定向钻井技术在咸阳地区地热井施工中的应用

2017-06-19陈建兵

地下水 2017年3期

关键词：定向井钻具钻头

陈建兵，张斌

(陕西工程勘察研究院，陕西西安 710068)

定向钻井技术在咸阳地区地热井施工中的应用

陈建兵，张斌

(陕西工程勘察研究院，陕西西安 710068)

咸阳市位于汾渭盆地南段的渭河断陷盆地中部，地热赋存条件良好，地热水水质优良、水量充沛，地热资源非常丰富。采用定向钻井技术，已在咸阳市成功钻成多口定向地热井，取得了良好的经济效益，本文对定向钻井技术工艺进行论述，通过选择合适工具，对定向井进行合理设计等手段，并对施工工艺及难点进行严格把控，使该定向钻井技术在地热井施工中取得了良好效果，为咸阳市合理规范开发地热资源积累了经验。

定向钻井；咸阳地区；地热井；定向井施工

1 区域概况

地热资源集矿、能、水于一体，是一种优质、清洁、可再生的能源,具有很高的经济价值和利用价值。目前地球环境日趋恶化、常用能源逐渐短缺，而地热资源储量巨大、清洁环保、综合利用价值高，已受到世界很多国家的关注。咸阳处于汾渭盆地南段的渭河断陷盆地中部，莫霍面埋藏浅，地热赋存条件良好，地热异常明显，地热分布面广，地热水水质优良、水量充沛，地热资源非常丰富。目前，咸阳地热资源开发应用于城市供暖、洗浴、旅游、休闲保健和农业种植、养殖等领域。为合理利用地热资源，充分发挥地热资源的优越性，解决一些实际问题，采用定向钻井技术，在一些受限制地区设计钻探定向地热井，已成功钻成多口定向地热井，获取了非常好的经济效益。同时，也获取了一定地热钻井经验。

2 地层及岩性

咸阳地区地质分层自上而下主要有第四系秦川群(Q2-4qc)、第四系三门组(Q1s)、上第三系张家坡组(N2z)、上第三系蓝田—灞河组(N2l+b)、与上第三系高陵群(N1gl)；第四系为隔热保温层，第三系形成了三个热储层。(具体见表1)。

3 定向井工艺

定向钻井技术在石油钻探中已普遍使用，利用石油钻探中的定向钻井技术，结合地热井的特点，在咸阳地区施工三口井，探索定向地热井的施工工艺。

3.1 定向工具

定向施工的工具主要有：无线随钻测斜仪(MWD)，单弯螺杆动力钻具(1°、1.25°)，￠241.3牙轮钻头及PDC钻头，￠177.8无磁钻铤，￠226扶正器。

3.2 定向井设计

3.2.1 井身结构设计

根据地质地层及地热储层的特点，结合地热井的技术特点，该地区的地热井井身结构多设计为二开结构，井身结构及套管程序如下：一开井径￠444.5mm，一开套管直径￠339.7mm，二开井径￠241.3mm，二开套管直径￠177.8mm，所用套管必须符合美国石油协会指定的API标准。定向段一般设计成三段制，即直井段、增斜段和稳斜段(见图1)。

表1 地层与岩性表

3.2.2 造斜点的确定

造斜点的选择是定向井能否成功的关键因素之一，一方面定向施工要求造斜点岩石的硬度应能起到对造斜点钻具的支撑作用，另一方面又要把造斜点选择在深度较浅的位置，用较小的井斜角和造斜率得到较大的水平位移。在实际施工中，经过不断的探索，根据钻井中遇到的实际情况，定向井设计的造斜点逐渐上移，第一口井为2 073.39 m，第二口井上移到1 022.77 m，第三口井上移到580 m。实践证明，在第三系上部较松软地层定向造斜是可行的。定向点的上移，既保证了水平位移，又降低了最大井斜角和造斜率，降低了钻具在井壁上的摩阻力，同时也降低了施工危险性。(咸阳地区定向地热井主要技术指标表2)

