贵州地热钻探施工技术实践

2016-12-09李奇龙

西部探矿工程 2016年11期

关键词：起钻牙轮卡瓦

李奇龙

(贵州地质工程勘察院，贵州贵阳550008)

贵州地热钻探施工技术实践

李奇龙*

(贵州地质工程勘察院，贵州贵阳550008)

根据现场钻探施工实践，介绍了地热井钻探施工中一整套钻探施工技术，包括了井身设计、钻井工艺、抽水试验、事故预防与处理等内容，重点介绍了钻井工艺与事故处理。为以后贵州区域地热井的钻探施工提供了参考。

地热开发；钻井工艺；事故处理

自2006年第一口地热井施工以来，我院已经成功在贵州钻探施工了8口地热井。经过7年的发展，我院的地热钻探施工技术已经比较成熟，钻井设备、设计、工艺、事故处理等方面都累积了丰富的经验。本文从地热钻探中涉及的各个方面进行技术经验的总结，为地热开发利用提供技术支撑。

1　施工设备

地热施工主要设备配套见表1。

表1　地热钻探主要设备

2　井身设计

井身设计必须以地质设计为基础，要有利于取全、取准地质工程资料和满足地热开发为前提条件，综合考虑钻孔深度、地层特性、钻进方法、成井结构以及施工设备的能力，符合“安全、合理、经济、实用”的设计原则。

2.1井身设计的方法

（1）确定井身结构尺寸通常按照从内到外依次合理的级配进行设计。对于地热开发井，首先根据合同要求的水量确定开采套管（有眼管）的尺寸，再确定上一级的生产套管的尺寸，最后确定表层套管及井眼的尺寸，同时要注意预留处理事故需要的空间。井身设计不宜过于复杂一般不超过三开，以便于施工操作。

（2）套管与井眼之间的间隙要合适，间隙过大不经济，过小则会导致下套管遇阻。一般我们选择范围在9.5～12.7mm之间。目前国内外钻头与套管的尺寸已经规范化，我们只需要根据井身设计选择合理的搭配即可。

（3）钻头与套管之间的间隙也要合适。过大不经济，过小会造成下钻困难后续钻进损坏套管。推荐间隙范围在5.0～11.0mm内。

2.2贵州常用的井身结构

表2　贵州常用的井身结构

常用井身结构见表2，一开一般就20m左右，用来阻挡地表的松散粘土及引流泥浆到泥浆净化系统，实际上只有三开。

3　钻探施工工艺

3.1钻头的选择与使用

3.1.1钻头的选择

因为在地热井施工中主要采用回转钻进的方法，一般选用三牙轮钻头。地热井基本都是直井，因此选用不移轴的牙轮钻头类型；研磨性强的地层选用具有保径齿的镶齿牙轮钻头类型；牙轮钻头的可钻性级别要与所钻遇的岩石可钻性保持一致；在软硬交错的复杂地层，应按照较硬的岩石来选择牙轮钻头。

在贵州区域，一般在中硬岩层选用HJT537G型号的牙轮钻头，遇到坚硬岩层通常选用HJT637GG型号的牙轮钻头。

3.1.2钻头的使用

（1）新钻头入井前一定要检查是否有损伤的痕迹，水眼是否通畅，水眼中塑料盖是否取出，水眼安装是否合理。

（2）旧钻头入井前一定要核实使用时间，不宜超过厂家推荐的使用时间。同时还需要检查钻头的牙齿是否完好，轴承间隙是否过大，轴承润滑油是否足够，手动转动牙轮是否松动或咬死。牙轮松动或互相咬死的钻头都不能再使用。

