浅谈我国地热井钻探工艺及方法

  1 我国地热井钻探施工发展概况

 

  1.1 20世纪70 年代

 

  20 世纪70 件代，我国仅北京、天津等少数地区开展地热勘查及钻探施工。最初探采埋藏的地热资源较浅，一般孔深在500~1000m。采用的钻探设备多为XB-1000 型岩芯钻机，配BW240/40 和BW240/60 等型号泥浆泵。钻具多为?60mm 钻杆、?108mm 和?121mm 钻铤。钻探成井工艺多为小径打大径扩孔成井的工艺。此时期钻探效率低、成井周期长、一般完成一眼千米地热井需8~12 个月。

 

  1.2 20 世纪80年代

 

  20 世纪80 年代，我国地热勘查范围开始扩大，井深增加，钻机选用THJ-1500 型岩芯钻机及T-50B 型石油钻机,用于1000~2000m以内地热钻探。此阶段钻具规格有：?73mm、89mm 钻杆，?121mm、?146mm、?159mm 钻铤。采用牙轮钻头和刮刀钻头全面钻进方法，普遍采用三级口径成井，提高了钻进效率，缩短了成井周期。

 

  1.3 20 世纪90年代至今

 

  20 世纪90 年代开始，地热勘查在全国范围内逐步全面展开，国内水井深井钻机逐步配套，有GZ-2000型、GZ-2600 型、TSJ-3000 型等水系列钻机及石油系列的ZJ30 型、ZJ45 型钻机。泥浆泵从水系列的3NB-350、BW-1200 泵到石油系列的3NB-500、3NB1300泵，排量逐渐增大，满足了钻深2000~4000m 的需求。

 

  钻具规格有：?89mm、?114mm、?127mm 钻杆及

 

  ?114mm、?127mm 双壁钻杆，?121mm、?159mm、?178mm 钻铤等。采用多种钻探工艺，钻进效率高，成井质量好。一般完成一眼2000m 地热井仅需3~6 个月。

 

  2 地热井钻探工艺

 

  2.1 泥浆正循环钻探工艺

 

  近年来，反循环钻探、冲击钻探、潜孔锤钻探等钻探工艺得到了普遍的应用及发展，但钻探工艺依然是以正循环回转钻进为主，具有最广泛的适用性。

 

  2.1.1 工艺参数

 

  （1）钻压。在较深地热井钻探中，钻压加不足是最常见的，这是影响钻探效率的主要因素之一。例如，中软地层用?216mmHA537 钻头，推荐钻压应为107~226kN，但在生产中因钻铤和钻杆质量问题，所加压力一般都比上述值要小。

 

  钻压不足对机械钻速的影响较明显，尤其是钻进中硬以上地层时，一般钻压仅使岩石实现体积破碎，此时，上返岩屑颗粒较大。因此，要提高钻探效率，应使用质量好的钻具，加足钻压钻进。

 

  （2）转速。牙轮钻头主要以牙齿对岩石的冲击、压碎和剪力作用来破碎岩石。硬和极硬地层主要靠牙齿对岩石的冲击、压碎作用来破碎；极软和软地层主要靠牙齿对岩石的剪切作用来破碎；中软、中硬地层靠这两种作用同时破碎地层。因而，对于极软和软地层应采用低压高速，转速为85~90r/min；对于硬和极硬地层应采用高压低速,转速为60r/min 左右。

 

  （3）泥浆参数。泥浆的主要作用是保持孔底清洁，并维护孔壁稳定。地热井钻进中，一般较好的泥浆性能为：失水量10~15mL/30min，密度1.05~1.15g/cm3，粘度25~32s，泥皮厚度0.5~1mm，pH 值8~10。对于泥岩地层，应加入降失水剂，泥浆性能应为：粘度20~25s，失水量＜10mL/30min，用好的粘土造浆或提高粘土颗粒含量（能防泥岩造浆）。现场须配有振动除砂器和旋流除砂器，提高泥浆的质量并及时替出废浆。

 

