福州花岗岩区大直径地热深井主要钻井技术

  摘 要 在福州大直径地热深井钻探施工中,使用钻井能力大于600 m的大型水文钻机及相关配套设备,选用HA、HJ系列掌背强化金刚石保径、中-高抗压强度镶齿三牙轮钻头,采用气举反循环钻井工艺,成功施工十余口550~1 200 m优质高温大口径地热深井,介绍了其主要钻井技术,对今后深层回灌钻井施工具积极的作用。

 

  关键词 花岗岩区 大直径 地热 钻井技术

 

  1 区域地质概况。

 

  福州盆地温泉资源丰富,水质好、温度高,贮存于第四系松散层及深部基岩构造裂隙中,热田面积约5 km2,呈南北狭长带状分布于市中心。盆地机井开采始于上世纪70年代初,至90年代中期井深一般都在300 m以内,经过三十多年的发展,福州市区地热勘探开发已取得了突破性进展,至今盆地上地热钻井总数已愈百口。2000年以来热田主要开采基岩裂隙水,钻井特点是口径大,终孔口径不低于U150 mm,钻孔深,一般为600~1 000 m,最大井深已超过1 200 m。

 

  福州盆地第四系松散沉积层厚度较薄,主要为海积淤泥及冲洪积砂土层;底部基岩为燕山晚期侵入的中粗粒黑云母花岗岩和花岗闪长岩等;第四系松散沉积层底部一般为泥质砂砾卵石层直接不整合覆盖于基岩上,基底多有辉绿岩、花岗斑岩等岩脉侵入。

 

  热田主要断裂有北北西走向张扭性断裂与北东东走向压扭性断裂两组,福州地下热水主要受北北西走向(八一水库)树兜)王庄)张扭性断裂控制。该组断裂倾向北东,倾角80b~85b,在福州盆地中为一隐伏断裂,上部为第四系沉积物覆盖,基底断裂带岩石破碎,节理发育,蚀变强烈,可见碳酸盐、硅质胶结的结构角砾岩,裂面上有氟石、方解石充填胶结物,断裂带内岩石绿泥石化、钾长石化蚀变强烈?。

 

  2 设计和技术要求及设备。

 

  211 技术要求。

 

  (1)根据/福州市中心城地下热水资源保护与开发利用专业规划0(2000 -2020)要求新设计的地热井井深必须超过500 m。

 

  (2)成井口径一般为U325 mm或U377 mm及以上无缝钢管或不锈钢井管,要求进入新鲜基岩不少于1 m,且深度不少于70 m,井管外环采用水泥浆液固井。

 

  (3)终孔口径不低于U150 mm,设计一般均为U152mm。

 

  (4)洗井为机械联合空压机洗井,抽水试验根据具体情况选用热潜水泵或空压机进行。

 

  (5)钻孔垂直度要求成井管下入孔段孔斜不超过1b,每递增百米不超过1b。

 

  (6)钻孔施工到新鲜基岩后应进行水文观测,下管、变径及每百米处应进行孔深校正。

 

  (7)第四系和基岩风化层可用泥浆护孔,下完井管后,基岩必须采用清水钻进;为保证成井质量、及时排除孔内钻渣、保持裂隙畅通与钻孔垂直度,孔深200 m至终孔段一般应采用反循环钻进工艺。

 

  212 钻井结构设计。

 

  根据设计技术要求,结合福州盆地地质条件与场地状况进行钻井结构设计,开孔口径为U500 mm,遇旧基础进行人工开挖,施工至70 m孔深或进入新鲜基岩后下入井管;成井施工完毕二开祼眼选用U311 mm或U244 mm径,施工至孔深75 m左右,下入U219 mm技术套管;三开U194 mm径施工至孔深200 m左右;其后用U152 mm口径施工至终孔。福州一般地热钻井结构设计图(图1)。

 

  213 施工设备。

 

  主要施工设备与机具选择大型水文水井钻机(钻进能力大于600 m)及配套钻塔、大泵量往复式泥浆泵、大排量适当压力空压机、各规格钻铤钻杆和牙轮钻头(表1)。

 

  3 主要钻井技术。

 

