王洪偉

（遼寧省第九地質(zhì)大隊，遼寧鐵嶺112000）

淺談我國地熱井鉆探工藝及方法

王洪偉*

（遼寧省第九地質(zhì)大隊，遼寧鐵嶺112000）

我國地熱資源勘查日益發(fā)展，地熱井鉆探中泥漿正循環(huán)、氣舉反循環(huán)、高壓噴射等鉆探工藝及測井、固井、射孔、掛管、洗井等方法不斷完善和多樣化。論述了我國地熱井鉆探工藝方法的發(fā)展及現(xiàn)狀。

地熱井；鉆探；工藝

1 我國地熱井鉆探施工發(fā)展概況

1.1 20世紀70年代

20世紀70件代，我國僅北京、天津等少數(shù)地區(qū)開展地熱勘查及鉆探施工。最初探采埋藏的地熱資源較淺，一般孔深在500～1000m。采用的鉆探設(shè)備多為XB-1000型巖芯鉆機，配BW240/40和BW240/60等型號泥漿泵。鉆具多為?60mm鉆桿、?108mm和?121mm鉆鋌。鉆探成井工藝多為小徑打大徑擴孔成井的工藝。此時期鉆探效率低、成井周期長、一般完成一眼千米地熱井需8～12個月。

1.2 20世紀80年代

20世紀80年代，我國地熱勘查范圍開始擴大，井深增加，鉆機選用THJ-1500型巖芯鉆機及T-50B型石油鉆機,用于1000～2000m以內(nèi)地熱鉆探。此階段鉆具規(guī)格有：?73mm、89mm鉆桿，?121mm、?146mm、?159mm鉆鋌。采用牙輪鉆頭和刮刀鉆頭全面鉆進方法，普遍采用三級口徑成井，提高了鉆進效率，縮短了成井周期。

1.3 20世紀90年代至今

20世紀90年代開始，地熱勘查在全國范圍內(nèi)逐步全面展開，國內(nèi)水井深井鉆機逐步配套，有GZ-2000型、GZ-2600型、TSJ-3000型等水系列鉆機及石油系列的ZJ30型、ZJ45型鉆機。泥漿泵從水系列的3NB-350、BW-1200泵到石油系列的3NB-500、3NB1300泵，排量逐漸增大，滿足了鉆深2000～4000m的需求。鉆具規(guī)格有：?89mm、?114mm、?127mm鉆桿及?114mm、?127mm雙壁鉆桿，?121mm、?159mm、?178mm鉆鋌等。采用多種鉆探工藝，鉆進效率高，成井質(zhì)量好。一般完成一眼2000m地熱井僅需3～6個月。

2 地熱井鉆探工藝

2.1 泥漿正循環(huán)鉆探工藝

近年來，反循環(huán)鉆探、沖擊鉆探、潛孔錘鉆探等鉆探工藝得到了普遍的應(yīng)用及發(fā)展，但鉆探工藝依然是以正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進為主，具有最廣泛的適用性。

2.1.1 工藝參數(shù)

（1）鉆壓。在較深地熱井鉆探中，鉆壓加不足是最常見的，這是影響鉆探效率的主要因素之一。例如，中軟地層用?216mmHA537鉆頭，推薦鉆壓應(yīng)為107～226kN，但在生產(chǎn)中因鉆鋌和鉆桿質(zhì)量問題，所加壓力一般都比上述值要小。

鉆壓不足對機械鉆速的影響較明顯，尤其是鉆進中硬以上地層時，一般鉆壓僅使巖石實現(xiàn)體積破碎，此時，上返巖屑顆粒較大。因此，要提高鉆探效率，應(yīng)使用質(zhì)量好的鉆具，加足鉆壓鉆進。

（2）轉(zhuǎn)速。牙輪鉆頭主要以牙齒對巖石的沖擊、壓碎和剪力作用來破碎巖石。硬和極硬地層主要靠牙齒對巖石的沖擊、壓碎作用來破碎；極軟和軟地層主要靠牙齒對巖石的剪切作用來破碎；中軟、中硬地層靠這兩種作用同時破碎地層。因而，對于極軟和軟地層應(yīng)采用低壓高速，轉(zhuǎn)速為85～90r/min；對于硬和極硬地層應(yīng)采用高壓低速,轉(zhuǎn)速為60r/min左右。

（3）泥漿參數(shù)。泥漿的主要作用是保持孔底清潔，并維護孔壁穩(wěn)定。地熱井鉆進中，一般較好的泥漿性能為：失水量10～15mL/30min，密度1.05～1.15g/cm3，粘度25～32s，泥皮厚度0.5～1mm，pH值8～10。對于泥巖地層，應(yīng)加入降失水劑，泥漿性能應(yīng)為：粘度20～25s，失水量＜10mL/30min，用好的粘土造漿或提高粘土顆粒含量（能防泥巖造漿）?，F(xiàn)場須配有振動除砂器和旋流除砂器，提高泥漿的質(zhì)量并及時替出廢漿。

