趙 巖，仲玉芳

(河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北邢臺054001)

地熱作為一種清潔能源，已成為醫(yī)療保健、旅游、休閑娛樂及溫泉種植養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要載體，對促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有十分巨大的拉動作用。貴州省雷山縣某公司特委托我隊實施地熱勘探井的施工任務。通過該井基本查明勘查區(qū)熱儲單元結構及地質(zhì)特征，評價地熱資源求取相關參數(shù)。

1 地層特點與鉆井難點

1．1 地層特點

區(qū)內(nèi)熱礦水的形成條件受區(qū)域構造的控制，主要受控于北東向多期復活斷裂(西江正斷層帶)，西江正斷層是勘查區(qū)內(nèi)地熱流體的導熱、導水通道。如圖1所示，該斷層走向北東，傾向北西，傾角45°～75°。地層斷距一般在2000 m，最大者可達5000 m。斷層北西盤以硅化、小撓曲、羽毛狀裂隙等為特征;南東盤以千枚化、劈理發(fā)育和具拖拉褶曲為特征。斷層兩盤角礫巖、破碎帶極為發(fā)育;區(qū)域上沿斷裂帶上升泉發(fā)育。該斷層形成于雪峰期，加里東期有劇烈活動，喜馬拉雅期也有活動，系多次活動斷層。該斷裂受晚近期構造運動影響，具有差異性，繼承性，斷距、斷裂深大的特點為區(qū)域溝通深部上地幔熱源，地下水向下深部滲流提供了良好通道。

1．2 地層特點及井身結構

根據(jù)地質(zhì)剖面圖(見圖1)結合該區(qū)物探報告，

該井地質(zhì)特點及井身結構如表1所示。

圖1 貴州省雷山縣丹江鎮(zhèn)陶堯地熱水資源勘查地質(zhì)剖面圖

1．3 鉆井難點及對策

由于該區(qū)域以西江斷裂(F1)為區(qū)內(nèi)主干構造，力學性質(zhì)上具扭壓性特征，傾角高陡，地面實測傾角較大，一般在45°～70°。在傾斜的層狀地層中鉆進時，地層傾角越大，成層性越強。鉆頭在破碎呈傾斜的層狀巖石時，由于兩側(cè)破碎的不均衡產(chǎn)生的增斜力，迫使鉆頭改變方向，造成孔斜。本孔采用滿眼鉆具的防斜。保證下部鉆鋌有盡可能大的剛度，穩(wěn)定器與井眼之間的間隙盡可能小。滿眼鉆具能承受較大鉆壓，因而能獲得較高的機械鉆速。

表1 地層特點及井身結構

開孔使用纖維素(CMC)控制濾失量，并提高鉆井液粘度，達到凈化孔底懸浮鉆屑的能力。CMC抗溫120℃，抗溫性較差，隨孔深的增加而加速老化，影響本孔安全鉆進。本孔中后期施工使用抗溫性能較優(yōu)的“大鉀”(KPAM)，抗溫可達160℃，作包被劑;銨鹽(NH4HPAN)抗溫可達150℃，調(diào)整濾失量，來滿足本孔深井段的施工。

本井施工裸眼井段較長，鉆孔較深，起下鉆摩阻大。二開后增添使用改性瀝青粉(KAHM)，堵塞和覆蓋微裂縫，形成較堅韌的泥皮，改善孔壁穩(wěn)定性;還可起到潤滑鉆具降低摩阻的作用。

二開后鉆具分階段使用防磨膠套，減輕鉆具對表層套管的“鞭擊和研磨”作用。避免鉆柱與套管長期磨損而破裂。

2 鉆井設備及參數(shù)優(yōu)配

2．1 鉆井設備

主要施工設備如表2所示。

表2 主要設備

2．2 鉆頭選型(見表3)

表3 鉆頭選型

2．3 參數(shù)優(yōu)配(見表4)

表4 參數(shù)優(yōu)配

2．4 鉆具組合優(yōu)化依據(jù)

