1 我國地熱井鉆探施工發展概況

 

  1.1 20世紀70 年代

 

  20 世紀70 件代，我國僅北京、天津等少數地區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以內地熱鉆探。此階段鉆具規格有：?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逐步全面展開，國內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 泥漿正循環鉆探工藝

 

  近年來，反循環鉆探、沖擊鉆探、潛孔錘鉆探等鉆探工藝得到了普遍的應用及發展，但鉆探工藝依然是以正循環回轉鉆進為主，具有最廣泛的適用性。

 

  2.1.1 工藝參數

 

  （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，推薦鉆壓應為107~226kN，但在生產中因鉆鋌和鉆桿質量問題，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體積破碎，此時，上返巖屑顆粒較大。因此，要提高鉆探效率，應使用質量好的鉆具，加足鉆壓鉆進。

 

  （2）轉速。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采用低壓高速，轉速為85~90r/min；對于硬和極硬地層應采用高壓低速,轉速為60r/min 左右。

 

  （3）泥漿參數。泥漿的主要作用是保持孔底清潔，并維護孔壁穩定。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，應加入降失水劑，泥漿性能應為：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）。現場須配有振動除砂器和旋流除砂器，提高泥漿的質量并及時替出廢漿。

 

  （4）泵量。泵量應保證孔底干凈，無殘留巖屑。孔內巖屑過多，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：泵量小；由于造漿作用，孔底泥漿粘度較大；牙輪自轉不靈活。

 

  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，優質泥漿等技術措施。有條件時應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、灰巖、砂巖時，孔壁穩定性較好，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，可根據地層和實踐經驗進行選擇。

 

  2.2 氣舉反循環鉆探工藝

 

  氣舉反循環鉆探工藝能避免泥漿對環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水能力。

 

  氣舉反循環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：沉沒比＞0.5。一般應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鉆探工藝。采用GZ-2600 型鉆機，WY-7.5/40 型空壓機，設計孔深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，即自然電位、梯度電阻率、電位電阻率、井斜及井溫參數，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，不能簡單地依靠統一模式和程序進行解釋。因測井參數具有多解性，不結合實際地層和巖性解釋測井結果，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，因此固井是重要環節。最好對于花管或裸孔以上段全孔進行固井。固井應該用專用設備、專業隊伍進行。特別是對于不同管徑間的環空處，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，經過多次多方法洗井水量水溫達不到要求。后根據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，經過多次多方法洗井水量仍很小，無法使用。后根據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。在此井成功的基礎上，該地區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的引入應用到地熱井施工中來的。鐵嶺凡河ZK1 井原設計熱儲層（白云巖）埋深1600m，設計井身結構為三開結構，設計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 巖性變為石英砂巖，石英砂巖含水性較差。為保留住熱儲層（白云巖），鉆孔結構由三開變為二開，最后采用掛管技術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，如果引進石油系統的壓酸、壓裂方法洗井方法將取得更好的效果。

 

  4 結論

 

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

 

  （2）根據我國各地區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（如正循環方法、反循環方法）。

 

  （3）固井是地熱井施工的重要環節。固井作業前必須做好設計，選擇專用固井設備及優質水泥保證固井的成功。

 

  （4）地熱井的成井關鍵在洗井，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、射孔技術及固井技術等工藝。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。