本文摘要：摘要：在新鄉(xiāng)太行山脈地區(qū)基巖地熱井施工中，鉆遇上部奧陶寒武灰?guī)r地層時出現(xiàn)嚴重漏失現(xiàn)象，且該地層漏失點多，需多次堵漏，堵漏時間長成本高，正循環(huán)泥漿鉆進無法施工。隨后采用氣舉反循環(huán)鉆進，成功實施深度達2551.48m的地熱井，順利在太古界片麻巖構(gòu)造地
摘要：在新鄉(xiāng)太行山脈地區(qū)基巖地熱井施工中，鉆遇上部奧陶寒武灰?guī)r地層時出現(xiàn)嚴重漏失現(xiàn)象，且該地層漏失點多，需多次堵漏，堵漏時間長成本高，正循環(huán)泥漿鉆進無法施工。隨后采用氣舉反循環(huán)鉆進，成功實施深度達2551.48m的地熱井，順利在太古界片麻巖構(gòu)造地層中找到地熱水，水量50m3/h，水溫55℃。本文介紹了該地熱井施工的主要設備、鉆頭設計、鉆具組合及鉆探施工技術，并對鉆探施工中的難點和經(jīng)驗體會進行了總結(jié)，為同類工程施工提供借鑒。
關鍵詞：基巖;地熱井;漏失;地層坍塌;氣舉反循環(huán);片麻巖
1項目概況
為開發(fā)新鄉(xiāng)市云龍山大健康文化產(chǎn)業(yè)園項目，提升文化園內(nèi)旅游產(chǎn)業(yè)品味，使用綠色能源，促進云龍山大健康文化產(chǎn)業(yè)園的發(fā)展，受新鄉(xiāng)市德睿實業(yè)有限公司委托施工一口地熱井。該項目取水層位為太古界片麻巖地層，太古界變質(zhì)巖系地層富水性差，找水難度很大，一般被視為“找水禁區(qū)”。物探技術人員反復研究相關資料，結(jié)合物探數(shù)據(jù)解釋結(jié)果，最終確定井位。鉆井施工中，由于地層處于斷裂帶上，巖層破碎，塌孔、掉塊、卡鉆及容易偏斜等問題時有發(fā)生，采用氣舉反循環(huán)施工工藝[1]克服了種種困難，實現(xiàn)了太古界片麻巖地區(qū)地熱勘探的新突破。最終成井深度2551.48m，水量50m3/h，水溫55℃。
2工程地質(zhì)條件
2.1區(qū)域水文地質(zhì)條件
本區(qū)地下水可劃分為兩種不同的基本類型。上部奧陶、寒武系碳酸鹽巖裂隙巖溶水地下水發(fā)育，其水量豐富，分布不均勻，但水溫低，需要隔離;下部太古界地層構(gòu)造裂隙發(fā)育，富水且水溫高。本次地熱取水目的層為太古界片麻巖構(gòu)造裂隙水。
2.1.1太古界(Ar)本區(qū)太古界為登封群，巖性主要為片麻巖、石英砂巖，鉆孔揭露865.00～2551.48m。地層受青羊口斷層影響，地層深部構(gòu)造裂隙發(fā)育。
2.1.2寒武系(∈)
(1)下統(tǒng)(∈1)。自下而上分為辛集組和饅頭組。辛集組(∈1x)，鉆孔揭露750～865m，下部巖性為紅色石英砂巖、紫紅色頁巖夾泥灰質(zhì)白云巖，上部為灰色薄、中厚層狀灰質(zhì)白云巖。饅頭組(∈1m)，鉆孔揭露630～750m，底部為紫紅色粉砂巖、頁巖，主要為黃色板狀白云質(zhì)泥灰?guī)r夾紫紅色頁巖。
(2)中統(tǒng)(∈2)。分為毛莊組、徐莊組和張夏組。毛莊組(∈2m)，鉆孔揭露500～630m，下部為紫紅色頁巖、粉砂巖，上部以深灰色厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾透鏡狀白云巖層。徐莊組(∈2x)，鉆孔揭露400～500m，上部為深灰色薄層狀含竹葉狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r及巨厚層鮞狀灰?guī)r，巖溶發(fā)育，下部主要為黃綠色頁巖，夾薄層灰?guī)r泥灰?guī)r。張夏組(∈2zh)，鉆孔揭露185～400m，主要為灰、深灰色厚、巨厚層鮞狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶發(fā)育。
