陳建兵，張 斌

(陜西工程勘察研究院，陜西 西安 710068)

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定向鉆井技術(shù)在咸陽地區(qū)地熱井施工中的應(yīng)用

陳建兵，張 斌

(陜西工程勘察研究院，陜西 西安 710068)

咸陽市位于汾渭盆地南段的渭河斷陷盆地中部，地熱賦存條件良好，地熱水水質(zhì)優(yōu)良、水量充沛，地熱資源非常豐富。采用定向鉆井技術(shù)，已在咸陽市成功鉆成多口定向地熱井，取得了良好的經(jīng)濟效益，本文對定向鉆井技術(shù)工藝進行論述，通過選擇合適工具，對定向井進行合理設(shè)計等手段，并對施工工藝及難點進行嚴格把控，使該定向鉆井技術(shù)在地熱井施工中取得了良好效果，為咸陽市合理規(guī)范開發(fā)地熱資源積累了經(jīng)驗。

定向鉆井；咸陽地區(qū)；地熱井；定向井施工

1 區(qū)域概況

地熱資源集礦、能、水于一體，是一種優(yōu)質(zhì)、清潔、可再生的能源,具有很高的經(jīng)濟價值和利用價值。目前地球環(huán)境日趨惡化、常用能源逐漸短缺，而地熱資源儲量巨大、清潔環(huán)保、綜合利用價值高，已受到世界很多國家的關(guān)注。咸陽處于汾渭盆地南段的渭河斷陷盆地中部，莫霍面埋藏淺，地熱賦存條件良好，地熱異常明顯，地熱分布面廣，地熱水水質(zhì)優(yōu)良、水量充沛，地熱資源非常豐富。目前，咸陽地熱資源開發(fā)應(yīng)用于城市供暖、洗浴、旅游、休閑保健和農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖等領(lǐng)域。為合理利用地熱資源，充分發(fā)揮地熱資源的優(yōu)越性，解決一些實際問題，采用定向鉆井技術(shù)，在一些受限制地區(qū)設(shè)計鉆探定向地熱井，已成功鉆成多口定向地熱井，獲取了非常好的經(jīng)濟效益。同時，也獲取了一定地熱鉆井經(jīng)驗。

2 地層及巖性

咸陽地區(qū)地質(zhì)分層自上而下主要有第四系秦川群(Q2-4qc)、第四系三門組(Q1s)、上第三系張家坡組(N2z)、上第三系藍田—灞河組(N2l+b)、與上第三系高陵群(N1gl)；第四系為隔熱保溫層，第三系形成了三個熱儲層。(具體見表1)。

3 定向井工藝

定向鉆井技術(shù)在石油鉆探中已普遍使用，利用石油鉆探中的定向鉆井技術(shù)，結(jié)合地熱井的特點，在咸陽地區(qū)施工三口井，探索定向地熱井的施工工藝。

3.1 定向工具

定向施工的工具主要有：無線隨鉆測斜儀(MWD)，單彎螺桿動力鉆具(1°、1.25°)，￠241.3牙輪鉆頭及PDC鉆頭，￠177.8無磁鉆鋌，￠226扶正器。

3.2 定向井設(shè)計

3.2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)地層及地熱儲層的特點，結(jié)合地熱井的技術(shù)特點，該地區(qū)的地熱井井身結(jié)構(gòu)多設(shè)計為二開結(jié)構(gòu)，井身結(jié)構(gòu)及套管程序如下：一開井徑￠444.5mm，一開套管直徑￠339.7mm，二開井徑￠241.3mm，二開套管直徑￠177.8mm，所用套管必須符合美國石油協(xié)會指定的API標準。定向段一般設(shè)計成三段制，即直井段、增斜段和穩(wěn)斜段(見圖1)。

表1 地層與巖性表

3.2.2 造斜點的確定

造斜點的選擇是定向井能否成功的關(guān)鍵因素之一，一方面定向施工要求造斜點巖石的硬度應(yīng)能起到對造斜點鉆具的支撐作用，另一方面又要把造斜點選擇在深度較淺的位置，用較小的井斜角和造斜率得到較大的水平位移。在實際施工中，經(jīng)過不斷的探索，根據(jù)鉆井中遇到的實際情況，定向井設(shè)計的造斜點逐漸上移，第一口井為2 073.39 m，第二口井上移到1 022.77 m，第三口井上移到580 m。實踐證明，在第三系上部較松軟地層定向造斜是可行的。定向點的上移，既保證了水平位移，又降低了最大井斜角和造斜率，降低了鉆具在井壁上的摩阻力，同時也降低了施工危險性。(咸陽地區(qū)定向地熱井主要技術(shù)指標表2)

