径, 尽可能小的漏失并具有高的机械钻速, 有利于提高产水量。

 

  (5)从钻井液的角度来考虑所采用的井身结构是否合理。因有钻井或者说是套管的几级口径变化, 影响了钻井液的上返速度。如果泵量不能满足要求时, 可能会使井下岩屑较多, 排除不净, 易发生井下事故。

 

  (6)定向斜井对钻井液提出了新的要求。特别是在钻井液的润滑性, 携带岩屑能力, 以及减少井下钻具粘钻事故上多加考虑。

 

  2 .5 .2  钻井液性能指标

 

  (1)第四系井段:密度1.03 ～ 1.08 kg/L ;粘度20 ～ 25 s ;失水量≯15 mL ;pH 值8 ～ 10 。

 

  (2)上第三系井段:密度1.06 ～ 1.10 kg/L ;粘度20 ～ 30 s ;失水量≯10 mL ;含砂量≯5 ‰;初切力0 ～ 1.0 Pa ;终切力1.0 ～ 2.0 Pa ;pH 值9 ～ 12 。

 

  (3)基岩井段:密度1.06 ～ 1.10 kg/L ;粘度25～ 30 s ;含砂量≯5 ‰;失水量≯10 ～ 15 mL ;初切力0 ～ 1.0 Pa ;终切力1.0 ～ 2.0 Pa ;pH 值8.5 ～ 10 。

 

  3  地热井成井工艺

 

  3 .1  套管和下套管作业

 

  地热井成井选用石油套管。其优点是:口径形成系列, 可与钻头口径配套使用;有多种壁厚和钢级, 可根据井下具体情况选用;采用丝扣连接, 方便下套管作业;有配套的下套管工具和附件, 操作简便。套管口径按井身结构的要求选用。套管的壁厚和钢级是按丝扣的最小抗拉强度、套管的抗挤强度和抗内压强度来综合考虑, 根据井下泥浆密度按套管抗挤可下深度选用。常用的套管附件有:引鞋、浮箍浮鞋、旋流短节、弹性扶正器等。

 

  下套管作业时有专用工具, 如:套管吊卡, 旋绳,手动大钳及液压大钳。这些工具为下套管作业提供了方便条件。下管之前要用原径钻头通井, 以保证顺利下管到位。同时要检查套管体、壁厚和丝扣是否符合设计要求, 还要擦洗丝扣、用通径规通径, 以保证下管后下井工具(如:钻头)能顺利通过套管。

 

  认真丈量套管长度和根数, 确定套管附件所放位置。

 

  下套管作业完成后, 应立即进行水泥固井。

 

  3 .2  水泥固井作业

 

  水泥固井是用水泥浆封闭套管的外环空间。可封隔非开采层, 起到止水作用, 并能固定套管。常用油井水泥(75 ℃, G 级), 平均水泥浆密度≮1.85kg/L 。采用钻杆注浆方式将水泥浆从套管外环空上返至预定高度, 管内预留一定高度的水泥塞。注水泥浆后须经24 ～ 48 h 待干候凝, 再下钻扫水泥塞。如无预留水泥塞则说明替浆量不准, 套管下端部位无水泥浆封固。未达到止水目的, 也易造成套管脱扣事故。

 

  3 .3  洗井

 

  洗井是在完井后将井下残留的岩屑和泥浆泥皮彻底清洗干净, 使产水段疏通。一般先用清水冲孔,然后用空压机气举洗井。风管下深450 ～ 600 m , 洗井时间48 h 左右, 视洗井效果而定。达到水清砂净即可停止。洗井时可注意观察出水情况和水温。如果估计达到预期指标就可转入抽水试验。

 

  3 .4  抽水试验

 

  现在常用潜水电泵进行抽水试验。下泵前应观测井下水位, 以决定下泵深度。在用泵抽水的开始阶段也是洗井工序的延续, 可以观察是否达到水清砂净, 以及水量、水位和水温的变化情况。对该地热井的出水指标有个概略估计。待抽水稳定后即进入抽水试验阶段。抽水试验是确定该地热井出水指标的唯一方法。一般按要求抽2 个落程(降深), 取得2 组数据。画出抽水试验曲线。在停止抽水后要立即观测热水水位(即热水头值)。

 

  3 .5  增产措施

 

  抽水试验所取得的数据未达到预期指标时, 应分析原因, 采取增产措施。对于带过滤器成井的地热井可采用射孔加长取水段的方法, 对于裸眼成井的地热井采用酸化压裂的措施, 通常都能收到较好的效果。

 

  4  地热定向井技术

 

  井眼轨迹控制技术是定向井施工中的关键, 它是使实际钻凿的井眼按照设计的轨迹钻达目标靶区的综合性技术。井眼轨迹控制贯穿钻井的全过程,包括:优化钻具组合, 优选钻井参数, 以及先进的导向钻井系统和计算机技术等。目前所钻的地热定向井多采用5 段制。直井段多为450 m , 最大井斜角为15°～ 20°, 井底水平位移500 m 左右(靶区半径50 m), 钻井深度多为2500 ～ 3000 m(斜深)。在直井段钻进之后, 一般在450 m 处作为造斜点进行造斜钻进。选用1.5°弯接头、无磁钻铤、螺杆动力钻具进行造斜, 单点定向, 每钻一定深度后进行单点测斜。在达到8°以上的井斜角后可用增斜钻具钻进。

 

  此时应用合理的钻具组合, 严格控制钻进参数, 均匀送钻, 使井眼曲率变化平缓, 轨迹圆滑, 避免出现“狗腿”弯, 并及时测斜, 掌握井斜和方位的变化, 以便及时调整钻进参数, 使井斜和方位满足设计要求。稳斜井段, 较多钻遇方位漂移严重的地层。此时, 应慎重考虑该井段的钻进安全问题, 避免为调整方位而出现井下钻具事故。降斜井段, 一般位于开采层井段。此时, 应简化钻具结构, 避免在发生井漏时造成井下事故。此井段钻进能达到井底的位移要求即可。

 

  地热定向井是适应当前回灌要求, 保护地热资源, 又便于地面管理的一种钻井方式。目前, 随着“开采-回灌”模式的推广, 地热定向井将成为开采地热的主要钻井方式。因此, 地热定向井钻井工艺技术应作为一项课题进行深入的研讨, 以便达到高效、经济、安全。