陕西地区定向地热井施工工艺

  为了科学合理开发咸阳市丰富的地热资源, 努力建设全国首家“中国地热城” , 打造国家地热资源综合开发利用示范区, 使地热资源更好的服务于地方经济发展, 解决咸阳职业技术学院新校区的冬季供暖和洗浴问题, 决定在该校区内施工一眼地热井。

 

  由于该井与临近的505 大学地热井采水段距离较近, 不符合地热资源开发的规定, 而采用定向技术就可以解决这个问题。该井是陕西地区渭河凹陷盆地内的一口定向地热井, 于2009 年7 月1 日开钻, 8月13 日所有施工任务全部完成, 实际钻井深度3 625 .60 m ;采用二级井身结构, 一开井径￠444 .5mm , 二开井径￠241 .3 mm , 完井最大井斜36 .7°, 完井井底水平位移591 .93 m , 经抽(放)水试验, 井口水头高度31 m , 自流量104 .02 m3 /h ;降深64 .10m , 出水量为174 .95 m3 /h , 井口水温118 ℃。

 

  1  工程概况

 

  该定向地热井是陕西地区渭河凹陷盆地内的一口定向地热井, 根据热储层的特点及主管部门的审批意见, 决定设计成三段制, 及直井段、增斜段和温斜段。工程设计井深为垂深3 500 m , 测深3 618m ;井底水平位移为560 m ;其造斜点在2 100 m ;最大井斜角为25°;取水层段为2 600 m ～ 3 618 m(混合开采蓝田—灞河组与高陵群热储)。

 

  2  工程地质

 

  该定向地热井位于西安凹陷北部换斜坡区, 该井钻遇的地层自上而下有秦川群(Q2 -4qc)、为第四系三门组(Q1s)、上第三系张家坡组(N2z)、上第三系蓝田—灞河组(N2l+b)与第三系高陵群(N1gl)。

 

  该井钻遇目的层为蓝田—灞河组与高陵群热储层, 混合开采蓝田—灞河组与高陵群热储层地下热水。

 

  3  主要设备

 

  3 .1  钻机型号与性能

 

  钻机选用RT40/2250DR 塔式钻机, 气动控制,采用柴油机动力装置机械驱动, 绞车采用带式刹车, 配FDWS40 型电磁刹车, 其主要性能指标见表1 。

 

  3 .2  泥浆泵型号与性能

 

  采用青州石油机械厂生产的F -1600 和3NB-1300 泥浆泵各一台, 通过更换不同直径的缸套、活塞来改变泵的排量和压力, 更换皮带轮的直径也能改变泵的冲程, 从而也能达到改变泵的排量和压力。

 

  3 .3  钻塔

 

  配备JJ225/42 -KCL 垂直立式井架, 井架配套DZ225/6 -X 底座, 井架高度42 m , 最大载荷2 250kN , 二层台具有24 .5 m 、25 .5 m 、26 .5 m 三种安装高度, 平台高6 m , 适合城市小场地的安装施工。

 

  3 .4  动力装置

 

  动力采用三台PZ12V -190B 柴油机, 总功率为2 649 kW , 与之配套有三台联动机。

 

  3 .5  泥浆净化系统

 

  地热井井下温度较高, 对泥浆性能要求较高, 泥浆净化要求也高, 我们采用三级固控系统, 首先采用两台2ZYS 振动筛除去泥浆中的岩屑, 在泥浆坑中沉淀后再吸到泥浆罐内, 再使用ZCS250 除砂器除去泥浆中较小颗粒的沙子, 最后采用LW450 -842N 离心机除去更小颗粒的固相, 达到净化泥浆的目的。

 

  4  井眼轨迹控制

 

  钻探方法采用正循环泥浆旋转钻进, 使用三牙轮钻头和PDC 钻头, 并配有螺杆动力钻具。

 

  4 .1  一开井段(0 ～ 417 .75 m)

 

  一开钻具组合:方钻杆+5in 钻杆+6 1 4in(3根)+7in(12 根)+17 1 2in 三牙轮钻头钻进参数:

 

  转速80 ～ 140 r/min , 钻压30 ～ 50 kN , 排量28 ～ 32L/s , 泵压1 ～ 5 MPa 。

 

  0 ～ 417 .75 m 为第四系松软地层, 采用大泵量、高转速钻进工艺, 快速的钻进完一开, 并下入￠339 .