圖1 定向井井身結(jié)構(gòu)圖

3.3 案例分析

定向井的施工中，選擇合理的鉆具組合是定向井成功施工的另一關(guān)鍵因素，例如在DR1#施工中首先選用了PDC鉆頭造斜，鉆具組合為：方鉆桿+5in鉆桿+61/ 4in鉆鋌(6根)+7in無磁鉆鋌+MWD定向短節(jié)+1°單彎單扶￠197螺桿鉆具+PDC鉆頭。由于首次在該地區(qū)定向施工，采用垂直井的鉆進差數(shù)鉆進一段井段后，發(fā)現(xiàn)井斜未增，定向造斜沒有成功；隨后起鉆更換了新的鉆具組合：方鉆桿+5in鉆桿+61/ 4in鉆鋌(6根)+7in無磁鉆鋌+MWD短節(jié)+1°單彎單扶￠197螺桿鉆具+三牙輪鉆頭，采用該組鉆具組合后，造斜達到了設(shè)計要求，增斜段采用了定向鉆進(僅鉆頭轉(zhuǎn)動)和復(fù)合鉆進(鉆具和鉆頭同時轉(zhuǎn)動)，基本按照設(shè)計軌跡鉆進。鉆進完增斜段后，開始穩(wěn)斜鉆進，采用了雙扶穩(wěn)斜鉆具：方鉆桿+5in鉆桿+61/ 4in鉆鋌(6根)+7in無磁鉆鋌+MWD短節(jié)+￠226扶正器+1°單彎單扶￠197螺桿鉆具+PDC鉆頭，復(fù)合鉆進一段后，發(fā)現(xiàn)井斜沒有穩(wěn)住，出現(xiàn)了降斜趨勢，如果一直采用這組鉆具組合鉆進至設(shè)計井深，肯定無法中靶；經(jīng)研究決定更換鉆具組合，去掉穩(wěn)斜鉆具組合的上扶正器，復(fù)合鉆進一段后，又出現(xiàn)了增斜趨勢，定向鉆進進行降斜，效果不明顯；經(jīng)過分析研究認為，井斜增大后對該井設(shè)計影響不大，井斜增大井底位移相應(yīng)也會增大，達到了設(shè)計定向井的設(shè)計初衷，于是繼續(xù)鉆進至設(shè)計井深，雖然井斜超過了設(shè)計的最大井斜，但井底位移相應(yīng)的也增大了，完全實現(xiàn)了設(shè)計定向井的目的。

表2 咸陽地區(qū)定向地熱井主要技術(shù)指標

DR2#井基本上采用了DR1#井所用鉆具組合，但在施工中吸取了DR1#井的工作經(jīng)驗，定向工作較順利，從表2中可以看到最大井斜比DR1#井減小了，水平位移指標也達到了設(shè)計目的；施工速度比DR1#井增快了很多。

DR3#井根據(jù)DR1#井和DR2#井的施工情況更改了部分設(shè)計，使定向鉆進更容易控制。在DR3#井施工中，根據(jù)前面兩口定向井的成功施工經(jīng)驗，鉆具組合和定向造斜點的選擇做了大膽的嘗試，首先選用了大直徑(￠203)的螺桿動力鉆具，該螺桿具備大扭矩、大鉆壓、大功率特點，為在鉆進中選擇鉆進參數(shù)提供了條件，定向造斜點也選擇在上部第四系的松軟地層。鉆具組合如下：方鉆桿+5in鉆桿+61/ 4in鉆鋌(7根)+7in無磁鉆鋌+MWD定向短節(jié)+1.25°單彎單扶￠203螺桿鉆具+PDC鉆頭，采用這組鉆具組合后，在定向鉆進中加大了鉆壓，效果十分良好，不但井斜增加達到了預(yù)計的情況，鉆進速度比前面兩口定向井快多了，通過實際的工作證明了在第四系的地層中完全可以進行定向造斜鉆進。定向造斜點的上移，降低了全井的最大井斜角，井斜變化率大大降低，井下的安全系數(shù)增加，減少了施工的難度，輕松完成設(shè)計的井底位移量。從某種意義上說，DR3#井施工取得圓滿的成功，讓定向地熱井的施工技術(shù)更加成熟。

3.4 存在問題

在定向井施工中我們遇到一個難題，就是托壓，在定向鉆進時加壓沒進尺，有時甚至上提后鉆頭再次不能順利接觸井底，出現(xiàn)問題后我們曾懷疑地層的可鉆性差，鉆井液性能差等，但事實證明不是這些原因。有些地層定向鉆進沒進尺，可采用復(fù)合鉆進時鉆時卻很快，鉆井液性能經(jīng)過分析也是很好，這需要在以后施工中繼續(xù)研究。