（4）泵量。泵量應(yīng)保證孔底干凈，無殘留巖屑?？變?nèi)巖屑過多，不但會出事故，而且影響效率。一般常配的泥漿泵排量由小到大為3NB-350或BW-1200、石油3NB-500、3NB-1300泵。泵量越大攜帶巖屑效果越好。

2.1.2 常用鉆具組合

?445mm或?311mm鉆頭+?178mm鉆鋌+ ?127mm鉆桿；

?216mm鉆頭+?159mm鉆鋌+?89mm鉆桿；

?152mm鉆頭+?121mm鉆鋌+?89mm鉆桿。

2.1.3 鉆探技術(shù)難點

（1）粘鉆及縮徑。地熱井鉆進較厚的第三系泥巖地層及頁巖夾層時，因泥頁巖為水敏性溶脹分散地層，膨脹縮徑、泥漿增稠，鉆頭泥包，在鉆井中常遇到不同程度的遇阻、卡鉆、縮徑等情況。

三牙輪鉆頭鉆進泥頁巖時，巖屑常存于牙齒之間，形成“泥包”。其主要原因是：泵量??；由于造漿作用，孔底泥漿粘度較大；牙輪自轉(zhuǎn)不靈活。

克服粘鉆和縮徑的措施有：加大泥漿泵排量，選用大排量泥漿泵，優(yōu)質(zhì)泥漿等技術(shù)措施。有條件時應(yīng)選用大排量石油系列泵，如3NB-500、3NB-1300泵等。

（2）漏失。在熱水層中鉆進時，會遇到漏失情況，有時漏失嚴重不返漿。熱水儲層為白云巖、灰?guī)r、砂巖時，孔壁穩(wěn)定性較好，因而可采用清水頂漏鉆進。在取水目的層以上鉆進時，對于小漏失，可以在泥漿中加鋸未或堵漏劑進行堵漏；較大漏失時，可向孔內(nèi)投入粘土球或用水泥堵漏。對于難于堵住的大漏失，可改用氣舉反循環(huán)鉆進，也可下管封隔，或采用泡沫泥漿鉆進。堵漏方法較多，可根據(jù)地層和實踐經(jīng)驗進行選擇。

2.2 氣舉反循環(huán)鉆探工藝

氣舉反循環(huán)鉆探工藝能避免泥漿對環(huán)境的污染及對含水層的淤塞，并能克服地層漏失。在目的層鉆進時采用該工藝不但可以免去化學洗井工序，而且能最大限度提高巖層的產(chǎn)水能力。

氣舉反循環(huán)鉆探工藝在硬件配備上只需空壓機、氣水混合器、雙壁鉆桿、雙壁主動鉆桿及配套水龍頭。對于較深的鉆孔，需配備大馬力的空壓機。難點是雙壁鉆桿的密封問題。

鉆具組合：?311mm、?216mm或?152mm鉆頭+鉆鋌+鉆桿+氣水混合器+?114mm或?127mm雙壁鉆桿+雙壁主動鉆桿。

鉆探工藝參數(shù)：沉沒比＞0.5。一般應(yīng)配置較大馬力的空壓機。其功率為190kW,空氣壓力排量最大為25MPa。

例如，某地熱井取水目的層采用氣舉反循環(huán)鉆探工藝。采用GZ-2600型鉆機，WY-7.5/40型空壓機，設(shè)計孔深2400m；鉆具組合（取水目的層）：?152mm鉆頭+?121mm鉆鋌+?73mm鉆桿+氣水混合器+?127mm雙壁鉆桿+雙壁主動鉆桿。氣舉反循環(huán)鉆探工藝施工井段從2070.07～2401.02m，共計進尺330.95m，鉆探總臺時400.34h，單位輔助時間0.52h/m，純進尺效率提高到1.45m/h。

2.3 高壓噴射鉆探工藝

隨著深部地熱資源的開采，地熱井深度的加大，石油鉆探隊伍及設(shè)備進入地熱鉆探市場，采用高壓噴射鉆探工藝，大大提高了鉆探效率和成井質(zhì)量，尤其是克服了泥頁巖泥包鉆頭的問題，縮短了工期。

高壓噴射鉆井是采用噴射式鉆頭，以很高的泵壓使泥漿自鉆頭噴嘴產(chǎn)生很高的噴射速度（最高達75～100m/s）的一種鉆井工藝。它一方面可以利用高流速的泥漿沖刷井底，幫助鉆頭破碎巖石；另一方面又能更好地清洗井底和鉆頭，加速鉆進。高壓噴射鉆井要求配備大功率的強力泵，相應(yīng)地配合使用低固相泥漿，保證泥漿的除砂和凈化效果。使用這種鉆井工藝可以提高鉆速1～2倍，大大提高了地熱井鉆井效率。