  钻井施工采用以气举反循为主的牙轮钻进工艺。开孔后大直径段采用正循环方法钻进、优质泥浆护壁钻探工艺,严格按/大直径钻进成孔y替浆y测井y下成井管y固井候凝0工艺流程进行成井施工;基岩裸眼采用牙轮钻头清水钻进,根据设计要求与地层破碎情况合理选用正循环、气举反循环或正反循环相结合钻探工艺。

 

  311 牙轮钻进。

 

  (1)牙轮钻井,钻压采用钻铤加压,取值为5100~12100 t;转速为25~8713 r/min,178福 建 地 质 Geology of Fujian第 30 卷泵量为630~1 200 L/min。钻进效率受钻压影响大,孔深200 m以上由于钻压不足钻速不理想,随孔深钻压增加,钻速增大。

 

  (2)钻头选择与使用,根据福州盆地花岗岩硬度高、颗粒较粗、研磨性较强的特点,选用HA、HJ系列掌背强化金刚石保径、中-高抗压强度镶齿三牙轮钻头。按各孔段长度,合理配置各规格钻头数量,同径牙轮钻头应进行编号分选排队,从大至小按顺序下入使用,并做好钻头卡片管理;新钻头下入应先选用小参数初磨适应后再恢复至正常钻进参数,一般单个钻头进尺宜为60~80 m。

 

  序号主要机具名称主要性能指标1 SPS -2000钻机钻进能力2000 m 功率110kW2 S -600钻机钻进能力600 m 功率37kW3 BW1200泥浆泵功率75kW4 FW-5 /40A空压机5m3/min 4 MPa 功率75kW5U230 -121 mm钻铤6U89、73 mm钻杆7U500 -152 mm牙轮钻头312 气举反循环钻进。

 

  (1)钻具选用气举反循环钻探工艺,底部钻具组合与正循环钻进相同,上部U89 mm钻杆经变径接头与汽水混合器及U127/70 mm双壁钻杆相连,双壁钻杆上接气动主动钻杆。

 

  (2)钻进时,压缩空气自主动钻杆与双壁钻杆内环间隙通道输入,经混合器在钻杆内产生大量气泡,钻杆内外液柱形成压力差,在压力差的作用下孔底钻渣自钻杆中心通道吸出地表,保持孔底干净,较好地解决了破碎地层的坍塌掉块现象。

 

  (3)参数控制,混合器沉没比0160~0175;盆地施工钻孔静水位一般为13~18 m,混合器埋深60100~127150 m;气压0150~1110 MPa。

 

  (4)施工时钻井遇局部极破碎地层,应控制好钻速,因为在裂隙发育地层钻进中,钻速过快易产生大颗粒岩屑堵塞钻杆通道,气举容易失败需提钻清除。

 

  313 成井固井。

 

  校正孔深及清孔替浆后,将井管编号按顺序下入,并做好各井段的护正措施,下入完毕进行井口位置复核;固井一般采用纯水泥浆液,选用P3215及以上标号普通硅酸盐水泥,水灰比0145~0150,固井包括直接固井、外环固井和活塞固井。

 

  (1)直接固井在井管下入完毕,将帽头与井管口连接,利用泥浆泵将配置好的水泥浆液直接压入管内,同时将管内外的清水、泥浆压出地表,直至井口反出水泥浆为止。该方法操作简单,但会造成工料浪费,同时井管内产生大量水泥浆固结,容易产生孔内隐患。

 

  (2)外环固井在井管下入过程中,于管外侧均匀安装3~4根U20~30 mm注浆管,利用注浆泵把水泥浆从注浆管内压入,至孔口反出新鲜水泥浆止。该方法质量可靠、压浆量准确可控,但操作烦琐,不易操作,成本较高,注浆管难于循环使用。

 

  (3)活塞固井顺序为?成井管下入前,将固井管鞋与底管连接,下入完毕提离孔底30~50 cm复核井管中心并固定;?用钻杆将固井活塞下入与管鞋封密,将水泥浆液利用泥浆泵沿钻杆中心通道输送至孔底井管外环由下向上反托泥浆固井,直至井口返出水泥浆止;?

