铁岭市凡河地区地热钻井技术与评价

2015-12-19王洪伟许和奇袁子波

西部探矿工程 2015年3期

关键词：岩屑岩性深度

王洪伟，许和奇，袁子波

（1.辽宁省第九地质大队，辽宁铁岭112000；2.辽宁省第一水文工程地质大队，辽宁锦州121000）

铁岭市凡河地区地热钻井技术与评价

王洪伟*1，许和奇2，袁子波1

（1.辽宁省第九地质大队，辽宁铁岭112000；2.辽宁省第一水文工程地质大队，辽宁锦州121000）

地热资源是清洁可再生的矿产资源。地热含水的综合性质、施工地层的特点和施工地区区域的复杂情况对地热成井工艺提出了不同要求。针对铁岭市凡河地区地热空白区蓟县系铁岭组或雾迷山组白云岩地层，从设备选型、钻井结构、成井工艺等方面进行了分析研究，并对该地区地热资源进行了评价，为该地区和其它类似的地区进一步勘查开发地热资源提供指导和借鉴。

地热；钻井；铁岭；评价

1 概述

地热资源作为一种能源和独特的旅游疗养等资源，已受到各级政府的高度重视，并得到了快速发展。地热资源的开发，对城市建设和地区经济发展具有一定的推动作用，扩大地区知名度、招商引资，都具有现实和长远的意义。

铁岭市是地热空白区，首先运用地球物理勘探新技术新方法，初步查明铁岭市凡河地区的地质构造条件，分析地热资源的生成条件和开发利用前景，找出地热工作勘探靶区，为政府实施地热资源勘探规划提供地质依据。本次工作首先进行地球物理勘探，自2007年5月开始，相继开展了高精度磁法测量、重力测量、可探源音频大地电磁测深、地震勘探和大地电磁频谱岩性探测等5种方法，确定了确定在铁岭市凡河地区腰堡进行该市的首眼地热井施工，设计钻井深度2500m，取水层位为深部的蓟县系铁岭组或雾迷山组白云岩。

铁凡热ZK1井于2009年4月20日开钻，同年10月13日终孔，井深2501.08m。经反复洗井和多次抽水试验，出水温度36℃，日出水量810t，达到《天然矿泉水地质勘探规范》（GB/T13727-92）规定的命名标准，可命名为淡温泉水。取得了本区热储结构和地热参数等重要资料。

2 区域地质特征

铁岭市凡河地区大地构造位置处于胶辽台隆（Ⅱ级构造单元）铁岭—靖宇台拱（Ⅲ级构造单元）凡河凹陷（Ⅳ级构造单元）腰堡隆起（Ⅴ级构造单元）内。工区附近主要出露第四系，区域有太古界、中上元古界及中生界出露。

3 地热地质条件

凡河地热井实钻地层。根据地质录井、钻井录井和测井等资料综合对比分析本井实际钻遇地层如下：

（1）第四系（Q）：主要为冲积物和洪积物，岩性为亚砂土、亚粘土和砂砾石，厚度约50m。

（2）古近系沙河街组（E1s1-3）：上部为灰紫色、紫红色粉砂岩、泥岩，下部为灰色深灰色砂砾岩。本组岩石成岩固结较差，顶部风化较强，与第四系界线不甚清楚。埋藏深度50～575m，视厚度525m；

（3）白垩系得胜台组（K2d）：岩性为紫红色泥岩、含砾泥岩，底部为黄褐色砂砾岩，埋藏深度575～655m，视厚度80m；

（4）蓟县系雾迷山组：

①雾迷山组下亚段第六段（Jxw16）：岩性为浅灰色、灰白色燧石（条带）白云岩，下部（1025～1060m、1070～1085m）夹微褐色石英砂岩，埋藏深度655～1110m,视厚度455m；