牙輪鉆頭適用性較強。其牙齒與井底的接觸面積小，比鉆壓高、工作扭矩小、工作刃總長較大，因此牙輪鉆頭可適用于多種性質(zhì)的巖石。但我們地勘行業(yè)施工地熱井時雖然也使用牙輪鉆頭，但使用效果較差。這與我們鉆具組合不合理有很大關系。使用的鉆鋌少，所給到鉆頭的壓力較小，鉆頭比鉆壓很小，達不到額定的比鉆壓值，降低了鉆頭進尺能力。應根據(jù)鉆頭及設定的最大鉆壓，得出鉆鋌的中和點距鉆頭的距離，結合設備的提升范圍，確定鉆鋌數(shù)量，達到合適的比鉆壓值，以提高牙輪鉆頭的使用效果。滿眼鉆進才可以發(fā)揮效果，以快保滿，以滿保直。鉆進中采用強化措施，不僅使鉆進速度快，且井徑規(guī)則，才能打直井。

各次開鉆，由設計牙輪鉆頭(3A)最大鉆壓計算鉆鋌長度。

由零軸向應力截面確定:

式中:LZ——零軸向應力截面距鉆頭距離，m;PB——設計最大鉆壓，N;H——井深，m;AP——鉆桿橫截面面積，cm2;ρm——鉆井液密度，g/cm3;qc——單位長度鉆鋌在空氣中的重力，N/m;AC——鉆鋌橫截面面積，cm2。

為防止送鉆不均，零軸向應力截面落在鉆桿上，應在計算的基礎上添加一個安全系數(shù)，取24 m，來確定鉆鋌的長度。下同。

鉆鋌實際長度112.8 m滿足要求。鉆具全重37.426 t(DC 28.171 t，懸重31.9 t)在設備提升(鉆柱質(zhì)量max=57 t)范圍之內(nèi)。

鉆鋌實際長度169.2 m滿足要求。鉆具全重52.556 t(DC 24.243 t，懸重44.47 t)在設備提升(鉆柱質(zhì)量max=57 t)范圍之內(nèi)。

鉆鋌實際長度206.8 m滿足要求。鉆具全重53.442 t(DC 15.3 t，懸重44.86 t)在設備提升(鉆柱質(zhì)量max=57 t)范圍之內(nèi)。

2．5 鉆具組合

2．5．1 一開

(注:3A——牙輪鉆頭，STB——穩(wěn)定器，DC——鉆鋌，DP——鉆桿，下同)

2．5．2 二開

2．5．3 三開

3 鉆井工藝

3．1 一開(0～600 m)

一開井段易井斜，鉆具組合(1)按設計“吊打”鉆進。在破碎帶、軟硬互層交界面，取鉆壓與轉(zhuǎn)速上限，待鉆至一定深度后恢復正常參數(shù)，防止因在地層交界變化，由鉆進參數(shù)不當造成的孔斜。維持鉆井液中高粘度，確保懸砂攜屑、勤劃眼修復井壁，保證井眼暢通。不在易塌層段定點循環(huán)。一旦發(fā)生井塌，劃眼時，選用小排量開泵，逐漸增大泵量，并提高泥漿粘度(粘度提高10～15 s)避免憋漏地層引起更嚴重的坍塌，下套管前，起鉆掛卡超過50 kN，須用鉆具組合(2)進行通井，然后用20 m套管柱進行通井。

鉆井液維護處理:一次性配置膨潤土漿80 m3(水+0.4%Na2CO3+10%鈉膨潤土)、密度1.08～1.10 g/cm3的膨潤土漿開鉆。鉆進過程中逐步補充預水化膨潤土漿和0.3%CMC膠液(CMC膠液應置于不同容器中分別調(diào)制)，保證鉆井液具有較強的攜砂能力。一開井徑較大，鉆井液環(huán)空返速0.29 m/s，較低，不利于環(huán)空巖屑凈化。增加循環(huán)時間，每次加鉆具依然受阻，不能到底，采取劃眼的同時配置5～10 m3鉆井液(水 +15% ～25%土 +1%Na2CO3+0.75%CMC;馬氏漏斗粘度計無法測量粘度)打入孔內(nèi)循環(huán)16.1 min后，至添加鉆具順利到底。發(fā)生同類問題均重復一次上述方法。一開鉆完后充分洗井，調(diào)整好鉆井液性能，確保下表層套管、固井施工順利。

