山东商河地区地热井钻效分析

  商河县地热资源丰富，蕴藏量巨大，具有分布广、热储层稳定、水温适中，且水中含有多种对人体有益的微量元素，其开发利用前景广阔。

 

  本区地处华北拗陷区(Ⅱ)济阳拗陷区(Ⅲ)的惠民拗陷(Ⅳ)内，地层由老至新依次为：古近系的东营组、新近系的馆陶组、明化镇组和第四系平原组。热储含水层主要为新近系馆陶组以及古近系的东营组，其中馆陶组的富水性较东营组较好。本区构造简单，断层稀少，地热埋藏深度适中，是理想的地热开采利用地。

 

  1 勘查区钻遇地层特点及施工难点分析

 

  区内第四系埋深440ｍ，为河流相沉积地层，上部岩性为砂质粘土、亚砂土、粉土夹粉砂，下部为砂质粘土、粘土与粉砂、细砂互层。由于地表松软，在钻进中地表可能有窜漏钻井液现象，钻头直径大，憋跳，扭矩大，在高机械钻速情况下，可能会出现钻具事故。

 

  明化镇组埋深1 036m，厚度596m，上部岩性主要以由棕黄、灰、灰绿色杂色砂质粘土、泥岩和粉砂岩、细砂岩为主，局部夹钙质结核；下部以泥岩及细砂、中细砂岩为主。地层为极软到中软，可钻性强，易造浆，底部易吸水膨胀发生缩径卡钻事故。

 

  馆陶组埋深为1 392m，厚度356m，上部岩性为细—中砂岩及泥岩与细砂岩互层夹粉砂岩，下部岩性为砾岩、含砾砂岩、砂砾岩、细砂岩夹灰绿色粉砂岩、泥岩，地层中软到软，可钻性强，砂砾岩对钻头有损坏作用，要注意钻头选型。

 

  东营组埋深为1 560m，厚度168m，岩性为砂岩与泥岩的互层，整合于沙河街组之上，与其上的馆陶组呈不整合。由紫褐、棕黄、灰绿色粉砂质泥岩、泥岩夹薄层灰白、浅灰色石英中细砂岩组成。可钻性强。

 

  总之，该区上段岩石可钻性好，钻头容易产生泥包，在井壁形成虚厚泥饼。长裸眼钻进，调整好泥浆性能，并做好井斜的监测工作，可顺利建井。

 

  2 钻效分析

 

  该区各钻孔设备使用情况如表1所示。

 

  2.1 动力设备对比

 

  商河地区地热井施工孔深大都在1 500m 左右。从表1可以看出，采用电动机作为动力的4#地热井施工工期明显优于其他三口动力采用柴油机的地热井。1#与2#井施工期间多次因为柴油机故障停钻整修，消耗大量时间；3#井由于设备提升能力受限，使用Φ245mm 钻头一径到底(1 500m)后，上部300m泵室段在使用Φ445mm扩孔。

 

  4#与2#纯钻效相近，但2#施工辅助时间明显较长，多因柴油机整修影响施工作业时间，增加钻探辅助时间。

 

  由此可见，改用电动机作为动力比柴油机便利可靠，可降低辅助时间，降低施工成本。

 

  2.2 钻具组合对比

 

  商河地区一开孔段较浅，钻具组合相同，无明显对比性，主要以二开钻具组合为对比对象。1#，2#和3# 二开钻具组合使用：Φ244.5mm 牙轮钻头+Ф178mm 钻铤×20m+Ф159mm 钻铤×60m+Ф89mm 钻杆。钻铤悬重10.5T，钻压70～90kN。牙轮钻头的适用性较强，钻进使用应为高压慢转（Φ245mm牙轮钻压在98～20kN，转速在60～90r/min）。考虑到钻柱承重扭曲受力点，钻铤质量很难全部给到钻头上，这样所给到牙轮钻头的压力就更少了，根本达不到牙轮钻头的额定使用压力，牙轮合金吃入地层较浅，碎岩慢，进尺就慢，岩屑在孔底重复破碎。未达到额定进尺，轴承已磨损老化，提前报废。如添加足量钻铤，来满足钻压需求，钻具悬重增加，孔内如有异常，受钻塔承重上限（24m，70T；27m，90T）与钻机提升能力限制，孔内钻具就难起出孔内，而给下步施工处理造成更大的麻烦，以至于侧钻造斜完井或弃井。

 

  4#井一开使用Φ445mm牙轮钻头钻至302m，下表套候凝耗时3d。二开使用Φ245mmPDC 钻头钻进，直至1 430m施工结束。使用PDC钻头期间共起钻二次（包含钻至1 100m起钻拉孔一次）。二开钻具组合：Φ244.5mmPDC钻头+Ф159mm钻铤×40m+Ф127mm钻杆。钻铤悬重5.2T，钻压20～40kN，转速80～120r/min。钻具悬重在钻机设备的可控范围之内，及可实现快速钻进。PDC钻头优点为使用钻压较低，转速较高，但缺点也很明显，为了增加机械钻速则需要加大钻压PDC钻头就会产生粘/滑运动，钻头反应扭矩上传至钻铤，钻铤与钻头刚性连接，扭矩上传至钻杆。使用Ф127mm钻杆相比Ф89mm钻杆的抗扭能力更强一些（Ф127mm钻杆，68.3kN·m；Ф89mm钻杆，30kN·m），且与钻头级配相差较优。可减少因钻头粘/滑运动严重时造成的钻具失效问题，保证PDC钻头正常钻进。

