长裸眼地热钻井及静压反循环投砾技术在某超深地热井的应用

  摘 要：开封市地热资源丰富，热储层埋藏深，地质条件复杂，钻探施工难度大。某1800m超深地热井，采用了长裸眼钻井及静压反循环投砾技术进行了钻探施工，取得了良好效果。对采用的工艺方法及效果进行了阐述，提出了建议和结论。

 

  关键词：开封地热；地质结构；超深地热井；长裸眼强力钻进；静压反循环投砾技术.

 

  1概述.

 

  开封市地处河南省东部，受多个断裂构造的影响，市区范围内深部地热资源极为丰富。目前市区内开凿地热井已超过60余眼，开凿深度大多在1100~1200m，水温在45℃~55℃之间，水量40~50m3/h,主要用于洗浴及生活热水。由于近十几年来对这一区段的含水层过量集中开采，已导致部分地热井水位大幅度下降，水量大幅度变小。为合理利用宝贵的地热资源，目前市区范围内地热井规划深度必须在1500m以上。钻井深度的增加，提高了地热钻井的施工难度，传统的成井工艺遇到了很大的挑战，必须采用更加可靠的成井技术进行地热井的施工，以确保地热井的工程质量。

 

  2 工程概况.

 

  已建的开封开元名都大酒店地处开封新区郑开大道近邻，为一座五星级豪华宾馆。为充分利用地热资源，计划开凿一眼超深地热井以满足宾馆的集中供热及生活热水需求。地热井设计深度1800m，要求单井出水量不小于50t/h，水温不小于65℃。

 

  3 地质概况.

 

  开封市位于济源—开封断陷带，区域内主要有郑州—兰考断裂、新乡—商丘断裂、长垣断裂等3大断裂带。本工程位于上述断裂围限的开封断凸内，距郑州—兰考断裂约7km。新近系地层是主要开采的储水层，上部被第四系覆盖，厚度约350m。本工程钻探目的层为新近系的明化镇组(Nm)地层，地热井钻遇地层从上至下为新近系的石英细砂岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩等地层以及第四系的粘性土与松散砂层等地层。

 

  钻遇地层特点是第四系地层松散易垮塌，护壁困难，新近系地层较硬且处于几大断裂带内，地质条件复杂，钻进困难，同时钻探需大跨度长距离裸眼钻进，易导致孔内事故发生。

 

  4 钻井结构设计.

 

  该井为开封市区第一眼超深地热井，根据该区地质特点，为提高施工效率，简化成井结构，采用2级钻孔结构进行钻进及成井：一开0~250m采用?394mm牙轮钻头钻进下入?273mm石油套管，二开至终孔采用?245mm牙轮钻进下入?177.8mm石油套管及同径梯形丝滤水管。采用钻至设计深度后一次提吊下管法进行下管。

 

  5 钻探方法及工艺措施.

 

  根据设计要求及该地区地质特征，该井使用GZ-2000型钻机，配备BW2000/7B型往复式泥浆泵正循环回转钻进进行施工。由于设计采用一次下管工艺，钻探需长距离裸眼钻进，为保证成孔质量，采用喷射式钢齿牙轮钻头、宝塔式钻铤结构强力加压等钻进工艺提高施工效率，缩短钻孔时间，采用合理的钻探技术参数保证钻探质量及钻孔垂直度符合设计要求，采用合理的泥浆工艺维护钻孔孔壁安全。

 

  具体工艺措施主要包括：（1）开孔下入孔口保护管，下入深度30m，并固定牢靠；（2）开孔轻压慢转，确保开孔垂直；（3）钻进过程中，每 200m测斜一次，发现孔斜及时纠斜；（4）采用宝塔式结构配备钻具，正常钻进钻铤配重不少于100m,总重量不少于50t，以实现强压力钻进；（5）采用合理的钻探工艺参数：钻压6~25t，69西部探矿工程2014年第7期泵量2000L/min,合适的转速；（6）尽量采用强压力、高转速、吊打的方法钻进；（7）在缩卡地层钻进时，采用“两短一长”的起下钻措施，即正常钻进2次加杆短起后，进行一次长的短起钻，把2次短起钻孔段进行疏通；（8）经常监测泵压，及时更换牙轮钻头喷嘴；（9）采用合理的泥浆工艺确保长距离裸眼钻进的安全护壁及携渣需求：泥浆采用不分散低固相淡水泥浆，采用优质膨润土配置基浆，用NaCO3、水解聚丙烯酰胺（PHP）调整泥浆性能。泥浆性能保持在：密度 1.05~1.10g/cm3，粘度20~25s，失水量15~20mL/30min，含砂量小于5%，pH值9~10，钻进过程及时测试维护等。

 

  通过以上工艺措施，确保了钻探质量。该井钻进过程中没出现孔壁坍塌现象，孔内事故也仅仅出现了一次脱钻事故并很快得到了处理。钻进效率大大提高，该井从开钻至终孔钻深1840m,仅用了23d时间，纯钻效率平均达到了3.0m/h以上。终孔孔斜度2.1°，满足设计要求。

 

  6 成井技术及工艺措施.

