定向井技术在地热井施工中的应用

1.定向井技术简介

 

  1.1 定向井基本概念

 

  定向井就是使井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。其剖面主要有三类：（1）两段型：垂直段+造斜段；（2）三段型：垂直段+造斜段+稳斜段；（3）五段型：上部垂直段+造斜段+稳斜段+降斜段+下部垂直段。

 

  定向井技术是当今世界最先进的钻井技术之一，它是由无磁传感控制钻头运动轨迹，使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术。采用定向井技术可以使地面和地下条件受到限制的地热资源得到经济、有效的开发，具有显著的经济效益和社会效益。定向井就是使井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。

 

  1.2 定向井基本应用

 

  （1）地面限制：埋藏在高山、城镇、森林、沼泽海洋、湖泊、河流等地貌复杂的地下，或井场设置和搬家安装碰到障碍时，通常在它们附近钻定向井。

 

  （2）地下地质条件要求：用直井难以穿过的复杂层、盐丘和断层等，常采用定向井。

 

  （3）钻井技术需要：遇到井下事故无法处理或不易处理时，常采用定向井技术。

 

  （4）其它需要：其它需要用到定向井时。

 

  1.3 定向井基本分类

 

  （1）按设计井眼轴线形状可分为：①两维定向井：井眼轴线在某个铅垂平面上变化的定向井，井斜变化，方位不变化；②三维定向井：井眼轴线在三维空间变化的定向井，井斜变化，方位变化，包括：三维纠偏井和三维绕障井。

 

  （2）按设计最大井斜角可分为：①低斜度定向井：井斜小于15 度，钻井时井斜、方位不易控制，钻井难度大；②中斜度定向井：井斜在15-45 度之间，钻井时井斜、方位易控制，钻井难度相对较小，是使用最多的一种；③大斜度定向井：井斜在46-85 度之间，其斜度大，水平位移大，增加了钻井难度和成本；④水平井：井斜在86-120 度之间，其钻井相对较难，需要特殊设备、钻具、工具、仪器。

 

  （3）按钻井的目的可分为：救援井、多目标井、绕障井、多底井等等。

 

  （4）按一个井场或平台的钻井数可分为：①单一定向井；②双筒井：

 

  一台钻机，钻出井口相距很近的两口定向井；③丛式井（组）：在一个井场或平台上，钻出几口或几十口定向井和一口直井。

 

  2.国内外定向井技术发展

 

  2.1 定向井技术往昔

 

  定向井通常采用的轨道剖面是“直—增—稳”和“直—增—稳—降—稳”或与之相近的剖面结构，在数量上以“直—增—稳”三段制结构占绝大多数。对于这种剖面，早期的定向井钻井在造斜点以下井段是分三步施工的，即弯接头+直螺杆定向造斜、转盘钻进增斜和转盘钻进稳斜。该施工步骤相对而言较为复杂，且由于定向井井眼轨迹的井斜变化和方位漂移量受地层岩性、钻具结构、钻进参数等诸多因素影响，如果没有对相应区块的钻井施工经验，判断和量化分析井斜、方位变化规律存在一定的难度。

 

  2.2 国内定向井技术现状与发展

 

  随着弯壳体泥浆马达、高效PDC 钻头的研制成功和无线随钻测量技术的发展，导向钻井系统逐步发展，并成为定向井技术发展的最重大的成果。最初是弯壳体动力钻具与MWD 组成的滑动导向钻井系统，近年来又出现了旋转导向钻井系统。导向钻井系统的最大优点是一套工具下入井内后，可以增斜、降斜和稳斜，可以根据需要钻出不同曲率的井眼，从而大大提高了井眼轨迹控制能力。如英国BP 公司1999 年7 月在英国WytchFarm 油田完成的M16SPZ 井，完钻井深11278m，垂深1637m，水平位移达10728.4m。1997 年6 月中国南海西江24-3-A14 井的水平位移达到了8060.7m。20 世纪90 年代末期，经过钻井工作者的共同努力，国内定向井技术逐步发展成熟，相继完成了一大批各种难度的定向井、丛式井、大位移井、三维多目标井、三维绕障井，形成了较为成熟、完善的特殊工艺井钻井技术。尽管与国外技术相比还有一定的差距，但主要集中在钻井装备和测量仪器等硬件设施方面。