（3）新钻头在距离井底10～15m时，要先循环泥浆，再缓慢匀速下放到井底。钻头到底后，前30min逐步缓慢加压，严禁加压后才启动转盘。

（4）遇到跳钻的地层，需要减小钻压匀速送钻或换用其他非冲击钻头类型。

3.2钻进参数选择

钻进参数包括机械参数与水力参数，机械参数中有钻压、转速等，水力参数中包括泵压、排量等。

3.2.1钻压的选择

在钻井过程中，钻头牙齿在钻压的作用下吃入岩层，冲击破碎和切削岩石，钻压的大小决定了吃入岩层的深度和岩石破碎的体积大小，因此钻压主要决定了机械钻速的大小。钻压的大小主要由使用的钻头来确定，同时考虑地层特性、钻柱强度、机械钻速等因素。

目前我们使用Ø216mm牙轮钻头时，钻压在10～ 15t之间调节；使用Ø152mm牙轮钻头时，钻压在6～ 10t之间调节。

3.2.2转速的选择

转速的调节灵活性不是很大，因为钻机的设定一般只有3个挡位调节，通常在30～80r/min之间调节。在软和粘土地层我们可以选择3挡，在中硬地层我们可以选择2挡，在硬岩层我们可以选择1挡。遇到实际问题，比如放钻杆摆动、扭矩增大等我们可以合适调节转速挡位。

3.2.3排量的选择

排量决定了泥浆在孔内的上返速度，而上返速度主要是泥浆携砂能力的指标，所以选择合适的排量也很重要。排量由泥浆泵所使用的缸套和冲数来决定。

一般情况下，我们只需要确定最小排量即可，施工中在最小排量基础上根据实际携砂效果调节排量。最小排量是指泥浆携带岩屑所需的最低排量，而携带岩屑的最低泥浆上返速度决定最小排量的大小。下面给出最小排量的经验公式：

式中；να——最低环空泥浆上返速度，m/s；

ρ——泥浆的密度，g/cm3；

dh——井径，cm。

式中:dp——钻具的直径，cm。

在计算中，先根据公式（1）计算出να，然后代入公式（2）中就可以计算出最小排量。现场的实际泥浆泵排量要求必须大于最小排量。

3.3泥浆

地热钻进中最常用的泥浆体系属于水基低固相泥浆。主要由清水和膨润土组成，包括纤维素、聚丙酰胺、腐殖酸钾、润滑剂、堵漏剂等添加剂。膨润土要选用钠基膨润土，因为钠基膨润土的造浆率高，保证泥浆粘度的同时不会造成泥浆浓度偏高，从而减小泥饼厚度减少卡钻的发生。

泥浆的参数中，一般要求粘度保持在25～32s之间。添加剂按地层特性添加，常用的纤维素和聚丙酰胺按照3%添加合适，可以絮凝岩屑增加泥浆的携沙能力。泥浆比重控制在1.05～1.15g/cm3之间，泥浆比重不宜偏大。泥浆的含砂量控制在3%之内，一定要重视控制含砂量，含砂量偏高钻头造成钻头重复破碎降低了机械钻速。泥浆的失水量控制在18mL之内，失水量偏高会在井壁形成较厚的泥饼，严重时会造成卡钻事故。

4　下管与固井

4.1下套管注意事项

（1）下套管之前如果有过停工，必须带钻头起下钻一趟，保证能够顺利完成下套管工作。

（2）开工之前检查浮鞋浮箍的密封效果是否完好，以保证后面的固井效果。

（3）下套管作业时注意控制下放速度，套管内20s/根，裸眼井段控制在30s/根，平稳操作防止过大的激动压力压漏地层。

（4）下套管过程中，每下完30根套管需灌浆一次，灌浆同时上下来回活动几次套管，严禁长时间静止，防止套管粘卡。

4.2固井

地热井中的固井通过水泥的强度将套管与井壁之间进行封固，使井壁与套管之间不能出水窜水从而保证目的层的出水温度与水质质量。

下完套管固井前必须一直保持循环泥浆,保证固井通道通畅。一般固井水泥选用普通的硅酸盐水泥即可，如果井内温度达到60℃以上选用油井用水泥。通常要求水泥浆密度要求1.75g/m3以上，套管内水泥塞高度不少于10m，候凝不少于24h。替浆完成后，碰压检测固井质量，压力15MPa在5min内无明显下降说明达到固井目的。