例如：在鐵嶺金峰小鎮(zhèn)選用水源鉆機施工一眼2600m井需要6個月左右，而選用石油鉆機和高壓噴射鉆探工藝施工2600m井僅需3個月左右，效率提高一倍，不僅大大縮短了工期，還提高了成井效率。

3 地熱井完井工藝

3.1 測井

普遍采用物探測井的參數(shù)，即自然電位、梯度電阻率、電位電阻率、井斜及井溫參數(shù)，目的是較準確地劃分出含水層來。

測井雖然是劃分地層和確定含水層的重要手段，但一定要結(jié)合巖屑錄井即實際地層和巖性進行解釋，不能簡單地依靠統(tǒng)一模式和程序進行解釋。因測井參數(shù)具有多解性，不結(jié)合實際地層和巖性解釋測井結(jié)果，將會對成井造成誤導。

3.2 固井

溫度是地熱井的重要標志，為提高溫度一定要把較低溫度的地層和含水層封住，因此固井是重要環(huán)節(jié)。最好對于花管或裸孔以上段全孔進行固井。固井應(yīng)該用專用設(shè)備、專業(yè)隊伍進行。特別是對于不同管徑間的環(huán)空處，一定要用水泥固好，否則很可能會影響出水溫度。

3.3 射孔

隨著石油勘探技術(shù)的引入，射孔是提高出水量的一個有效方法。鐵嶺凡河ZK1地熱井，經(jīng)過多次多方法洗井水量水溫達不到要求。后根據(jù)測井曲線及巖屑錄井選擇了三段進行射孔，射孔段分別為945～950m、1025～1035m、1055～1060m，共計20m射孔。結(jié)果出水量從開始500m3/d增加到810m3/d，溫度從30℃提高到36℃。某地熱井，經(jīng)過多次多方法洗井水量仍很小，無法使用。后根據(jù)測井曲線及巖屑錄井選擇了已封孔的四段進行射孔，射孔段分別為697～701m、712～716m、722～728m、920～926m，共用127彈射了4段，計20m。結(jié)果出水量從幾乎干眼到400m3/d，出水溫度達到46℃。通過射孔救活了該地熱井。在此井成功的基礎(chǔ)上，該地區(qū)又進行第二眼地熱井的施工，水量、水溫均又有大幅度地提高。

3.4 掛管

掛管也是隨著石油勘探技術(shù)的引入應(yīng)用到地熱井施工中來的。鐵嶺凡河ZK1井原設(shè)計熱儲層（白云巖）埋深1600m，設(shè)計井身結(jié)構(gòu)為三開結(jié)構(gòu)，設(shè)計0～1600m全下管固井，取1600m以下的水層。但實鉆至655m就見到了熱儲層（白云巖），至1100m巖性變?yōu)槭⑸皫r，石英砂巖含水性較差。為保留住熱儲層（白云巖），鉆孔結(jié)構(gòu)由三開變?yōu)槎_，最后采用掛管技術(shù)保留了該井的熱儲層（白云巖）段，從而保證了該井的最后成井（水量810m3/d，出水溫度36℃）。

3.5 洗井

地熱井常用的洗井方法有焦磷酸鹽洗井、活塞洗井、酸化洗井、液態(tài)二氧化碳洗井、空壓機洗井等。

隨著鉆井深度的增加，常用的洗井方法有時達不到徹底洗井的目的，水量洗不出來。因此近年來采用了大功率空壓機（250個壓力以上的大型空壓機）進行氣舉和氣水混合洗井的方法，如果引進石油系統(tǒng)的壓酸、壓裂方法洗井方法將取得更好的效果。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)我國各地區(qū)的地層特點及熱儲層埋藏深度選擇先進設(shè)備和配套機具，確保機具的合理級配。

（2）根據(jù)我國各地區(qū)的地層特點及熱儲層埋藏深度選擇不同的鉆探工藝進行施工，也可以采用多種鉆探工藝交叉的方法進行施工（如正循環(huán)方法、反循環(huán)方法）。

（3）固井是地熱井施工的重要環(huán)節(jié)。固井作業(yè)前必須做好設(shè)計，選擇專用固井設(shè)備及優(yōu)質(zhì)水泥保證固井的成功。

（4）地熱井的成井關(guān)鍵在洗井，可以采用機械洗井、化學洗井的同時,采用大功率空壓機進行氣舉和氣水混合洗井的方法，可取得較好的效果。

（5）引用石油鉆探施工先進工藝進行地熱井鉆井成井施工。如掛管技術(shù)、射孔技術(shù)及固井技術(shù)等工藝。將會大大提高地熱井的成井率及成井的出水量和出水溫度。

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A

1004-5716(2015)02-0039-03

2014-03-18

王洪偉（1961-），男（漢族），遼寧遼陽人，高級工程師，現(xiàn)從事鉆探工程技術(shù)管理工作。