2.1.3奧陶系下統(tǒng)(O)為厚至巨厚細晶或粗晶白云巖，鉆孔揭露20～185m，巖溶發(fā)育。
2.1.4新近系(N)為棕紅色、淺黃色及雜色砂質(zhì)黏土、泥灰?guī)r及泥質(zhì)砂巖，多未膠結(jié)或半膠結(jié)0～20m。
2.2地質(zhì)構(gòu)造本區(qū)構(gòu)造部位處于新華夏系太行山隆起的東南邊緣和華北凹陷的過渡地帶，南鄰秦嶺緯向復雜構(gòu)造帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造痕跡以斷裂為主，新構(gòu)造運動比較活躍，并多呈繼承性活動。
(1)青羊口斷層(F1)。由青羊口經(jīng)本區(qū)金燈寺—北站延至新鄉(xiāng)一帶，全長大于100km，走向北東25°～40°，傾向南東，為高角度正斷層，垂直斷距大于1000m，該斷層晚近期仍有活動。據(jù)鉆孔資料，上第三系上部泥灰?guī)r被斷開，斷距60～90m，反映到地貌形態(tài)上，此斷裂北西側(cè)為太行山麓的山岳地貌，南東側(cè)為堆積平原地貌。(2)山彪—五陵斷層(F2)。
由山彪、五陵與青羊口大斷層復合，走向北東40°～50°，傾向北西，斷距20～30m，為正斷層，斷至上第三系泥灰?guī)r，從該斷層和青羊口斷裂成“入”字型斜接的關系看，可能是青羊口斷裂的分支斷層。該斷層穿過本井區(qū)域，對本井水文地質(zhì)條件有重要影響。(3)西曲里斷層(F3)。由西曲里沿衛(wèi)河向北東方向延伸，走向北東40°左右，傾向南東，斷距20～40m，向北東方向逐漸消失，為高角度正斷層，切穿地層至上第三系泥灰?guī)r。
2.3施工條件分析
該地區(qū)地層老，結(jié)構(gòu)復雜，易偏斜、漏失，施工程序復雜，要到達含水層，需要通過高裂隙發(fā)育帶奧陶系灰?guī)r漏失層。巖性多變、軟硬不同，鉆頭選型困難;部分泥巖中含有鈣質(zhì)團塊，地層非均質(zhì)、夾層發(fā)育，巖性變化大，在井底形成非均質(zhì)切削;井內(nèi)掉塊導致蹩、跳鉆嚴重，極易造成鉆具脹扣和斷鉆具事故。辛集組砂巖層研磨性較強，太古界片麻巖可鉆性8～9，屬于硬巖，造成鉆頭的磨損速度快，鉆進效率低，極易疲勞損壞，導致鉆井周期和成本比較高。
3鉆井工藝
3.1設備選型
選用TSJ3000型水源鉆機和與之配套的LG.VF-10/60高壓空氣壓縮機及HS-37型四腳鉆塔。LG.VF-10/60高壓空氣壓縮機的公稱容積流量10m3/min，額定排氣壓力6MPa，108mm×108mm雙壁主動鉆桿及雙壁氣水龍頭，直徑114mm內(nèi)平雙壁鉆桿300m和89mm(內(nèi)徑70mm)單壁鉆桿。
3.2氣舉反循環(huán)鉆井工藝
先用直徑445mm鉆頭鉆孔，然后下入直徑425mm保護管30m，確保上部孔壁安全穩(wěn)定。在一開鉆進時首先采用正循環(huán)鉆進工藝，使用直徑346mm鉆頭鉆進，在鉆進至231m深奧陶系灰?guī)r地層時，孔內(nèi)漏漿嚴重，采用多種方法堵漏，地層仍漏漿嚴重。測試發(fā)現(xiàn)漏失地層富含地下水，地下水位50m左右。氣舉反循環(huán)鉆進工藝[2]廣泛應用于漏水嚴重的基巖地層中，彌補了大漏失地層無法正常泥漿正循環(huán)鉆進的不足，鉆進效率、成井質(zhì)量都優(yōu)于正循環(huán)工藝。經(jīng)研究，本工程采用氣舉反循環(huán)鉆井工藝。
3.2.1反循環(huán)鉆頭設計
