静观ZK1号地热井的施工及开发利用计划

任良治,田正权,邝光升,田贵维

(重庆市地勘局208水文地质工程地质队,重庆 400700）

静观ZK1号地热井的施工及开发利用计划

任良治,田正权,邝光升,田贵维

(重庆市地勘局208水文地质工程地质队,重庆 400700）

介绍了静观ZK1号地热井施工概况和设备机具选择,简述了分层钻进措施:采用“三开两固”成井,各次钻具配套,泥浆性能指标,固井工艺措施及抽水试验方法。经测定其井口水温63.5℃,由于其井口自流量仅为421.9 m3/d,不便于下一步开发利用,拟定在距原井700 m处再施工一定向井,并提出了定向井的初步设计方案。

地热井;设备机具;固井;定向井;开发利用

1 概述

静观ZK1号地热井位于重庆市北碚区静观镇。早在20世纪90年代,静观镇就被中国花木协会授予“中国花木之乡”的美誉。镇内有极富农家特色的“乡村嘉年华”等旅游景点,加之其北连金刀峡风景区,南接主城区,西与著名的北温泉、缙云山风景区毗邻,地理位置极为优越。2007年初,我队与重庆市地科投资有限责任公司看准商机,计划总投资3000余万元,请相关专家经过近2年的论证,在距“乡村嘉年华”约1 km处,通过土地流转的方式,征地10亩。2009年初在征地范围内布设ZK1号地热井,经过3个多月时间完成施工,终孔井深2290 m。井口自流量为42119 m3/d,洗井后井口压力1.32 MPa。通过抽水试验,专家推荐允许开采降深为380 m(含压力水头）,推荐允许开采量为942.8 m3/d。井口最高水温63.5℃。取水样经权威检测机构测试,该地热水为含偏硅酸、偏硼酸的氟、锶硫酸钙型低温医疗热矿水,pH值7.32,是有较高医疗价值、沐浴等多种用途的医疗热矿水。

2 ZK1号井成井工艺

2.1 施工设备

根据重庆地区地层特点及该井初步设计,钻孔需穿过的主要岩层为侏罗系中下统下沙溪庙组、新田沟组、自流井组、珍珠冲组、三叠系上统须家河组第1～6段砂泥岩地层夹煤线,三叠系中统雷口坡组泥灰岩夹灰质白云岩地层,最后在三叠系下统嘉陵江组碳酸盐地层(热储层）终孔,设计井深2200 m (实际终孔井深2290 m）。其钻探施工设备见表1。

表1 施工用主要设备机具表

2.2 钻孔结构

根据地层情况,采用“三开两固”成井。

一开:用“311.2 mm牙轮钻头钻至200 m,下入“244.5 mm套管作永久性固井。

二开:用“215.9 mm牙轮钻头钻至1566 m,下入“177.8 mm套管作永久性固井。

三开:用“152.4 mm钻头钻至目的层位。考虑到须家河组一、三、五段易发生坍塌,必须封固,故在须家河组和雷口坡组采用实管,嘉陵江组井段采用花管成井(见图1）。

图1 ZK1号井井身结构示意图

2.3 钻进工艺

2.3.1 钻具组合

一开选用P3钻头,二开选用SH33/SH33R钻头,三开选用SH33/H517钻头,钻具组合见表2。

表2 钻具组合表

2.3.2 钻井液

根据地层情况,一开、二开、三开采用不同的钻井液。

一开:0～200 m井段,用膨润土加10%的Na2CO3配制普通泥浆。膨润土预水化处理48 h后使用。

二开:200～1566 m井段,用膨润土加聚丙烯酰钾配制低固相优质泥浆护壁。

三开:1566～2290 m井段,采用清水钻进。

经现场实测各段钻井液主要性能指标见表3。

表3 实测钻井液主要性能指标

2.4 固井

该井第一次固井深度选择在200 m,固井前钻井液密度为1.05～1.15 g/cm3。选用G级水泥,水泥浆密度为1.75 g/cm3。套管串结构:“244.5 mm引鞋+“244.5 mm套管鞋+联顶节。

第二次固井深度为1566 m,固井前钻井液密度为1.15 g/cm3。选用G级水泥,水泥浆密度为1.85 g/cm3。套管串结构:“177.8 mm引鞋+“177.8 mm套管鞋承托环+“177.8 mm套管+联顶节。

固井工艺采取的主要技术措施:

(1）固井前检查井内泥浆密度,严格控制在1115 g/cm3以内。

(2）各层套管质量必须符合API标准,各层套管所用钢级均为J55、壁厚≮8.05 mm的套管,套管附件符合规范。

(3）“177.8 mm技术套管每下入20～25根灌注井浆一次,防止挤毁套管和套管附件。

(4）下入套管时要认真对扣、上扣、紧扣,各层套管最下面5根要进行铆固。

(5）每次固井候凝后进行声幅测井检测固井质量。有固井质量问题应及时采取补救措施,达到固井质量要求。表层套管固井后,二开前安装34612 mm×2Fz35～35双闸板防喷器试压合格,探水泥塞后用清水对套管试压3 MPa。三开探水泥塞后用清水对套管试压3～5 MPa,稳压时间>30 min。