 

  7 石油无缝钢管作为表层套管(泵室段), 管外环空全部用油井水泥封固, 达到保护地表潜水的作用。

 

  4 .2  二开井段

 

  二开井段分别采用三牙轮钻头和PDC 钻头, 按照设计要求直井段—增斜段—稳斜段三段式进行施工;从2 079 .39 m 开始造斜。

 

  4 .2 .1  直井段施工

 

  (1)417 .75 ～ 1537 .72 m 井段。

 

  钻具组合:方钻杆+5in 钻杆+6 1 4in(3 根)+7in(12 根)+三牙轮钻头;钻进参数:转速80 ～ 140 r/min , 钻压120 ～ 150kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵压5 ～ 7 MPa 。

 

  采用三牙轮铣齿钻头钻进至井深1 537 .72 m ,此段地层多为粘土和沙土互层, 岩层的胶结性差, 疏松, 容易钻进。

 

  (2)1 537 .72 m ～ 2 079 .39 m 井段。

 

  钻具组合:方钻杆+5in 钻杆+66 1 4in 钻铤(6根)+7in 无磁钻铤+PDC 钻头;钻进参数:转速140 r/min , 钻压30 ～ 50 kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵压7 ～ 9 MPa 。

 

  采用了PDC 钻头钻进, 地层也较疏松, 钻时较快, 钻至井深2 079 .39 m , 起钻更换钻具组合准备造斜。直井段打完后, 最大井斜在1 819 .00 m 处井斜最大, 为1 .23°, 为下部定向井段施工奠定了基础。

 

  4 .2 .2  造斜井段施工 该井采用先进的MWD 无线随钻测斜技术, 测斜准确迅速, 并且不影响钻进工作。

 

  (1)2 079 .39 ～ 2 149 .80 m 。

 

  钻具组合:方钻杆+5in 钻杆+6 1 4in 钻铤(6根)+7in 无磁钻铤+MWD 定向短节+1°单弯单扶螺杆钻具+PDC 钻头;钻进参数:定向转速200 r/min(螺杆转速, 钻杆在井内不动), 复合钻进转速80 r/min , 钻压30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵压8 ～ 11 KPa 。

 

  首先采用定向钻具组合钻进至井深2 149 .80 m,无线随钻测斜仪测得井斜0 .4°这段定向钻进未取得任何效果, 分析原因与施工区内的地层可钻性以及使用的PDC 钻头有关, 之后起钻更换钻具组合。

 

  (2)2 149 .80 ～ 2 551 .42 m 。

 

  钻具组合:方钻杆+5in 钻杆+6 1 4in 钻铤(6根)+7in 无磁钻铤+MWD 短节+1°单弯单扶螺杆钻具+三牙轮钻头;钻进参数:定向转速200 r/min(螺杆转速, 钻杆在井内不动), 复合钻进转速80 r/min , 钻压30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵压8 ～ 12 KPa 。

 

  根据造斜井段钻进至2 551 .42 m , 随钻测斜仪测得井斜24 .61°, 达到了增斜段设计的井斜要求,后起钻更换稳斜钻具组合。

 

  4 .2 .3  稳斜井段施工

 

  (1)2 551 .42 ～ 2 802 .00 m 。

 

  钻具组合:方钻杆+5in 钻杆+6 1 4in 钻铤(6

 

  根)+7in 无磁钻铤+MWD 短节+￠226 扶正器+单弯单扶螺杆钻具+PDC 钻头;钻进参数:转速80 r/min(复合), 钻压30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵压12 ～ 15 KPa 。

 

  采用双扶稳斜钻具组合后, 发现有降斜趋势, 钻进至2 802 .00 m 后, 随钻测斜仪测得井斜已降至23 .73°, 且井斜有加速降低趋势, 这样按照该套钻具组合施工下去, 将无法达到设计的井底水平位移, 不能满足该井的要求, 研究决定起钻更换钻具组合, 在剩余的井段采用以下的钻具组合。

 

  (2)2 802 .00 ～ 3 481 .38 m 。

 

  钻具组合:方钻杆+5in 钻杆+61/4in 钻铤(6根)+7in 无磁钻铤+MWD 短节+单弯单扶螺杆钻具+PDC 钻头;钻进参数:转速80 r/min(复合), 钻压30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵压12 ～ 15 MPa 。

 

  去掉稳斜组合的上扶正器, 钻进中发现出现增斜现象, 虽然采取了定向措施, 但效果不明显, 经分析增大井斜后对该井设计影响不大, 工艺也是可行的, 井斜增大井底位移相应也会增大, 更能满足该定向井的设计目的, 采用该套钻具组合钻到斜深3 625 .60 m , 完钻, 垂深3 481 .38 m , 井底井斜36 .

