山东齐河1号裂隙岩溶型地热井钻井技术

  摘 要:山东齐河1号裂隙岩溶型地热井储热层为奥陶系灰岩,其上部覆盖第四系、第三系、二叠系、石炭系地层,成井工艺复杂。应用气举反循环钻进工艺、PDC钻头、化学处理泥浆、技术套管等工艺方法,探索了裂隙岩溶型地热井成井钻进工艺技术。

 

  关键词:裂隙岩溶型地热井;钻进工艺;气举反循环钻进; PDC钻头;护壁;化学处理泥浆;技术套管.

 

  1 概况.

 

  裂隙岩溶型地热井储热层为奥陶系灰岩,山东省主要分布在济南、聊城等地区,储热埋深为350~1800 m。主要地层为第四系、第三系、二叠系、石炭系、奥陶系,由于受构造的影响,第三系、二叠系、石炭系有缺失现象。该类型地热井由于地层多变、岩性复杂、缩径、坍塌、漏失等复杂情况,成井难度大。

 

  2003年,我们在山东齐河1号探采结合地热井应用气举反循环钻进工艺、PDC钻头、化学处理泥浆、技术套管护壁等,成功完成了山东省(济南)最深(1601157 m)的裂隙岩溶型地热井。水量114 m3/h,水温57e,在济南地区打出了一口水温最高、水量最大的地热井。

 

  2 技术装备.

 

  2.1 设备.

 

  TSJ-2000E型钻机;AS27 -70型钻塔; TBW -1200 /7B型泥浆泵:300 kW三相动力电源(备150 kW发电机1台); VWWJD -911 /15型空气压缩机1台。

 

  2.2 钻具.

 

  121、146、178 mm钻铤分别60、90、10 m;89mm钻杆1600 m; 133 mm@133 mm双壁主动钻杆12160 m; SHB127 /75双壁钻杆220 m;430 mm组合牙轮钻头1个;311 mm钢齿、镶齿牙轮钻头各3个;215、152 mm镶齿牙轮钻头各2个;311、215mm聚晶金刚石复合片(PDC)钻头各1个。

 

  3 钻井技术工艺.

 

  3.2 钻进工艺.

 

  该地热井地层为第四系、第三系、二叠系、石炭系和奥陶系地层,由于地层变化大,采用了如下钻进工艺方法。

 

  3.2.1 0~111186 m段用430 mm组合牙轮钻头开孔,粘土层下入377mm@8mm表层套管112166m,正循环泥浆钻进。

 

  3.2.2 111186~1089162 m段用311 mm钻头钻进,二叠系砂岩下入245mm@10103mm技术套管1090122m,并固井。第四55 2005年第8期          探矿工程(岩土钻掘工程)系、第三系采用311 mm钢齿牙轮钻头钻进,二叠系(泥岩、砂岩)采用311 mm PDC钻头钻进(二叠系孔深609 m)。

 

  钻具结构:311 mm牙轮钻头(PDC钻头) +178 mm /146 mm /121 mm钻铤+89 mm钻杆+主动钻杆。

 

  冲洗液:采用膨润土(5% ) +CMC(014% ) +KHm(013% )+Na2CO3(013% )泥浆,其漏斗粘度22~25 s,密度1105~1110 g /cm3,失水量<10 mL /30min,泥皮厚度<1 mm,含砂量<4%, pH值为8~9。

 

  3.2.3 1089162~1355 m段孔径215 mm,地层为二叠系、石炭系、奥陶系,地层复杂、易塌孔(取出的岩样见图2)。采用泥浆护壁,正循环钻进,快速穿过下入178 mm@9119mm技术套管269138 m隔离。

 

  3.2.4 1355~1601157 m段该层为钻进目的层(奥陶系),岩性以石灰岩为主,地层裂隙发育,漏失,该孔本段采用了气举反循环钻进工艺。孔径152 mm。

 

  钻具结构:152mm镶齿牙轮钻头+146mm /121 mm钻铤+89 mm钻杆+SHB127 /75双壁钻杆+主动(双壁)钻杆。

 

  3.3 护壁技术措施3.3.1 泥浆护壁0 ~111186 m段采用普通泥浆护壁钻进;111186~1355 m段采用化学处理泥浆护壁钻进。

 

  3.3.2 技术套管护壁0~1089162 m段,第四系、第三系、二叠系上部采用245 mm@10103 mm技术套管护壁, 1089162~1355 m段为复杂地层,采用快速钻进穿过,17718 mm@9119 mm技术套管隔离护壁。

 

  3.3.3 压力平衡护壁.

 

  在施工过程中,保持泥浆液面高度,提钻或漏失时,进行泥浆回灌,保持孔内压力平衡,维护孔壁稳定。下钻时要稳、慢,防止压力激动破坏孔壁。

 

  4 钻进新技术应用.

 

  4.1 聚晶金刚石复合片( PDC)钻头.