2.5 洗井

该井共进行2次洗井。第一次将“73 mm风管下至1000 m,采用S10-250空压机正循环洗井。洗井后水头压力稍有下降,自流量却明显增大,由洗井前的2.488 L/s增加到4.88 L/s,且水色清澈,泥砂明显减少,其效果十分显著。第二次洗井在试抽水之后进行,将“73 mm风管下至1500 m处,用同样的空压机正循环洗井,目的是想进一步增大井口自流量。但效果不明显,自流量无增大趋势。

2.6 抽水试验及取得的成果

经过气举洗井后,将R150-ES-21型深井泵下到井深250 m处进行抽水试验。通过三角堰观测其稳定水量为942.8 m3/d。

根据物探测井资料分析,将该井234.2 m处定为常温点,计算出地温梯度为2.25℃/100 m。热储层温度计算公式:

式中:T——热储温度,℃;d——热储埋藏深度,该井取2285 m(热储层底板深度）;h——常温层埋藏深度,根据井温曲线,取234.2 m;△t/△h=2.25℃/100 m,根据测井计算地温梯度确定;t0——常温层温度,取24.04℃。

通过计算,该井的热储层热储温度70.18℃。根据ZK1地热井观测资料,井口水温最高为63.5℃。由此可见,该井长期开采的热储温度能够得到保证。

3 存在问题及下步开发计划

3.1 存在问题

经相关专家认定,该井属“高温低产”地热井,经水质分析化验,其水质良好,对人体有较高的药疗价值。但由于该井井口自流量只有421.9 m3/d,如限于井口自流量开发利用,其量偏小。如用动力抽水利用,虽然水量可以达到942.8 m3/d,但长期固定成本会大大增加,而且不符合“节能减排”的要求。如果超过征地范围(在该井的影响半径范围外）再布一井,则会给集中开发利用造成3大困难: (1）要重新通过土地流转获得用地,用地成本很高; (2）铺设管道占地太多,需经过大量农田和苗圃,费用太高;(3）热水远距离输送的保温效果差,直接影响地热水的功效。

3.2 开发利用计划

经反复论证,对各种方案进行比选,初步确定在征地范围内,距ZK1井约700 m处,施工ZK2号井。采用“顶层进”的方法,沿垂直岩层面方向施工一定向井,预计深度1900 m,预测定向井底部与ZK1号井孔底距离为480 m,与ZK1号井形成“姊妹井”。如图2所示。

定向井参照《定向井轨道计算与轨迹计算》(SY/T 5435-2003）标准进行计算,采用二维轨道设计中的三段轨道模型,即“直—增—稳”型轨道。从造斜点开始,以井深为自变量,选定步长为50 m,计算出分点数据。

图2 定向井初设示意图

井身设计基本数据为:井口坐标X=330622017, Y=36358339,Z=335;定向方位290°,水平位移220 m;开窗口位置250 m;靶点垂深1570.49 m;靶点斜深1591.00 m;靶点坐标X=3306004.9,Y=36358417.6, Z=1570.49;靶区半径及靶心距50 m。

井深0～250 m为直孔段,严格将钻孔弯曲度控制在1°以内。250 m开始造斜至800 m,为增斜段。800～1900 m为稳斜段。

4 结论及建议

(1）根据重庆地区的地层特点及热储层埋藏深度,施工ZK1号井的设备选型、机具配套、钻进工艺措施是可行的。

(2）ZK1号井经过2次空压机正循环洗井,水量虽有增大,但效果并不明显。建议在有条件时设计反循环洗井机具,效果可能更好。

(3）固井是地热井施工的重要环节。固井作业前,必须校正好井深,设计好套管串,排好顺序,并进一步校正套管强度。

(4）开工前应制定周密的安全应急预案。内容应包括“井喷失控应急预案”、H2S中毒应急预案、防火应急预案等。

(5）定向井的设计,应充分考虑原井眼的轨迹和热储层的倾角,以最少的工作量穿透热储层。

[1] 吕玉香,等.重庆市北碚区静观“中国花木之乡”地热井(ZK1）完井报告[Z].重庆:重庆市地勘局208水文地质工程地质队, 2009.

[2] 李连生.第三系地层中地热井施工常见的主要问题[J].探矿工程(岩土钻掘工程）,2004,31(9）:59-60.

[3] 刘广志.特种钻探工艺学[M].武汉:中国地质大学出版社, 1999.

[4] 屠厚泽.钻探工程学[M].武汉:中国地质大学出版社,1987.

Construction of Jingguan ZK1 GeothermalW ell and Development&Utilization Plan

REN Liang2zhi,TIAN Zheng-quan,KUANG Guang-sheng,TIAN Gui2wei(208 Hydrogeology and Engineering Geology Team,ChongqingBureau of Geol-ogy andMinerals Exploration,Chongqing 400700,China）

This paper introduces the machinery and equipment for geothermalwell construction,and describes the stratifi-cation drillingmeasures:32section and 2-cementing forwell completion,drilling toolmatching,mud property,well cemen-ting and pumping test.Itwas unfavorable for further development and utilizationwithwellheadwater temperature of 63.5℃and flowing yield only 421.9 m3/d.Another directional well was planed to construct 700 m away from the original well; and the design scheme was put forward.

geothermalwell;machine equipment;well cementing;directionalwell;development and utilization

TE249

:A

:1672-7428(2010）10-0048-03

2010-09-10

任良治(1962-）,男(汉族）,四川南充人,重庆市地勘局208水文地质工程地质队地科勘察设计院副院长、高级工程师,探矿工程专业,从事水文地质钻探技术与管理工作,重庆市北碚区天生劳动村10号,208renlz@sina.com。