  （4）泵量。泵量应保证孔底干净，无残留岩屑。孔内岩屑过多，不但会出事故，而且影响效率。一般常配的泥浆泵排量由小到大为3NB-350 或BW-1200、石油3NB-500、3NB-1300 泵。泵量越大携带岩屑效果越好。

 

  2.1.2 常用钻具组合

 

  ?445mm 或?311mm 钻头+?178mm 钻铤+

 

  ?127mm 钻杆；

 

  ?216mm 钻头+?159mm 钻铤+?89mm 钻杆；

 

  ?152mm 钻头+?121mm 钻铤+?89mm 钻杆。

 

  2.1.3 钻探技术难点

 

  （1）粘钻及缩径。地热井钻进较厚的第三系泥岩地层及页岩夹层时，因泥页岩为水敏性溶胀分散地层，膨胀缩径、泥浆增稠，钻头泥包，在钻井中常遇到不同程度的遇阻、卡钻、缩径等情况。

 

  三牙轮钻头钻进泥页岩时，岩屑常存于牙齿之间，形成“泥包”。其主要原因是：泵量小；由于造浆作用，孔底泥浆粘度较大；牙轮自转不灵活。

 

  克服粘钻和缩径的措施有：加大泥浆泵排量，选用大排量泥浆泵，优质泥浆等技术措施。有条件时应选用大排量石油系列泵，如3NB-500、3NB-1300 泵等。

 

  （2）漏失。在热水层中钻进时，会遇到漏失情况，有时漏失严重不返浆。热水储层为白云岩、灰岩、砂岩时，孔壁稳定性较好，因而可采用清水顶漏钻进。在取水目的层以上钻进时，对于小漏失，可以在泥浆中加锯未或堵漏剂进行堵漏；较大漏失时，可向孔内投入粘土球或用水泥堵漏。对于难于堵住的大漏失，可改用气举反循环钻进，也可下管封隔，或采用泡沫泥浆钻进。

 

  堵漏方法较多，可根据地层和实践经验进行选择。

 

  2.2 气举反循环钻探工艺

 

  气举反循环钻探工艺能避免泥浆对环境的污染及对含水层的淤塞，并能克服地层漏失。在目的层钻进时采用该工艺不但可以免去化学洗井工序，而且能最大限度提高岩层的产水能力。

 

  气举反循环钻探工艺在硬件配备上只需空压机、气水混合器、双壁钻杆、双壁主动钻杆及配套水龙头。

 

  对于较深的钻孔，需配备大马力的空压机。难点是双壁钻杆的密封问题。

 

  钻具组合：?311mm、?216mm 或?152mm 钻头+

 

  钻铤+钻杆+气水混合器+?114mm 或?127mm 双壁钻杆+双壁主动钻杆。

 

  钻探工艺参数：沉没比＞0.5。一般应配置较大马力的空压机。其功率为190kW,空气压力排量最大为25MPa。

 

  例如，某地热井取水目的层采用气举反循环钻探工艺。采用GZ-2600 型钻机，WY-7.5/40 型空压机，设计孔深2400m；钻具组合（取水目的层）：?152mm 钻头+?121mm钻铤+?73mm钻杆+气水混合器+?127mm双壁钻杆+双壁主动钻杆。气举反循环钻探工艺施工井段从2070.07~2401.02m，共计进尺330.95m，钻探总台时400.34h，单位辅助时间0.52h/m，纯进尺效率提高到1.45m/h。

 

  2.3 高压喷射钻探工艺

 

  随着深部地热资源的开采，地热井深度的加大，石油钻探队伍及设备进入地热钻探市场，采用高压喷射钻探工艺，大大提高了钻探效率和成井质量，尤其是克服了泥页岩泥包钻头的问题，缩短了工期。

 

  高压喷射钻井是采用喷射式钻头，以很高的泵压使泥浆自钻头喷嘴产生很高的喷射速度（最高达75~100m/s）的一种钻井工艺。它一方面可以利用高流速的泥浆冲刷井底，帮助钻头破碎岩石；另一方面又能更好地清洗井底和钻头，加速钻进。高压喷射钻井要求配备大功率的强力泵，相应地配合使用低固相泥浆，保证泥浆的除砂和净化效果。使用这种钻井工艺可以提高钻速1~2 倍，大大提高了地热井钻井效率。