 

  从对比可以看出，本区构造较简单，断层稀少，PDC钻头更加适用。在这种已施工过的老市场，地质情况已经熟知，分阶段使用PDC钻头势必可以将施工工期大大缩短。

 

  2.3 泥浆泵对比

 

  从表1可看到，1#和2#井施工采用TBW-1200。

 

  3#井施工吸取前2口井施工的经验使用2台850泥浆泵交替使用，减少维修时短起下钻回次。

 

  从以上公式可以得出：Φ445mm孔径，泥浆泵排量要达到48L/s，才能达到最低返速。而850泥浆泵满负荷理想化运转是14L/s，差距太大，达不到全面破碎携岩目的。当采用Φ245mm一径到底后，再使用Φ445mm 钻头扩至300m。在Φ245mm 孔径施工泥浆泵排量应不低于17L/s，使用850泥浆泵在开孔以浅井段勉强可以携砂维持钻进。钻至1100m时泥浆泵压达到4.5MPa负载将近泥浆泵上限压力（上限压力5MPa），虽然使用2台850泥浆泵交替，但850泥浆泵的泵量与压力上限已不能够满足生产的需求，以致起钻整修泥浆泵，消耗大量时间。

 

  4#井改用QZ3NB-350泥浆泵，开孔Φ445mm孔径使用Ф170mm 缸套增大排量，排量达到34.4L/s。

 

  虽然达不到最低返速48L/s，但一开井段较浅300m，通过增加冲孔时间来保证孔内清洁。钻至302m,下表套，固井。二开Φ245mm孔径使用Ф140mm缸套泵量达到20L/s，满足最低携岩返速。且在Ф140mm缸套泥浆泵额定压力上限10.5MPa，满足施工时5MPa的泵压。

 

  在泵量达到20L/s时，钻头水眼不变情况下，使用内径Ф108mm的Ф127mm钻杆，钻杆循环压力损耗1.82MPa（钻杆内循环压力损耗1.76MPa+钻杆外循环损耗0.06MPa）；如使用内径Ф70mm 的Ф89mm钻杆，钻杆循环压力损耗就达到5.90MPa（钻杆内循环压力损耗5.87MPa+钻杆外循环损耗0.03MPa）。

 

  水力传递在钻杆这一环节损耗更多，传递到钻头的能量就更少了，降低了孔底的冲刷清洁能力。虽然泵量增大了但使用Ф127mm钻杆也是保证QZ3NB-350泥浆泵水功率传递的一项重要措施。

 

  2.4 钻井液循环系统对比

 

  1#，2#和3#井的泥浆循环系统为：井口→泥浆小沉淀池（JSB-2B除砂器配备80目滤网）→大泥浆循环沉淀池→泥浆泵→地面管汇→钻具→井口。

 

  4#井使用PDC快速钻进，泥浆的净化除砂就显得尤其重要，将原钻井液循环系统加以改进：井口→泥浆小沉淀池（JSB-2B除砂器配备80目滤网）→泥浆大沉淀池（JSB-2C除砂器配备120目滤网）→40方泥浆循环罐（配备有150目除泥器循环）→泥浆泵→地面管汇→钻具→井口。

 

  泥浆循环系统大泥浆沉淀池内使用50m3立式排污泵2台交替不间断供给JSB-2C除砂器，降低维持泥浆的密度。连接泥浆循环罐一侧的卧式蜗牛泵供给除泥器间隔式除泥。泥浆循环罐的使用更重要的是位于地面上的泥浆罐靠泥浆自重将泥浆流入泥浆泵阀室内，降低了泥浆泵从循环沉淀池抽吸功耗与节省吸入阀磨损。

 

  3 结论及认识

 

  ①在地质条件稳定的情况下，使用PDC钻头快速钻进可明显提高钻速，缩短了建井周期，降低了钻井成本，具有显著的经济效益。PDC钻头配备扭力冲击器使用可彻底减少粘滑运动，并改善机械钻速，延长钻头寿命。

 

  ②泥浆泵泵量保证岩屑上返速度不低于0.5m/s。返出岩屑利用有效的沉淀池与固控处理，大颗粒自然沉淀易于排除，小颗粒通过机械除砂器不间断除砂处理。

 

  ③使用Ф127mm钻杆代替Ф89mm钻杆，一是钻具内径较大，钻柱内循环损耗相比要少；二是抗扭矩强度较大。

 

  ④使用PDC钻头钻进，钻头会出现粘滑现象，使用抗扭强度更优的Ф127mm钻具可利保证施工的安全。

 

  ⑤地面使用泥浆罐配备除泥器间断性除泥，保证泥浆液面高于泥浆泵阀室。