為了科學合理開發咸陽市豐富的地熱資源, 努力建設全國首家“中國地熱城” , 打造國家地熱資源綜合開發利用示范區, 使地熱資源更好的服務于地方經濟發展, 解決咸陽職業技術學院新校區的冬季供暖和洗浴問題, 決定在該校區內施工一眼地熱井。

 

  由于該井與臨近的505 大學地熱井采水段距離較近, 不符合地熱資源開發的規定, 而采用定向技術就可以解決這個問題。該井是陜西地區渭河凹陷盆地內的一口定向地熱井, 于2009 年7 月1 日開鉆, 8月13 日所有施工任務全部完成, 實際鉆井深度3 625 .60 m ;采用二級井身結構, 一開井徑￠444 .5mm , 二開井徑￠241 .3 mm , 完井最大井斜36 .7°, 完井井底水平位移591 .93 m , 經抽(放)水試驗, 井口水頭高度31 m , 自流量104 .02 m3 /h ;降深64 .10m , 出水量為174 .95 m3 /h , 井口水溫118 ℃。

 

  1  工程概況

 

  該定向地熱井是陜西地區渭河凹陷盆地內的一口定向地熱井, 根據熱儲層的特點及主管部門的審批意見, 決定設計成三段制, 及直井段、增斜段和溫斜段。工程設計井深為垂深3 500 m , 測深3 618m ;井底水平位移為560 m ;其造斜點在2 100 m ;最大井斜角為25°;取水層段為2 600 m ～ 3 618 m(混合開采藍田—灞河組與高陵群熱儲)。

 

  2  工程地質

 

  該定向地熱井位于西安凹陷北部換斜坡區, 該井鉆遇的地層自上而下有秦川群(Q2 -4qc)、為第四系三門組(Q1s)、上第三系張家坡組(N2z)、上第三系藍田—灞河組(N2l+b)與第三系高陵群(N1gl)。

 

  該井鉆遇目的層為藍田—灞河組與高陵群熱儲層, 混合開采藍田—灞河組與高陵群熱儲層地下熱水。

 

  3  主要設備

 

  3 .1  鉆機型號與性能

 

  鉆機選用RT40/2250DR 塔式鉆機, 氣動控制,采用柴油機動力裝置機械驅動, 絞車采用帶式剎車, 配FDWS40 型電磁剎車, 其主要性能指標見表1 。

 

  3 .2  泥漿泵型號與性能

 

  采用青州石油機械廠生產的F -1600 和3NB-1300 泥漿泵各一臺, 通過更換不同直徑的缸套、活塞來改變泵的排量和壓力, 更換皮帶輪的直徑也能改變泵的沖程, 從而也能達到改變泵的排量和壓力。

 

  3 .3  鉆塔

 

  配備JJ225/42 -KCL 垂直立式井架, 井架配套DZ225/6 -X 底座, 井架高度42 m , 最大載荷2 250kN , 二層臺具有24 .5 m 、25 .5 m 、26 .5 m 三種安裝高度, 平臺高6 m , 適合城市小場地的安裝施工。

 

  3 .4  動力裝置

 

  動力采用三臺PZ12V -190B 柴油機, 總功率為2 649 kW , 與之配套有三臺聯動機。

 

  3 .5  泥漿凈化系統

 

  地熱井井下溫度較高, 對泥漿性能要求較高, 泥漿凈化要求也高, 我們采用三級固控系統, 首先采用兩臺2ZYS 振動篩除去泥漿中的巖屑, 在泥漿坑中沉淀后再吸到泥漿罐內, 再使用ZCS250 除砂器除去泥漿中較小顆粒的沙子, 最后采用LW450 -842N 離心機除去更小顆粒的固相, 達到凈化泥漿的目的。

 

  4  井眼軌跡控制

 

  鉆探方法采用正循環泥漿旋轉鉆進, 使用三牙輪鉆頭和PDC 鉆頭, 并配有螺桿動力鉆具。

 

  4 .1  一開井段(0 ～ 417 .75 m)

 

  一開鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+6 1 4in(3根)+7in(12 根)+17 1 2in 三牙輪鉆頭鉆進參數:

 

  轉速80 ～ 140 r/min , 鉆壓30 ～ 50 kN , 排量28 ～ 32L/s , 泵壓1 ～ 5 MPa 。

 

  0 ～ 417 .75 m 為第四系松軟地層, 采用大泵量、高轉速鉆進工藝, 快速的鉆進完一開, 并下入￠339 .