 

  该井钻至终孔经冲孔换浆后进行了井内物探测井，得出测井曲线4条，包括视电阻率梯度、自然电位、自然伽马、井温及井斜等。经参数解译划分含水层，确定可利用含水层为1600m以下累计含水层130m,岩性主要为石英质细砂岩，排管后进行成井。

 

  成井工艺是指探井、破壁换浆、安装井管、填砾、封闭以及洗井、抽水试验、采集水样等工序的总称。而破壁换浆、安装井管、投填砾料、止水封闭是关键工序，直接影响成井质量。该井采用了以下重点工艺措施：

 

  （1）采用组合式高压射流破壁器进行破壁。破壁器自行设计加工而成，结构上上部为钢丝刷，下部为射流器，整体随钻具下入孔内，开动泥浆泵在利用含水层段反复提拉钻具，对泥皮进行彻底破坏，破壁结束后，清孔换浆直至达到下管要求。

 

  （2）安装井管采用提吊下管法。地热水含有多种化学物质，加之温度较高，因此对钻具、管材腐蚀特别严重。因此应选用强度高、热膨胀率小、耐酸、盐腐蚀的管材，或采用石油钻杆和套管。本工程采用石油套管作为井壁管。

 

  将排序后的井壁管丝扣连接依次下入井孔内，为确保连接质量，涂抹丝扣油进行密封。滤水管采用梯形丝滤水管，在滤水管连接段的上中下部位加设5组扶正器，使滤水管居中，确保投填滤料均匀分布。井壁管下至预定位置后进行固定，随后进行换浆及投填砾料的工序。

 

  （3）静压反循环投砾技术的应用。在以往的地热井施工中，投填砾料一直采用动水投砾法，由于砾料在上返水的冲击下，下沉过程中沉降速度慢，滤料容易分选，导致大的滤料在下部，小的滤料在上部，形成分层现象，影响滤水效果，导致井孔涌砂。考虑到该地热井投砾深度更深，投放难度更大，采用了静压反循环投砾技术。具体做法是：

 

  首先井壁管下至到位后，下入钻具至孔底，在孔口位置用密封板进行密封，开动泥浆泵进行管外全孔换浆，将泥浆换至粘度小于17s、含砂量小于2%时，上提钻具，解除孔口密封，进行井管内的冲孔换浆，井管内泥浆换至清水后，即可停泵投砾。

 

  将筛选清洗过的直径1~3mm混合优质石英砂砾料（依据滤水管缠丝间距、含水层岩性而选定）集中堆放于钻场近处备用，数量以预先计算量为准。

 

  静压反循环投砾工艺的关键是在投砾初期形成管内与管外的自循环。为达到此目的，在首次投砾时采用铲车一次投入孔内砾料2~3m3,使孔口形成一个松散的“滤料柱”。该“滤料柱”如同一个“活塞”一样迫使井管壁外泥浆下沉，这样就在井管内外形成一个压差。这个压差促使井管壁外泥浆通过下部滤水管进入井管内上涌，然后由井口回流到井壁外下泄，这样随着首次滤料柱的不断下沉，带动了管内外的泥浆不断流动，反循环条件形成，这时可连续地由3~4人围绕井口不停地投入砾料，随着砾料的不断投入，管内外的压差愈来愈大，反循环形成的流量也愈来愈大，流速愈来愈高，这样砾料在循环液的带动下迅速沉至滤水管的位置。由于砾料是随着循环液同步下沉的，因此避免了砾料的分层现象，同时砾料到位迅速，到位后比较密实，形成的滤层更加稳定，滤砂效果更好。该井投砾量约25m3，40min投砾结束。

 

  （4）止水封闭。投砾结束等待井内外反循环停止后立即进行止水。首先投入直径 2~3cm 干净砾石1.5~2.0m3,压实上部砾料，随后投入4m3半风干蘸机油粘土球（直径2~3cm）进行止水，停待40min进行碎石围填至井口。为防止不同含水层窜层污染，按照前述止水方法对不同含水层进行了4次粘土球隔水止水。

 

  7 效果.

 

  该井固井结束后，立即下入潜水泵进行了洗井。

 

  开抽后6h即达到水清砂净，水位稳定，证明该井成井效果好，洗井容易。其后按常规进行了抽水试验、取样化验。最终确定该井水质为Cl-Na型医疗矿泉水，矿化分段压裂改造技术的扩展应用来说，意义非常重大；同时，对于克拉美丽气田的开发治理，提供了一种较好的完井及增产技术措施。滴403井在钻井项目管理运作上，运用了“钻完井集成项目一体化管理制度”，服务承包商主要承担的工作内容为施工方案论证与设计、各种资源组织与调动、现场生产管理与技术决策和完井技术总结与评估等系列内容；而在现场管理方面，采用了钻井技术总监负责制；在实际项目运作过程中，又结合了现场的各种具体情况，围绕“安全、优质、高效、低耗”灵活组织生产；实践证明，这种组织方式不仅保证了该井的成功，而且大大减轻了甲方的管理负担和风险。