 

  4.1.1 311 mm /215 mm PDC钻头技术参数圆片式切削齿镶嵌在六翼钻头翼板上,均匀分布排列(见图3),钻头底面为W形,适用于二叠系泥岩、砂岩;保径采用20 mm复合片。根据冷却清洗钻头所需的水流速度,设计了7个15 mm水眼。

 

  4. 1. 2 PDC钻头的钻进规程参数.

 

  钻压: PDC钻头靠剪切破碎岩石,因此它所用钻压通常是牙轮钻头的1 /4~1 /3,试验证明,311mm /215 mm钻头钻压保持在15~20 kN效果最好;转速: 80、120 r/min为宜;泵量:以1000~1200 L /min为宜。

 

  4.1.3 钻进效率.

 

  PDC钻头与牙轮钻头相比较,在泥岩、砂岩地层中的钻进效率见表1。

 

  表1 PDC钻头与牙轮钻头效率比较表钻头类型进尺/m泥岩砂岩效率/(m#h-1)泥岩砂岩牙轮钻头43 28 0121 0123PDC钻头316 298 2111 11674.2 气举反循环钻进工艺.

 

  钻进至孔深1501100 m时出现严重漏浆现象,不返浆,孔内岩屑无法排出孔外。传统的正循环泥浆钻进效率低,而且正循环钻进工艺易发生孔内埋钻事故。应用气举反循环钻进,解决了漏失地层地热井施工钻进、排渣问题。

 

  (1)气水龙头。

 

  常规用的气水龙头有2个通道,一个是气体通道,另一个是排渣通道。而由于深井钻进受力大,常规气水龙头不能满足拉力要求。

 

  深井用气水龙头由2部分组成,一部分是50 t水龙头(送水器),另一部分是50 t气盒子,水龙头和气盒子通过导向杆固定在一起。

 

  (2)双壁主动钻杆。

 

  由规格为13312mm@13312mm@12200mm主动钻杆和75 mm@6 mm内管组成。上接头采用6&3in REG(正规)反扣与气盒子相连接。

 

  (3)SHB127 /75双壁钻杆。

 

  由内管与外管组成,内管之间连接采用插接,由原来1道密封改为2道O型密封圈,确保径向密封效果,其耐压为315MPa。

 

  (4)气水混合器。

 

  连接在双壁钻杆的下端,是压缩空气输入液体实现混合的通道。它也由内外管组成,内管钻眼(孔隙率20% ),内管上部同双壁钻杆内管插接,下部加一短管与锁接头紧密配合,O形密封圈径向密封,堵死气体通道实现气液混合。

 

  4.2.2 钻进工艺参数.

 

  4.2.2.1 钻进规程.

 

  钻压:146 /121 mm钻铤加压,压力40~60kN;转速: 48、80 r/min。

 

  4.2.2.2 气举反循环的主要参数.

 

  (1)沉没系数(浸水比)m:由于受空压机压力的限制,沉没比控制在0184~0199。

 

  (2)空压机压力:施工中空气混合室的沉入深度80~120 m,根据公式P=Hrn@10-1/(10+$P),经计算,P=019~115MPa。

 

  (3)空压机风量:根据公式Q=(2~214)d2V,经计算,Q=217~312 m3/min。

 

  (4)尾管长度的选择:根据经验公式Lw=(3~4)H(其中Lw为尾管长度,H为空气混合室沉入深度)计算。试验证明,该地热井施工中尾管长度Lw=(10~15)H能正常工作,并且达到了小时效率1163 m /h,比正循环钻进(0158 m /h)提高218倍。

 

  4.2.2.3 倒杆深度.

 

  每钻进40 m倒一次双壁钻杆(限于空压机压力)。

 

  4.2.2.4 气举反循环用冲洗液.

 

  气举反循环钻进中采用清水作为循环介质。

 

  5 结语.

 

  5.1 主要技术成果.

 

  (1)应用气举反循环钻进工艺和PDC钻头,成功完成了山东省(济南)最深(1601157 m)的裂隙岩溶型地热井。为该类型地热井的施工探索了工艺技术方法。

 

  (2)在应用气举反循环工艺中,试验证明尾管长度Lw=(10~15)H可满足正常钻进要求。

 

  (3)应用PDC钻头在二叠系泥岩、砂岩中钻进效率(1189 m /h)是牙轮钻头钻进效率(0122 m /h)的715倍。

 

  5.2 存在问题.

 

  (1)裂隙岩溶型地热井施工工艺技术还不完善,需要进一步探讨。

 

  (2)气举反循环钻进工艺的效率还不高(1163m /h),主要原因是空气压缩机工作压力不够,建议配压力3~5MPa、风量5 m3/min的VWWJD -5 /40型空压机。

 

  (3)尾管的长度、空气工作压力、钻进效率三者之间的关系还有待进一步的试验研究。