常規(guī)鉆頭分刮刀鉆頭、三牙輪鉆頭及PDC合金鉆頭等，其中三牙輪鉆頭又分為鋼齒鉆頭和鑲齒鉆頭。反循環(huán)鉆頭需要在常規(guī)鉆頭中心切割出一個與鉆桿內(nèi)徑相通的圓孔，可以使井底刻取的巖屑在反循環(huán)作用下，經(jīng)鉆頭中心孔、鉆桿內(nèi)管排至地表[3]。本井施工采用江漢石油設備廠生產(chǎn)的HJ517GK、HJT537G型、HJT547鑲齒牙輪鉆頭。在牙輪鉆頭中心位置開直徑為50mm進水孔，鉆頭牙掌上設置鋼筋裙網(wǎng)，減少鉆頭邊部的磨損，增加出渣效果。
3.2.2鉆具配置
依據(jù)地質(zhì)設計給出的地層剖面及巖性描述，本工程采用以下鉆具組合：①直徑346mm鉆頭+直徑203mm鉆鋌5根+直徑178mm鉆鋌6根+直徑159mm鉆鋌6根+直徑89mm鉆桿+主動(雙壁)鉆桿;②直徑311.1mm鉆頭+直徑203mm鉆鋌+直徑203mm鉆鋌+直徑308mm扶正器+直徑203mm鉆鋌3根+直徑178mm鉆鋌6根+直徑159mm鉆鋌6根+直徑89mm鉆桿+直徑114mm雙壁鉆桿+主動(雙壁)鉆桿;③直徑215.9mm鉆頭+直徑159mm鉆鋌+直徑159mm鉆鋌+直徑214mm扶正器+直徑159mm鉆鋌13根+直徑89mm鉆桿+直徑114mm雙壁鉆桿+主動(雙壁)鉆桿。
3.2.3施工參數(shù)
本井一開井段(0～325.15m)使用正循環(huán)鉆進工藝，泥漿泵排量23L/s，泵壓2MPa，之后的井段采用氣舉反循環(huán)鉆進。氣舉反循環(huán)鉆進效率主要取決于壓縮空氣的壓力、風量以及混合器沉沒在水中的深度[4]，以下為氣舉反循環(huán)主要鉆進參數(shù)。①根據(jù)不同地層情況、巖性、鉆頭尺寸及出渣情況調(diào)整鉆壓，上部灰?guī)r控制在80～120kN，下部片麻巖、砂巖控制在30～80kN，鉆壓不能超過鉆鋌總重量的2∕3，以防孔斜。②采用40～70r/min轉(zhuǎn)速鉆進即可，不能盲目使用高速，以防產(chǎn)生劇烈振動，發(fā)生孔內(nèi)事故。
③根據(jù)孔深、靜水位和“鉆屑能力”等確定風壓，空壓機啟動風壓2.6～3.2MPa，工作壓力1.4～2.3MPa，工作壓力如果低于0.8MPa就不能形成氣舉反循環(huán)鉆進。④風量10m3/min。⑤混合器埋深應采用不低于50%的沉沒比，隨著井深的增加逐漸增大沉沒比，混合器埋深150～227m，最大沉沒比保持在70%以上。⑥雙壁鉆具與井深比為1∶10至1∶2[5]。
3.2.4主要技術措施①在施工時應盡可能采用較大的沉沒比，最小不低于50%;雙壁鉆具的初始長度141m，隨著井深的增加逐漸加大沉沒比，最后保持在70%以上，即混合器埋深180～227m;空壓機風量≥6m3/min[6]。
�、诒揪难h(huán)液來自井內(nèi)地層的自流補給，補給量大于15m3/h，滿足氣舉反循環(huán)的沖洗液攜帶巖屑的需要。③雙壁鉆具要密封連接螺紋，不能用穿刺的鉆具，以免形成短路循環(huán)，發(fā)生燒鉆、埋鉆等事故。④送氣前鉆頭與井底保持一定距離，防止鉆頭水眼 被井底的巖屑堵塞;待排出的水液清潔后，再將鉆頭緩慢送至井底。⑤當攜帶出的巖屑濃度大時，應控制鉆進速度，切勿突然停止送風;加單根前，觀察出水液情況，待水液中基本不含巖屑后方能停風加單根。⑥注意觀察排出水液量的大小變化及攜砂情況，當水液量變小時，即刻檢查鉆頭、鉆具內(nèi)管是否堵塞，水液中巖屑是否過多，或井內(nèi)是否發(fā)生坍塌情況;當水液中不含巖屑時，應判斷是沉沒比不足，還是井底巖屑顆粒過大，水液攜帶不上來[7]。
3.2.5鉆井液工藝
在深井鉆探施工中，鉆遇的地層非常復雜，而鉆進不同地層所采用的泥漿體系也不盡相同。本著安全與節(jié)約的原則，我們對于不同井段配置了不同體系的泥漿，氣舉反循環(huán)鉆進循環(huán)液為清水[8]。在正循環(huán)鉆進時采用聚合物優(yōu)質(zhì)低固相泥漿液護壁，泥漿密度1.05～1.16g/cm3，黏度25～45s，API濾失量10mL/30min，pH8～9，含砂量小于0.3%，泥餅厚0.5～1.0mm。在鉆進至231m時井內(nèi)泥漿漏失嚴重，判斷為地層裂隙發(fā)育且富含地下水，在堵漏失敗后決定使用氣舉反循環(huán)鉆進工藝，鉆井液使用清水鉆進。本井采用的清水鉆進保護了水層，提高了鉆進效率，有效地保證了成井質(zhì)量。