现场的干水泥用量一般利用水泥浆的密度来，水泥浆的用量应为套管和井壁之间环空容积与套管内预留水泥塞高度的容积之和。

干水泥用量理论公式：

T=V×ρ干水泥（ρ水泥浆－ρ水）/（ρ干水泥－ρ水）

式中：ρ干水泥——干水泥密度，g/m3，一般取3.15；

ρ水泥浆——水泥浆密度，g/m3；

ρ水——水的密度，g/m3；

V——水泥浆体积，m3；

T——干水泥质量，t。

5　抽水试验

抽水试验一般采用稳定流抽水试验，一般要求进行3次不同水位降深的抽水，以确定Q-s间的关系，要求各次降深的抽水连续进行；对于富水性较差的含水层或非开采含水层，可只做一次最大降深的抽水试验。最大出水量，可根据同一含水层中已有水井的出水量推测，或根据含水层的经验渗透系数值和设计水位降深值估算，也可根据洗井时的水量来确定。抽水开始后的第5、10、15、20、25、30min各测1次，以后每隔30min或60min测1次。稳定延续时间必须从抽水孔的水位和流量均达到稳定后计算起。根据相关规范：卵石、圆砾和粗砂含水层8h；中砂、细砂和粉砂含水层16h；基岩含水层为24h。

6　钻井事故预防及处理

6.1钻井事故预防

（1）钻井液维护处理要严格按设计要求加足处理剂，以保证井眼畅通，井壁稳定和井下安全。

（2）深井段起钻前一定要维护处理好钻井液性能，并充分循环干净后再起钻。起钻时必须及时灌满钻井液。

（3）起钻遇阻时，应立即接方钻杆循环、活动、倒划眼。必要时可配一定量高粘切的稠浆打入井内携砂洗井，不得大吨位强提硬拔。

（4）下钻距井底前3～5个单根，必须接方钻杆循环划眼到底，不得强行将钻具硬下入沉砂、水泥混浆或小井眼中。

（5）因生产水供不上导致泥浆量不足时，不得存在侥幸心理，凑合维持钻进，应立即果断起钻。

（6）因某种原因需暂时停钻，要开泵循环，勤活动钻具，静止时间不得超过3min。活动钻具时幅度要大，方法要得当，并不能在一个位置长时间循环钻井液。若井下不正常,应果断起钻。

（7）因设备突发性故障需停钻修理，应根据实际情况，将钻具起至安全井段或全部起出。若无法起钻，应尽量设法活动钻具或开泵循环；实在无法循环活动时，应将钻具悬重压在井底。

6.2钻井事故处理

钻井事故处理最常见的有卡钻处理，落物打捞。

6.2.1卡钻处理

卡钻事故中最常见的是粘吸卡钻。粘吸卡钻的主要原因是井壁上存在粘滞系数大的泥饼，且井内液柱压力与地层压力之间存在正压差，一旦停止循环，不活动钻具，则一部分钻具贴到井壁上与泥饼接触，静止一段时间后就会造成卡钻。其特征是机械钻速逐渐降低，转盘扭矩逐渐增大；泵压有所上升；上提钻头有阻力；起钻时，阻力随着井陉不同变化；起钻时，井口环形空间的液面下降，或下降很慢，或随钻具的上起而外溢。

粘吸卡钻的处理一般分为以下几个步骤：

（1）加大井内冲洗液的循环排量，同时大幅度活动钻具。一旦发生卡钻事故，一定要保证泥浆循环的通道通畅。如果是泥浆的原因造成粘吸卡钻，可以采用清水将井内泥浆进行置换。同时适当的上下活动钻具，转动转盘，严禁大吨位强提硬拔。