②雾迷山组下亚段第五段（Jxw15）：上部为褐色、灰色石英砂岩，下部为灰绿色石英砂岩，偶夹深灰色石英砂岩，埋藏深度1110～1650m，视厚度540m；

③雾迷山组下亚段第四段（Jxw14）：岩性为深灰色、灰黑色中细粒石英砂岩，底部为中粗粒石英砂岩，埋藏深度1650～2330m，视厚度580m；

④雾迷山组下亚段第三段（Jxw13）：岩性以灰黑色泥灰岩含砂泥灰岩为主，顶部夹中粗砂岩，下部为硅质岩及粉砂岩，埋藏深度2330～2501.08m，钻遇视厚度271.08m，未穿透。

4 热储层及构造条件

铁凡热ZK1井实钻结果，盖层较薄，第四系厚度仅50m左右，古近系沙河街组视厚度525m,白垩系得胜台组视厚度80m，以上盖层加在一起仅655m。由于过早地揭露热储层，致使出水温度比原设计低了十几度。但该井热储层处于构造裂隙带中，岩石较破碎，节理裂隙发育，地下水径流和储存条件较好，故出水量仍达到原设计指标（大于800t/d）。

5 地热井钻探施工方法及质量评述

铁凡热1井井身结构原设计“四开”结构，由于地层埋藏深度和岩性变化，为保证出水量，改为“三开”结构，将原设计“三开”井径Ø216mm施工到1600m改为直到井深2500m，取消了“四开”段的Ø152mm的井径。

5.1 钻探施工

成井主要设备：

（1）钻机：GZ-2600型水源钻机1台；

（2）钻塔1套；

（3）泥浆泵（QZ3NB-500）1套；

（4）钻具：

①Ø178mm钻铤6根；

②Ø159mm钻铤12根；

③Ø121mm钻铤12根；

④Ø89mm钻杆2500m；

⑤震动筛、除砂器各1套；

⑥泥浆循环泵2台。

5.2 井孔实际结构及成井主要材料

根据本井确定的井孔结构和钻进中钻遇地层情况，各阶段钻具组合、井孔结构及成井主要材料如下：

（1）一开：孔径为Ø444.5mm，深度12.4m。

钻具组合：钻头为Ø444.5mm三牙轮钻头，钻铤Ø178mm 1根；

下入Ø339.7mm无缝钢管，壁厚9.65mm，钢级为J55，下入深度0～12.4m，作为护壁管。

（2）二开：孔径Ø311mm，深度411.67m。

钻具结合：钻头为Ø311mm三牙轮钻头，钻铤Ø178mm 6根，钻杆Ø89mm多根；

下入Ø244.5mm无缝钢管，壁厚8.94mm，扣型为短螺纹，钢级为J55（附件一），下入深度0～411.67m。

固井选用开原水泥有限公司生产的P042.5型矿渣水泥，环空体积13m3（扩径系数取1∶1），水泥用量16t，水泥浆密度1.80g/cm3，水泥浆返至地表，候凝96h。

（3）三开：孔径Ø216mm，深度2501.08m。

钻具组合：钻头为Ø216mm三牙轮钻头，钻铤Ø159mm 12根，钻杆为Ø89mm多根。

利用悬挂器下入Ø177.8mm无缝钢管（技术套管和滤水管），壁厚8.05mm，扣型为长圆螺纹，钢级为N80。

滤水管位置根据钻遇地层及漏失情况，并结合岩屑录井、测井曲线解释含水层位置决定下入的位置。

5.3 钻井施工方法

5.3.1 钻进泥浆

该地热井地区地表为第四系，厚度50m左右，仅施工12.4m，第四系下伏古近系、白垩系及蓟县系等，由于深度和岩性不同，因此各施工阶段钻进泥浆性能也不同，各阶段钻进泥浆性能详见表1。

表1 泥浆性能配置一览表

5.3.2 地质录井

（1）做好地质观察与编录工作，观察岩屑成份、岩性变化、并保留岩屑样品；注意观测钻井液性能及漏失量变化，详细记录钻进涌水、漏水、掉块、坍塌、放空及缩径等现象。

铁凡热ZK1井在940～1047m白云岩段漏失40m3，在1465～1471m石英砂岩段漏失6m3。其它井段未发现大的漏失。

（2）岩屑录井：

①第四系不取样，由于古近系沙河街组岩石固结较差，上部井内返出的岩屑认为砂砾石，造成未见基岩的假象。上部仅观察，未取样，实际从410m开始取样，取样间距5m，捞取后立即清洗干净，及时进行深度标识、干燥及时装袋。岩屑袋按井深由浅到深，自上而下顺序排列。