 

  下落井管至孔底使井管内外间隙完全封闭,防止提升活塞时未凝固的水泥浆液在压力作用下压回井管内,再次复核井管中心,将井管中心与钻井中心偏差控制在1 cm以内,上提固井活塞对井管内清水循环清理;?固井完毕候凝时间超过72 h后再进行下步工序施工。

 

  该方法能准确计算并控制固井水泥浆用量,并可彻底清除输送管道及井管内残留的水泥浆液,免扫除井管内水泥结块。盆地XG13 (井深1 003157 m)、XG12 (井深1 205168 m)、XG2 (井深555178 m)三口井采用此方法施工,固井效果良好。U377 mm井管固井活塞及管鞋。

 

  314 抽水试验。

 

  (1)自2000年后,一般采用30~80 t/h热潜水泵或大排量空压机进行抽水试验。空压机抽水采用同心式,利用U219mm套管为出水管,下入U15mm钢管为风管(下接混合器),井口封闭,混合器沉没比可按55%~65%控制,空压机可利用反循环施工空压机。

 

  (2)涌水量采用三角堰箱测量查表法或水表直接读数法,水温采用水银或数字温度计直接测孔口返水温度。

 

  (3)水位测量由万用表、导线及触头组成的电动水位仪进行。

 

  盆地施工XG13井与XG12井分别采用同心式空压机与热潜水泵进行抽水试验,试验成果。

 

  315 垂直度质量控制、(1)设备安装时保证天车中心、转盘中心及钻井中心处于同一铅垂线上。

 

  (2)钻进卵石及风化岩(残留体)等易斜地层时,应控制好转速、压力等技术参数,防止孔斜。

 

  (3)下井管及技术套管时应对井(套)管中心进行复核,与钻井中心偏差小于1 cm。

 

  (4)钻具组合由钻头+导正器+钻铤+导正器+钻铤+单(双)壁钻杆+主动钻杆。每径均应有钻具导正措施,导正器长度宜大于10 m,同时变径施工时应带大一径导正器。

 

  (5)U152 mm井段钻进,宜采用稳定器导向,钻头按直径大小排队使用,新钻头单次进尺一般不宜超过80 m。

 

  (6)按设计要求测孔斜,发现问题及时处理。

 

  316 注意事项。

 

  (1)钻塔底座要安装平整、坚固。应根据现场条件、设计孔深与技术要求合理选用钻井设备,必要时须进行大型钻探设备基座专项设计与施工,基座平整度应控制在1%以内。

 

  (2)孔深超过300 m后应使用水刹车下钻,确保下钻安全。

 

  (3)应根据福州市相关工地建设要求做好现场安全生产与文明施工。

 

  (4)按安全规程操作,及时进行各运转部位检查保养,严禁设备带病作业。

 

  (5)非钻进时间,井口应用东西遮盖,严防地面东西掉入。

 

  (6)提下钻应保持速度均匀,若遇孔内事故,严禁强力起拨,以防事故恶化。

 

  (7)使用气举反循环时,可能产生高压热水,应安装防喷装置或溢流措施,防止被烫伤。

 

  (8)施工前砌筑好泥浆池、沉淀池及循环槽,围好井口,为上部正循环及下部气举反循环施工提供条件。

 

  4 结语。

 

  福州热田自2000年开始采用牙轮钻进技术,至今已成功施工十余口大直径优质高温深井,井深550~1 200 m,出水量25~115 t/h,返水温度80e~100e,台月效率320~480m/台月。XG13、XG12二口超千米井的成功施工验证了福州热田中深部地热含水层的存在,标志着福州热田花岗岩区大直径地热深井施工技术日趋成熟,对福建大直径深井钻探及今后深层回灌钻井施工具有积极的作用。同时也应清醒地认识到目前福建大直径深井钻探技术水平与国内发达省份还有较大差距,一些常用的工艺措施还未采用,需进一步完善和改进。

 

  (1)福州热田中浅井段基岩地层钻进效率有待提高,气举反循环钻进工艺还未全部掌握,还没发挥其应有的功效。

 

  (2)地热资源是福州温泉城市建设发展重要的组成部分,应对地热钻井技术进行总结、提升,形成区域性的行业施工标准,用以指导实际施工。

 

  (3)加强施工队伍建设和管理,培养大直径深井钻探专业技术人才与施工队伍。

 

  (4)加强探索南方花岗岩区大直径深部钻探技术,为回灌井及干热源深井钻探施工作技术准备。

 

  (5)发展钻井文化,将钻井文化、温泉文化、城市文化溶为一体,也是地热钻井工作的一个重要工作方向。