 

  7 石油無縫鋼管作為表層套管(泵室段), 管外環空全部用油井水泥封固, 達到保護地表潛水的作用。

 

  4 .2  二開井段

 

  二開井段分別采用三牙輪鉆頭和PDC 鉆頭, 按照設計要求直井段—增斜段—穩斜段三段式進行施工;從2 079 .39 m 開始造斜。

 

  4 .2 .1  直井段施工

 

  (1)417 .75 ～ 1537 .72 m 井段。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+6 1 4in(3 根)+7in(12 根)+三牙輪鉆頭;鉆進參數:轉速80 ～ 140 r/min , 鉆壓120 ～ 150kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓5 ～ 7 MPa 。

 

  采用三牙輪銑齒鉆頭鉆進至井深1 537 .72 m ,此段地層多為粘土和沙土互層, 巖層的膠結性差, 疏松, 容易鉆進。

 

  (2)1 537 .72 m ～ 2 079 .39 m 井段。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+66 1 4in 鉆鋌(6根)+7in 無磁鉆鋌+PDC 鉆頭;鉆進參數:轉速140 r/min , 鉆壓30 ～ 50 kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓7 ～ 9 MPa 。

 

  采用了PDC 鉆頭鉆進, 地層也較疏松, 鉆時較快, 鉆至井深2 079 .39 m , 起鉆更換鉆具組合準備造斜。直井段打完后, 最大井斜在1 819 .00 m 處井斜最大, 為1 .23°, 為下部定向井段施工奠定了基礎。

 

  4 .2 .2  造斜井段施工 該井采用先進的MWD 無線隨鉆測斜技術, 測斜準確迅速, 并且不影響鉆進工作。

 

  (1)2 079 .39 ～ 2 149 .80 m 。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+6 1 4in 鉆鋌(6根)+7in 無磁鉆鋌+MWD 定向短節+1°單彎單扶螺桿鉆具+PDC 鉆頭;鉆進參數:定向轉速200 r/min(螺桿轉速, 鉆桿在井內不動), 復合鉆進轉速80 r/min , 鉆壓30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓8 ～ 11 KPa 。

 

  首先采用定向鉆具組合鉆進至井深2 149 .80 m,無線隨鉆測斜儀測得井斜0 .4°這段定向鉆進未取得任何效果, 分析原因與施工區內的地層可鉆性以及使用的PDC 鉆頭有關, 之后起鉆更換鉆具組合。

 

  (2)2 149 .80 ～ 2 551 .42 m 。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+6 1 4in 鉆鋌(6根)+7in 無磁鉆鋌+MWD 短節+1°單彎單扶螺桿鉆具+三牙輪鉆頭;鉆進參數:定向轉速200 r/min(螺桿轉速, 鉆桿在井內不動), 復合鉆進轉速80 r/min , 鉆壓30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓8 ～ 12 KPa 。

 

  根據造斜井段鉆進至2 551 .42 m , 隨鉆測斜儀測得井斜24 .61°, 達到了增斜段設計的井斜要求,后起鉆更換穩斜鉆具組合。

 

  4 .2 .3  穩斜井段施工

 

  (1)2 551 .42 ～ 2 802 .00 m 。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+6 1 4in 鉆鋌(6

 

  根)+7in 無磁鉆鋌+MWD 短節+￠226 扶正器+單彎單扶螺桿鉆具+PDC 鉆頭;鉆進參數:轉速80 r/min(復合), 鉆壓30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓12 ～ 15 KPa 。

 

  采用雙扶穩斜鉆具組合后, 發現有降斜趨勢, 鉆進至2 802 .00 m 后, 隨鉆測斜儀測得井斜已降至23 .73°, 且井斜有加速降低趨勢, 這樣按照該套鉆具組合施工下去, 將無法達到設計的井底水平位移, 不能滿足該井的要求, 研究決定起鉆更換鉆具組合, 在剩余的井段采用以下的鉆具組合。

 

  (2)2 802 .00 ～ 3 481 .38 m 。

 

  鉆具組合:方鉆桿+5in 鉆桿+61/4in 鉆鋌(6根)+7in 無磁鉆鋌+MWD 短節+單彎單扶螺桿鉆具+PDC 鉆頭;鉆進參數:轉速80 r/min(復合), 鉆壓30 ～ 50kN , 排量28 ～ 32 L/s , 泵壓12 ～ 15 MPa 。

 

  去掉穩斜組合的上扶正器, 鉆進中發現出現增斜現象, 雖然采取了定向措施, 但效果不明顯, 經分析增大井斜后對該井設計影響不大, 工藝也是可行的, 井斜增大井底位移相應也會增大, 更能滿足該定向井的設計目的, 采用該套鉆具組合鉆到斜深3 625 .60 m , 完鉆, 垂深3 481 .38 m , 井底井斜36 .