 

  7°, 井底位移591 .13 m 。

 

  5  钻井液性能

 

  该地热井是一口深井, 要求在钻进中达到近平衡钻进, 保证井壁稳定, 防止卡钻、垮塌和井涌、井漏等现象, 而且井下温度极高, 要求泥浆必须有耐高温的能力, 该井采用聚合物低固相泥浆体系, 主要以高分子聚合物材料为主, 在3 000 m 以后采用抗高温的聚磺泥浆体系, 主要以磺甲基酚醛树脂为主要的抗温材料, 在钻进中使用好固控系统, 严格控制泥浆密度, 粘度, 失水量, 加之该井为定向井, 因此在泥浆中加入白油润滑剂, 确保泥浆的润滑性, 降低钻进中的摩阻。表2 列出了该井在钻至取水目的层段的泥浆性能指标。

 

  6  成井工艺

 

  6 .1  井身结构

 

  一开井径￠444 .5 mm , 下￠339 .7 mm 石油套管(0 ～ 417 .62), 钢级J55 。

 

  二开井径￠241 .3 mm , 下￠177 .8 mm 石油套管(383 .34 ～ 3 624 .60 , 其中穿袖井段长34 .28 m),钢级N80 。

 

  6 .2  滤水管的安装

 

  滤水管选用国产石油无缝钢管, 直径￠177 .8mm , 壁厚9 .19 mm , 钢级N80 , 加工打眼, 园孔直径2cm , 孔隙率大于18 %, 未包网缠丝;滤水管有效长度627 .35 m 。安装在取水层段中主要含水层部位, 滤水管与含水层的吻合率达98 %以上。几年来, 西安天地行地热井工程有限责任公司已在20 余口地热井中采用打眼不包网缠丝型滤水管, 实践证明, 采用该种滤水管可以在洗井过程中, 一次性将井洗清, 将砂粒洗出, 不会出现地热井在使用过程中出砂问题。

 

  6 .3  洗井

 

  在下入φ177 .8 mm 水层井管后, 立即进入洗井。利用空压机气举洗井, 将φ88 .9 mm 油管下至1 300 m , 然后用稀泥浆替换处井内稠泥浆, 待泥浆密度降至1 .08 g/cm3 , 后利用空压机气举洗井, 热水开始自流, 直至水清砂净为止。

 

  6 .4  止水

 

  该井采用水泥封固和橡胶复合型止水器, 止水位置自上而下分别设在泵室段, 第四系三门组底部,于低洼地后, 采取植物措施以防止水土流失, 由于工程建设的需要, 工程施工时将弃土堆放于洼地的北侧, 并在弃土场的南面用块石进行护坡, 利用弃土场建设厂区铁路的信号楼。因工程设计方案的调整,水土保持的设计较原方案做了相应变更, 植物措施也相应减少。

 

  (4)水土保持设施补偿费调整。原方案中水土保持设施补偿费考虑了输灰管线沿线占地6 .2 hm2和租用的7 .0 hm2 农田, 但工程施工时未使用这两块地。

 

  6  水土保持效果

 

  新海发电有限公司本期工程施工期扰动地面面积达25 .751 hm2 。施工单位在施工过程中按照主体工程水土保持方案设计, 对临时弃土、弃渣与开挖破坏面采取了临时防护措施, 在试运行期间水土流失面积逐渐减少, 水土流失得到有效控制。

 

  厂区内以乔木、灌木和草坪为主进行了绿化, 有效遏制了烟尘对厂区的影响。本着因地制宜的原则, 配以相应的植物措施, 既起到了防尘降噪、净化空气、减少裸地的作用, 又绿化了厂区, 美化了环境。

 

  在评估工作过程中, 向电厂周围群众发放40 张水土保持公众调查表, 通过抽样进行民意调查, 78 %的人对项目建设水土保持的总体评价很满意。

 

  7  综合结论

 

  新海发电有限公司2 ×330 MW 发电供热机组扩建工程基本完成了水土保持方案确定的防治任务, 投资控制和使用合理, 完成的各项工程安全可靠, 工程质量总体合格, 水土保持设施达到了国家水土保持法律法规及技术标准规定的验收条件, 可以组织竣工验收, 正式投入运行。