3．2 二開(600～1700 m)

二開鉆進使用鉆具組合(2)。鉆水泥塞時將污染嚴重的鉆井液放掉，其余鉆井液加入濃度0.3%～0.5%小蘇打膠液清除鈣離子。鉆水泥塞和159 mm鉆鋌出套管鞋前，鉆壓要求控制在10～30 kN。二開開始采用15～17 L/s鉆進140～200 m，后改用鉆具組合(1)，使用設計泵量鉆進。滿眼鉆具鉆進期間每鉆一單根，快速劃眼一次，并適當循環(huán)，保證井眼清潔，避免沉砂卡鉆。下鉆平穩(wěn)操作，漏失井段鉆具下行速度≯20 m/min;下鉆到底提前一個單根開泵循環(huán);控制起下鉆速度，遇有掛卡，不得高于當時懸重的30 kN，否則開泵倒劃眼或下放暢通井段調(diào)整鉆井液性能后再試起鉆;每起3柱鉆具向井內(nèi)灌滿鉆井液一次。加長防磨套使用，使表層套管井段每5根鉆具不低于1個，并且每起趟鉆檢查一次，及時更換、調(diào)整。

鉆井液維護處理:將一開鉆井液凈化后用于二開鉆進，鉆井液補充配方(水+8%鈉膨潤土+0.1%NaOH+0.2%～0.4%KPAM+0.2%CMC+0.5%～0.6%NH4HPAN+1% ～2%KAHM)隨井深的延伸逐步減少 CMC用量，使用抗溫性能較優(yōu)的包被劑KPAM，配制成膠液補充;NH4HPAN調(diào)整濾失量，輔以KAHM封堵破碎帶層理微裂縫，避免泥漿濾液侵入地層，起到降低泥餅摩阻。

3．3 三開(1700～2300 m)

三開裸眼井段較長，鉆井液排量滿足設計要求，提高攜巖能力。泵壓下降，即停鉆檢查，地面未查出原因，應起鉆檢查鉆具。避免鉆井液“短路”引起沉砂卡鉆及鉆具失效。

鉆井液補充配方:水+6%鈉膨潤土 +0.1%NaOH+0.3%KPAM+0.2%PAC+0.6%～0.9%NH4HPAN+2%KAHM。F1斷層與F3斷層之間的影響帶，可能破碎，需高分子泥漿護壁。增加KPAM與KAHM的使用量，不定期加入PAC膠液，保持鉆井液對Ca2+的抑制性。

4 止水固井

4．1 第一次固井(為表層套管下入后的固井)

將表層套管連接浮鞋下入距離井底3 m處，灌滿排空，連接水泥頭及固井管線，低泵沖打通，分階段提高泵速，循環(huán)量不少于2個循環(huán)，要求振動篩干凈，井眼內(nèi)無沉砂。后泵入5 m3前置液(清水)，注水泥漿19.21 m3(水灰比0.5，密度為1.85 g/cm3)，投頂膠塞，高泵速替泥漿28.31 m3，至尾漿出鞋到內(nèi)外平衡前，然后緩慢替漿到碰壓。停止頂替，憋壓2 h。泵壓未降，證明孔內(nèi)不漏水，固井成功。

4．2 第二次固井(為技術套管下入后的固井)