 

  7°, 井底位移591 .13 m 。

 

  5  鉆井液性能

 

  該地熱井是一口深井, 要求在鉆進中達到近平衡鉆進, 保證井壁穩定, 防止卡鉆、垮塌和井涌、井漏等現象, 而且井下溫度極高, 要求泥漿必須有耐高溫的能力, 該井采用聚合物低固相泥漿體系, 主要以高分子聚合物材料為主, 在3 000 m 以后采用抗高溫的聚磺泥漿體系, 主要以磺甲基酚醛樹脂為主要的抗溫材料, 在鉆進中使用好固控系統, 嚴格控制泥漿密度, 粘度, 失水量, 加之該井為定向井, 因此在泥漿中加入白油潤滑劑, 確保泥漿的潤滑性, 降低鉆進中的摩阻。表2 列出了該井在鉆至取水目的層段的泥漿性能指標。

 

  6  成井工藝

 

  6 .1  井身結構

 

  一開井徑￠444 .5 mm , 下￠339 .7 mm 石油套管(0 ～ 417 .62), 鋼級J55 。

 

  二開井徑￠241 .3 mm , 下￠177 .8 mm 石油套管(383 .34 ～ 3 624 .60 , 其中穿袖井段長34 .28 m),鋼級N80 。

 

  6 .2  濾水管的安裝

 

  濾水管選用國產石油無縫鋼管, 直徑￠177 .8mm , 壁厚9 .19 mm , 鋼級N80 , 加工打眼, 園孔直徑2cm , 孔隙率大于18 %, 未包網纏絲;濾水管有效長度627 .35 m 。安裝在取水層段中主要含水層部位, 濾水管與含水層的吻合率達98 %以上。幾年來, 西安天地行地熱井工程有限責任公司已在20 余口地熱井中采用打眼不包網纏絲型濾水管, 實踐證明, 采用該種濾水管可以在洗井過程中, 一次性將井洗清, 將砂粒洗出, 不會出現地熱井在使用過程中出砂問題。

 

  6 .3  洗井

 

  在下入φ177 .8 mm 水層井管后, 立即進入洗井。利用空壓機氣舉洗井, 將φ88 .9 mm 油管下至1 300 m , 然后用稀泥漿替換處井內稠泥漿, 待泥漿密度降至1 .08 g/cm3 , 后利用空壓機氣舉洗井, 熱水開始自流, 直至水清砂凈為止。

 

  6 .4  止水

 

  該井采用水泥封固和橡膠復合型止水器, 止水位置自上而下分別設在泵室段, 第四系三門組底部,于低洼地后, 采取植物措施以防止水土流失, 由于工程建設的需要, 工程施工時將棄土堆放于洼地的北側, 并在棄土場的南面用塊石進行護坡, 利用棄土場建設廠區鐵路的信號樓。因工程設計方案的調整,水土保持的設計較原方案做了相應變更, 植物措施也相應減少。

 

  (4)水土保持設施補償費調整。原方案中水土保持設施補償費考慮了輸灰管線沿線占地6 .2 hm2和租用的7 .0 hm2 農田, 但工程施工時未使用這兩塊地。

 

  6  水土保持效果

 

  新海發電有限公司本期工程施工期擾動地面面積達25 .751 hm2 。施工單位在施工過程中按照主體工程水土保持方案設計, 對臨時棄土、棄渣與開挖破壞面采取了臨時防護措施, 在試運行期間水土流失面積逐漸減少, 水土流失得到有效控制。

 

  廠區內以喬木、灌木和草坪為主進行了綠化, 有效遏制了煙塵對廠區的影響。本著因地制宜的原則, 配以相應的植物措施, 既起到了防塵降噪、凈化空氣、減少裸地的作用, 又綠化了廠區, 美化了環境。

 

  在評估工作過程中, 向電廠周圍群眾發放40 張水土保持公眾調查表, 通過抽樣進行民意調查, 78 %的人對項目建設水土保持的總體評價很滿意。

 

  7  綜合結論

 

  新海發電有限公司2 ×330 MW 發電供熱機組擴建工程基本完成了水土保持方案確定的防治任務, 投資控制和使用合理, 完成的各項工程安全可靠, 工程質量總體合格, 水土保持設施達到了國家水土保持法律法規及技術標準規定的驗收條件, 可以組織竣工驗收, 正式投入運行。