（2）卡点位置的计算。卡点公式为：

H=K×L/P，K=21F=0.164934（D2-d2）

式中：H——卡点深度，m；

L——钻杆连续提升平均伸长，cm；

P——钻杆连续提升时平均拉力，t；

K——计算系数,无因次；

D、d——管柱外、内径，mm。

根据现场施工经验，一般卡点多发生在井内的粗径部分，比如较粗的钻铤位置。

（3）如果换用清水活动钻具还不能解卡，可以采用置换泥浆使用专门解卡液。我们做过试验，分别用柴油、碱液、稀盐酸、清水和泥浆浸泡井内取出的泥饼，发现稀盐酸的效果最好。后面几次的解卡实践也证明了稀盐酸的稀释泥饼效果很好。具体施工中，将合适用量的稀盐酸用清水顶替到卡点位置，浸泡时间一般12h以上，一般都能实现解卡。

6.2.2落物打捞

常见的落物打捞工具有公锥、母锥和可退式卡瓦打捞筒。在实践中我们发现可退式卡瓦打捞筒比公锥母锥都好用打捞效果更好一些。因为公锥母锥需要造扣而往往造扣比较困难技术上也不好操作；如果鱼头不规整，还需要下入磨铁钻头修整鱼头；下部钻具如果重量很大容易脱落。而可退式卡瓦打捞筒不存在这些缺点，所以重点介绍可退式卡瓦打捞筒的原理与操作。

可退式卡瓦打捞筒是从落鱼外径抓捞落鱼的打捞工具。它可以打捞钻铤、钻杆、油管、接头、接箍和其它井用管子。该系列工具功能完备，有密封结构，抓住落鱼后能进行泥浆循环。若抓住的落鱼被卡也,能很容易退出来。还带有铣鞋，能有效地修理鱼顶裂口、飞边，便于落鱼顺利进入捞筒。如果需要增大网捞面积可连接加大引鞋，鱼顶偏倚井壁时可使用壁钩，抓捞部位距鱼顶太远可增接加长节。

首先，根据落鱼尺寸选用适当捞筒，配相应尺寸的一种卡瓦和盘根等。视井身变化和井径选定引鞋或加大引鞋，亦或壁钩，确定落鱼的抓捞部位是否需要连接加长节；卡瓦公称打捞内径一般应小于鱼顶打捞部位外径1～3mm；根据实际情况，当需要增大网捞面积时，可选择使用加大引鞋；当鱼顶偏倚井壁时，可选择使用壁勾；当打捞部位距鱼顶较远时，可选择使用加长节。

下面是可退式卡瓦打捞筒的打捞操作过程：

（1）下钻前计算好碰顶方入、铣鞋方入和打捞方入。

（2）将捞筒连接在捞柱上，大钳不得夹卡在筒体上，以免损坏筒体，紧扣扭矩与捞柱相等。

（3）把可退式打捞筒下到距鱼顶0.3～0.5m位置，开泵循环，冲洗鱼顶周围的沉积物。

（4）停泵，顺时针间断转动并缓慢下放钻具，试探鱼顶。

（5）根据打捞方入及打捞钻具悬重变化，判断卡瓦已进入鱼顶打捞部位后，停止转动并施加3～5t的钻压，使落鱼进入卡瓦。

（6）缓慢上提钻具，根据悬重变化判断是否捞获。未捞获时，可重复上述步骤。

（7）将落鱼提离井底0.5～0.8m，猛刹车2～3次，证明落鱼卡牢即可正常起钻。

（8）在鱼顶方入找不到鱼顶时，如打捞钻具长度校对无误，可在可退式打捞筒上带加大引鞋或壁钩，亦可加肘节或弯钻杆再捞。

（9）井内如需要退出落鱼，下放钻柱，顺时针方向旋转钻柱并慢慢上提，直到可退式打捞筒退出落鱼为止。无法退出时，推荐用地面震击器，用5～10t震击力多次震击。

（10）捞上落鱼后，起钻拆卸立柱时不能用转盘卸扣。

（11）当落鱼起出井口后不应在井口释放，更不能在井口压松可退式打捞筒,有可能时可在钻台上压松落鱼。