 

  2.3 国外定向井技术现状与发展

 

  国外随着导向钻井技术、无线随钻测量技术的不断发展，地质导向钻井技术、旋转导向钻井技术等新技术的不断涌现，推动了水平井技术应用规模的不断扩大。20 世纪90 年后期，水平井钻井技术发展迅速。

 

  1996 年之后，仅美国钻水平井能力就达到600～1000 口/年。近年来，国外水平井钻井技术不断发展，突出的表现在地质导向技术、旋转导向技术、自动化（闭环）钻井技术以及配套工具的研制及使用。

 

  3.定向井技术在地热井施工中的应用

 

  3.1 地热井施工现状

 

  地热资源的开发利用需要采用“回灌开发”的模式。回灌开发是在同一施工地点开凿两口或两口以上地热井，一口作为开采井，另一口作为回灌井。受城市用地面积的限制以及运行管理的需要，多以定向“对井”的方式成井。对井井口直线距离在2.5～10m 之间，为防止开采、回灌地热流体短时间内相互干扰，井底距离保持在600～800m，定向井技术很好的解决了这些问题。目前，国内各地地热定向井成百上千，积累了低温地热定向井的施工经验。

 

  3.2 地热井施工方法

 

  地热施工定向井多采用四段制剖面，包括直井段、造斜段、稳斜段、自然降斜段。直井段450～650m，设计最大井斜18°～35°，井底水平位移400～600m。钻直井段采用塔式钻具组合，定向井段采用井底动力钻具，采用随钻测量技术，控制方位角和井斜角，钻至井斜角9°左右，用增斜钻具组合钻至设计最大井斜角，换稳斜钻具组合。全井根据取得的井眼轨迹数据，调整合理的钻具组合和钻进参数，来控制井斜和方位的变化，使井眼曲率变化平缓。自然降斜井段位于开采层，一般存在井漏，此时去掉扶正器，简化钻具结构钻进至终孔。下面以某项目为例，说明定向井技术在地热井施工中的应用。

 

  3.3 地热井施工实例分析

 

  该项目甲方为了解决建筑供暖，拟开凿一对地热井。但由于场地限制，无法保证井底位移，故采用定向井技术。设计井口地面距离为5m，井身结构为四开定向井，具体见图1。

 

  对井造斜基本数据如下：

 

  设计开采井：

 

  ①设计方位角：180°；

 

  ②最大井斜角：24°；

 

  ③井底水平位移：500m；

 

  ④井身剖面：

 

  垂深0～500m——直井段；

 

  斜深500～600m——造斜段；

 

  斜深600～900m——增斜段；

 

  斜深900～1895m——稳斜段；

 

  斜深1895～2495m——自然降斜段。

 

  设计回灌井：

 

  ①设计方位角：280°；

 

  ②最大井斜角：24°；

 

  ③井底水平位移：500m；

 

  ④井身剖面：

 

  垂深0～550m——直井段；

 

  斜深550～650m——造斜段；

 

  斜深650～970m——增斜段；

 

  斜深970～1895m——稳斜段；

 

  斜深1895～2495m——自然降斜段。

 

  通过使用定向井技术，该对井井底距离达到700m，不仅满足了井底距离的要求，也满足了甲方的要求。

 

  4.结论和建议

 

  定向井技术是当今世界最先进的钻井技术，它可以使地面或地下条件受到限制的地热资源得到经济、有效的可持续开发利用。作为可再生能源，地热能将纳入“十二五”能源规划，地热资源开发利用将掀起一轮高潮，而定向井技术的应用将迎来一个前所未有的发展机遇，作为地质工作者一定要认真学习、科学使用这项技术，从而达到可持续开发利用地热资源。