4成井工藝
4.1鉆井結(jié)構(gòu)
該地熱井成井深度2551.48m，采用三開式成井結(jié)構(gòu)的地熱井[9]，按不同井徑下入兩種不同規(guī)格國產(chǎn)無縫石油鋼管及裸孔成井，井身結(jié)構(gòu)見圖2。圖2成井結(jié)構(gòu)圖Fig.2Wellcompletiondiagram一開，井深0～325.15m，下入直徑425mm保護管30m，采用直徑346mm牙輪鉆頭鉆進，下入直徑273.1mm國產(chǎn)無縫石油鋼管作為泵室段套管，鋼級J55，壁厚8.89mm，下深315.15m，泵室段套管高出地面1.2m。
二開，井深325.15～1066.50m，采用直徑311.1mm牙輪鉆頭鉆進;下入直徑244.5mm國產(chǎn)無縫石油鋼管作為生產(chǎn)套管，鋼級J55，壁厚8.94mm，長度746.15m，下入至315.15～1066.50m井段;在直徑273.1mm、244.5mm套管與井壁之間環(huán)狀間隙內(nèi)，采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥全段封固。三開，井深1066.50～2551.48m，采用直徑215.9mm牙輪鉆頭鉆進，此井段為太古系片麻巖地層，井壁穩(wěn)定，為采水目的層，決定采用裸孔成井。
4.2固井工藝
本井采用反循環(huán)鉆井工藝鉆進，先鉆進至設計孔深，測井后根據(jù)測井結(jié)果選擇止水位置，然后擴孔下入石油套管。采用架橋法固井[10]，下管前在鉆孔直徑由311.1mm變至215.9mm處下入加工制作的木塞，木塞吸水膨脹卡在變徑處，然后投入黏土球0.2m3，黏土球與木塞起到封隔器作用，預防固井時水泥下沉進入下部地層。管串結(jié)構(gòu)要求自下而上為：引鞋+水泥塞逆止閥+直徑244.5mm套管+變徑接頭+直徑273.1mm套管串。固井水泥返至地面，水泥漿密度1.80g/cm3，用量60m3，標號為硅酸鹽水泥P.O42.5。
4.3洗井
本地熱井鉆進時采用清水作為沖洗液，避免了泥皮和巖屑堵塞出水裂隙通道的現(xiàn)象。施工完畢后即可下泵抽水，在水泥凝結(jié)固井結(jié)束后，在降壓試驗開展前，對鉆井開展洗井工作，洗井主要采用大泵量大降深抽水洗井抽水設備型號為200QJ50/180，抽水至鉆井內(nèi)流出清水為止。
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5施工中遇到的困難
當鉆進至奧陶系石灰?guī)r地層時，出現(xiàn)了地層大漏失情況，改用氣舉反循環(huán)技術工藝。開始鉆進時，出現(xiàn)了鉆桿內(nèi)巖屑堵塞情況。堵塞的原因是346mm鉆頭鉆進孔徑較大，灰?guī)r白云巖鉆進速度快，巖屑在單位時間內(nèi)急劇增多，循環(huán)液中巖屑濃度增大，巖屑顆粒質(zhì)地差異大，在巖屑上升過程中出現(xiàn)了大量聚集現(xiàn)象，導致鉆桿管徑內(nèi)局部堵塞。
解決方法：①減小鉆壓，將鉆壓控制在20～50kN;②換用牙輪鉆頭中牙齒密、空隙小的鉆頭，減小巖屑顆粒的直徑，同時在鉆頭上部開一個進水口，保持上返水量不變，降低循環(huán)液中巖屑密度;③將鉆頭下部進水孔孔徑由50mm縮小為40mm，從而減小巖屑的進入量;④同時加大混合器的沉沒比，以提高上返水的攜砂能力。
作者：靳廷朝
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