 

  例如：在铁岭金峰小镇选用水源钻机施工一眼

 

  2600m 井需要6 个月左右，而选用石油钻机和高压喷射钻探工艺施工2600m 井仅需3 个月左右，效率提高一倍，不仅大大缩短了工期，还提高了成井效率。

 

  3 地热井完井工艺

 

  3.1 测井

 

  普遍采用物探测井的参数，即自然电位、梯度电阻率、电位电阻率、井斜及井温参数，目的是较准确地划分出含水层来。

 

  测井虽然是划分地层和确定含水层的重要手段，但一定要结合岩屑录井即实际地层和岩性进行解释，不能简单地依靠统一模式和程序进行解释。因测井参数具有多解性，不结合实际地层和岩性解释测井结果，将会对成井造成误导。

 

  3.2 固井

 

  温度是地热井的重要标志，为提高温度一定要把较低温度的地层和含水层封住，因此固井是重要环节。最好对于花管或裸孔以上段全孔进行固井。固井应该用专用设备、专业队伍进行。特别是对于不同管径间的环空处，一定要用水泥固好，否则很可能会影响出水温度。

 

  3.3 射孔

 

  随着石油勘探技术的引入，射孔是提高出水量的一个有效方法。铁岭凡河ZK1 地热井，经过多次多方法洗井水量水温达不到要求。后根据测井曲线及岩屑录井选择了三段进行射孔，射孔段分别为945~950m、1025~1035m、1055~1060m，共计20m 射孔。结果出水量从开始500m3/d 增加到810m3/d，温度从30℃提高到36℃。某地热井，经过多次多方法洗井水量仍很小，无法使用。后根据测井曲线及岩屑录井选择了已封孔的四段进行射孔，射孔段分别为697~701m、712~716m、722~728m、920~926m，共用127 弹射了4 段，计20m。结果出水量从几乎干眼到400m3/d，出水温度达到46℃。通过射孔救活了该地热井。在此井成功的基础上，该地区又进行第二眼地热井的施工，水量、水温均又有大幅度地提高。

 

  3.4 挂管

 

  挂管也是随着石油勘探技术的引入应用到地热井施工中来的。铁岭凡河ZK1 井原设计热储层（白云岩）埋深1600m，设计井身结构为三开结构，设计0~1600m全下管固井，取1600m 以下的水层。但实钻至655m 就见到了热储层（白云岩），至1100m 岩性变为石英砂岩，石英砂岩含水性较差。为保留住热储层（白云岩），钻孔结构由三开变为二开，最后采用挂管技术保留了该井的热储层（白云岩）段，从而保证了该井的最后成井（水量810m3/d，出水温度36℃）。

 

  3.5 洗井

 

  地热井常用的洗井方法有焦磷酸盐洗井、活塞洗井、酸化洗井、液态二氧化碳洗井、空压机洗井等。

 

  随着钻井深度的增加，常用的洗井方法有时达不到彻底洗井的目的，水量洗不出来。因此近年来采用了大功率空压机（250 个压力以上的大型空压机）进行气举和气水混合洗井的方法，如果引进石油系统的压酸、压裂方法洗井方法将取得更好的效果。

 

  4 结论

 

  （1）根据我国各地区的地层特点及热储层埋藏深度选择先进设备和配套机具，确保机具的合理级配。

 

  （2）根据我国各地区的地层特点及热储层埋藏深度选择不同的钻探工艺进行施工，也可以采用多种钻探工艺交叉的方法进行施工（如正循环方法、反循环方法）。

 

  （3）固井是地热井施工的重要环节。固井作业前必须做好设计，选择专用固井设备及优质水泥保证固井的成功。

 

  （4）地热井的成井关键在洗井，可以采用机械洗井、化学洗井的同时,采用大功率空压机进行气举和气水混合洗井的方法，可取得较好的效果。

 

  （5）引用石油钻探施工先进工艺进行地热井钻井成井施工。如挂管技术、射孔技术及固井技术等工艺。将会大大提高地热井的成井率及成井的出水量和出水温度。