4 定向井施工工藝及難點

(1)在施工前做好定向井的前期技術(shù)準備和井眼準備工作。

(2)嚴格按照設(shè)計要求的鉆具組合進行配備，嚴格按照定向鉆井參數(shù)要求進行。

(3)認真對地熱井地層與巖性進行分析，選擇適合地層的鉆頭加快鉆進速度。

(4)做好鉆井液管理，做到“以維護為主，調(diào)整為輔”的管理方針。穩(wěn)定鉆井液性能，使鉆井液參數(shù)達到設(shè)計要求，使鉆井液質(zhì)量達到攜砂好、護壁性能好，達到防卡、防塌之目的。

(5)定向施工每10～30 m進行一次井斜的測量，發(fā)現(xiàn)偏差及時調(diào)整導(dǎo)向鉆具的工具面。

(6)要求每次定向儀器入井前及下鉆中途要測試測斜儀器，但應(yīng)避免在松散地層中測試儀器。

(7)下鉆應(yīng)控制好下鉆速度，避免下鉆速度過快影響測斜儀器的工作狀況。

5 鉆井液

5.1 鉆井液基本要求

鉆井液是定向井施工的一個重點，定向井對鉆井液的要求很高，它要求鉆井液具備良好的抑制性、防塌性、潤滑性、耐溫性和攜砂性。地熱井的井底溫度一般在100℃以上，個別能達到150℃，定向井中鉆柱和井壁的接觸面積較大；鉆井液系統(tǒng)的耐溫性能和潤滑性能尤其重要，要能保證井眼的穩(wěn)定性，減少斜井段鉆柱和井壁的摩阻，來保證定向鉆井工程安全順利施工進行。

5.2 鉆井液體系與性能

根據(jù)咸陽地區(qū)的地層特點，定向地熱井施工中選用了低固相聚合物鉆井液體系和三磺聚合物鉆井液體系，該體系具有很好的防塌性能和防高溫性能。鉆井液性能：密度1.10～1.15 g/cm3，粘度30～45 s，失水量7～12 ml/30min，含砂量<0.2%，pH值7～8.5，泥餅厚度0.5 mm。

5.3 鉆井液調(diào)配

鉆井液性能調(diào)配措施如下：鉆井液中加入FA-367與PAC-141配合使用包被鉆屑，防止鉆屑和泥頁巖水化，有效的防止了井壁垮塌，促使井壁穩(wěn)定，聚丙烯酰胺和80A51配合使用具有增粘、絮凝、改變流型、降濾失等作用，使用銨鹽降低鉆井液濾失量、防塌劑抑制鉆屑分散和地層造漿，穩(wěn)定井壁，防止井壁塌陷、潤滑劑改善鉆井液潤滑性，降低井壁與鉆具之間的摩擦；磺化瀝青粉、磺化褐煤、磺甲基酚醛樹脂SMP配合使用形成‘三磺’體系，是抗溫和抗鹽的降濾失劑，在高溫高壓的條件下有良好的降濾失水作用。它還能改變泥餅的潤滑性、調(diào)節(jié)鉆井液的流變性，具有一定的防塌性能。

5.4 鉆井液使用效果

通過多口定向地熱井的施工證明，這兩套鉆井液體系達到了預(yù)定的目的要求，高分子聚合物鉆井液具有較強的抑制性，較好的“包被”效果和流變性，提高鉆速、消除了定向井施工中常見的巖屑床，起到減少井下復(fù)雜事故及降低鉆井成本的目的；三磺體系具有很好的抗高溫性，在井底溫度很高的情況下，鉆井液的性能十分穩(wěn)定，沒出現(xiàn)因為溫度高而導(dǎo)致鉆井液固化或者鉆井液粘度劇增的現(xiàn)象。尤其是完鉆后向鉆井液中加入塑料大球，為后期完井作業(yè)的順利進行奠定了基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

(1)在地熱鉆井中使用定向鉆井技術(shù)是成功的，為合理規(guī)范開發(fā)地熱資源積累了經(jīng)驗，取得較好的經(jīng)濟效益；

(2)在施工中遇到一些新問題，比如定向造斜點的選擇，鉆具組合的選擇，鉆進差數(shù)的選擇，通過施工，對這些問題有了初步的認識，為以后在地熱井施工中利用定向鉆井技術(shù)積累了經(jīng)驗；

(3)鉆井所采用的鉆井液體系經(jīng)實踐證明是可靠的，使用液體潤滑劑解決了定向鉆井施工中鉆具與井壁之間的摩阻很大的問題；

(4)定向鉆進中出現(xiàn)的托壓現(xiàn)象一直未找到好的解決辦法，對鉆井速度造成一些影響，需要盡一步探討。

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2016-12-15

陳建兵(1974-)，男，陜西扶風人，高級工程師，主要從事水文、地熱、環(huán)境等方面的工作。

P314.1

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1004-1184(2017)03-0037-02