②实事求是地区分每包岩屑的真假岩屑，找出代表性岩屑，进行岩性描述。

5.4 洗井和抽水试验

5.4.1 洗井作业

首先用清水替浆后，再用清水冲洗井壁，将井内泥浆替出；然后将三聚偏焦磷酸钠制成浓度为1%的化学洗井液注入井内，静止浸泡24h，之后再用上述药液循环并冲刷井壁，将井内残存泥浆替出，该方法反复进行2次。后用2台250个压力的大型空压机进行气水混合和接力气举联后洗井。

为了更彻底的清理孔内岩屑和污染的残浆，同时考虑本井主要含水层为蓟县系雾迷山组白云岩，又灌入盐酸36t进行酸化洗井，后再用大型空压机冲洗，在主要水层还进行了射孔工艺，增大出水量，至水清砂净后做抽水试验。

5.4.2 抽水试验

本井抽水试验依据设计要求做了2个降深试验，每个落程稳定时间均大于24h。观测项目：水位埋深、水量和水温等，按观测时间频率同步进行。大降深用40m3水泵进行，泵下到291m；小降深用20m3水泵进行，水泵下到185m。抽水试验结果水量为810t/d，达到设计指标，出水温度最高为36℃，低于设计指标，主要原因是热储（含水）层提前1000m左右见，主要水层在940～1050m（钻探录井950～1047m漏失40m3，岩性为白云岩），该段测井温度为30℃～32℃。从该井出水温度看本井主要出水段在此940～1050m深度内，本井深部岩性以石英砂岩为主，水量不大。

6 水质评价

6.1 医疗热矿水评价

6.1.1 水质类型

本井温泉水pH值为7.75，属中性水；矿化度为427mg/L，属淡水，达到医疗矿泉水水质标准；总硬度（以CaCO3计）为189mg/L，属微硬水；温度为36℃，属低温水，达到医疗矿泉水（≥34℃）的温度；水中主要阴离子为HCO3—，含量271mg/L，毫克当量百分数为81.3%；主要阳离子为Mg2+，含量27.9mg/L，毫克当量百分数为43.4%；其次为Ca2+和Na+，含量分别为29.7mg/L和30.4mg/L，毫克当量百分数为27.9%和24.9%；本井地下水类型为HCO3—-Mg2+•Ca2+（重碳酸镁钙）型水。

6.1.2 热矿水类型

根据《天然矿泉水地质勘探规范》（GB/T 3727-92）中的医疗矿泉水水质标准，本井热水中矿化度小于1000mg/L，温度大于34℃，可命名为淡温泉水。其他对人体有益元素偏硼酸含量为1.2mg/L，达到有医疗价值浓度，偏硅酸含量为21.6mg/L，接近有医疗价值浓度。对人体有害元素氰化物（小于0.001mg/L）、汞（小于0.000005mg/L）、铅（小于0.0008mg/L）等含量极微，均在允许范围之内，对人体不会产生影响。

6.2 矿泉浴的医疗作用

淡温泉水在医疗上多以浴用为主。淡温泉中存在着丰富的无机触媒，具有极强的氧化还原能力；能促进皮肤中正肾上腺素分解增多，对人体的循环机能有保护方面的改善，对内分泌系统亦有类似ACTH的作用。淡泉浴能刺激衰老者植物神经机能，改善机体全身体态和提高内分泌功能，具有“返老还童”的作用。

偏硼酸具有消炎止痛、促进伤口愈合的作用。

6.3 生活饮用水评价

本井水质检验报告与《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）对比，水质常规指标中的元素含量均小于规定的限值，水质非常规指标中的元素也均小于限值，初步认为适于饮用。