技術套管套管柱采用傳統(tǒng)的逆止閥泵入壓漿法固井，用42.5R優(yōu)質(zhì)水泥漿10.13 m3。89 mm DP連接套管頭將技術套管下到指定深度，倒開套管頭起出套管頭。下89 mm DP連接逆止閥絲扣，泥漿泵通過鉆桿將前置液(清水)和水泥漿從旋流短節(jié)(盂式止水器上第一根管底部加焊鋼板封閉，在管體上沿螺旋線割20個89 mm的圓形返漿孔，使旋流上返，利于替泥漿，提高注水泥質(zhì)量;旋流短節(jié)上端焊接逆止閥)壓入環(huán)空，換用適量清水清洗鉆桿內(nèi)殘留水泥漿。用水泥封閉兩級套管重疊部分的管間環(huán)狀間隙，保證了地熱井的封閉質(zhì)量。

5 洗井

下江群烏葉組(Ptbnbw)與西江斷裂段熱儲層(1386～2300 m)為本井的主要取水段。洗井時，先下鉆頭掃通逆止閥與下部盲板，下鉆至含水層底部清水沖掃鉆孔，目的是用清水把井內(nèi)泥漿替換出來，用毛刷刷洗井壁充分暴露目的層裂隙，增大洗井化學液的接觸面積，為下一步化學洗井做準備。

用焦磷酸鈉(濃度0.8% ～1.0%)分2次浸泡取水段(每次浸泡12 h)可使附在井壁上不易脫落的泥皮脫落，后用清水沖洗，直到水清砂凈。在孔口處封住環(huán)空采用鹽酸(濃度10%)壓入洗井，注入鹽酸的量為整個取水地層井筒容積的量，在注入鹽酸后每間隔30 min注入一次清水(共注入3～5次)使鹽酸充分反應，以達到避免堵塞裂隙通道增加裂隙的寬度及出水量的目的。將酸液注入含水層孔隙內(nèi)，待洗井液全部灌完后，用清水將鉆桿柱內(nèi)的酸液頂出，即可停泵，保持灌酸壓力至反應時間結束。

再次用清水沖洗，至水清砂凈后下入80 m3/600 m熱水潛水泵進行試水工作。

6 結論及認識

(1)優(yōu)選鉆頭、合理選擇鉆具組合、優(yōu)化鉆井參數(shù)是提高速度的必備條件。斷裂帶采用滿眼鉆進可有效防斜。

(2)優(yōu)選鉆井液體系，優(yōu)化鉆井液性能，有利于深孔攜屑、井壁穩(wěn)定，為提高機械鉆速提供良好的井眼條件。

(3)固井止水質(zhì)量較好。從管串開始做好每一項工作按照程序?qū)嵤?，保證了固井質(zhì)量。

(4)洗井效果較好。雖然達到合同要求，若洗井時輔以空壓機振蕩洗井，使管內(nèi)、外的水柱產(chǎn)生壓差，水在涌入過程將井壁的泥皮沖毀，會加快洗井進程，縮短交井時間。

［1］ 譚松成，段隆臣，葉雪峰，等．硬巖鉆進用石油鉆頭研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．地質(zhì)與勘探，2013，49(2):373 －378．

［2］ 劉同富，裴建忠，王安泰．勝利油田中深井優(yōu)快鉆井技術［J］．石油鉆探技術，2003，31(4):7 －8．

［3］ 盧予北．地熱井常見主要問題分析與研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2004，31(2):43 －47．

［4］ 李明，林文彬．水井洗井技術的探討［J］．西部探礦工程，2008，(8):77．

［5］ 穆劍，等．鉆井液及處理劑評價手冊［M］．北京:石油工業(yè)出版社，2007．11．

［6］ 劉希圣．鉆井工藝原理［M］．北京:石油工業(yè)出版社，1988．9．

［7］ 塔里木石油勘探開發(fā)指揮部鉆井監(jiān)督辦公室．鉆井監(jiān)督指南［M］．北京:石油工業(yè)出版社，1999．7．

［8］ 中國地質(zhì)調(diào)查局．水文地質(zhì)手冊［M］．北京:地質(zhì)出版社，2012．