图1 定向井井身结构图

3.3 案例分析

定向井的施工中，选择合理的钻具组合是定向井成功施工的另一关键因素，例如在DR1#施工中首先选用了PDC钻头造斜，钻具组合为：方钻杆+5in钻杆+61/ 4in钻铤(6根)+7in无磁钻铤+MWD定向短节+1°单弯单扶￠197螺杆钻具+PDC钻头。由于首次在该地区定向施工，采用垂直井的钻进差数钻进一段井段后，发现井斜未增，定向造斜没有成功；随后起钻更换了新的钻具组合：方钻杆+5in钻杆+61/ 4in钻铤(6根)+7in无磁钻铤+MWD短节+1°单弯单扶￠197螺杆钻具+三牙轮钻头，采用该组钻具组合后，造斜达到了设计要求，增斜段采用了定向钻进(仅钻头转动)和复合钻进(钻具和钻头同时转动)，基本按照设计轨迹钻进。钻进完增斜段后，开始稳斜钻进，采用了双扶稳斜钻具：方钻杆+5in钻杆+61/ 4in钻铤(6根)+7in无磁钻铤+MWD短节+￠226扶正器+1°单弯单扶￠197螺杆钻具+PDC钻头，复合钻进一段后，发现井斜没有稳住，出现了降斜趋势，如果一直采用这组钻具组合钻进至设计井深，肯定无法中靶；经研究决定更换钻具组合，去掉稳斜钻具组合的上扶正器，复合钻进一段后，又出现了增斜趋势，定向钻进进行降斜，效果不明显；经过分析研究认为，井斜增大后对该井设计影响不大，井斜增大井底位移相应也会增大，达到了设计定向井的设计初衷，于是继续钻进至设计井深，虽然井斜超过了设计的最大井斜，但井底位移相应的也增大了，完全实现了设计定向井的目的。

表2 咸阳地区定向地热井主要技术指标

DR2#井基本上采用了DR1#井所用钻具组合，但在施工中吸取了DR1#井的工作经验，定向工作较顺利，从表2中可以看到最大井斜比DR1#井减小了，水平位移指标也达到了设计目的；施工速度比DR1#井增快了很多。

DR3#井根据DR1#井和DR2#井的施工情况更改了部分设计，使定向钻进更容易控制。在DR3#井施工中，根据前面两口定向井的成功施工经验，钻具组合和定向造斜点的选择做了大胆的尝试，首先选用了大直径(￠203)的螺杆动力钻具，该螺杆具备大扭矩、大钻压、大功率特点，为在钻进中选择钻进参数提供了条件，定向造斜点也选择在上部第四系的松软地层。钻具组合如下：方钻杆+5in钻杆+61/ 4in钻铤(7根)+7in无磁钻铤+MWD定向短节+1.25°单弯单扶￠203螺杆钻具+PDC钻头，采用这组钻具组合后，在定向钻进中加大了钻压，效果十分良好，不但井斜增加达到了预计的情况，钻进速度比前面两口定向井快多了，通过实际的工作证明了在第四系的地层中完全可以进行定向造斜钻进。定向造斜点的上移，降低了全井的最大井斜角，井斜变化率大大降低，井下的安全系数增加，减少了施工的难度，轻松完成设计的井底位移量。从某种意义上说，DR3#井施工取得圆满的成功，让定向地热井的施工技术更加成熟。

3.4 存在问题

在定向井施工中我们遇到一个难题，就是托压，在定向钻进时加压没进尺，有时甚至上提后钻头再次不能顺利接触井底，出现问题后我们曾怀疑地层的可钻性差，钻井液性能差等，但事实证明不是这些原因。有些地层定向钻进没进尺，可采用复合钻进时钻时却很快，钻井液性能经过分析也是很好，这需要在以后施工中继续研究。

4 定向井施工工艺及难点

(1)在施工前做好定向井的前期技术准备和井眼准备工作。

(2)严格按照设计要求的钻具组合进行配备，严格按照定向钻井参数要求进行。

(3)认真对地热井地层与岩性进行分析，选择适合地层的钻头加快钻进速度。

(4)做好钻井液管理，做到“以维护为主，调整为辅”的管理方针。稳定钻井液性能，使钻井液参数达到设计要求，使钻井液质量达到携砂好、护壁性能好，达到防卡、防塌之目的。

(5)定向施工每10～30 m进行一次井斜的测量，发现偏差及时调整导向钻具的工具面。

(6)要求每次定向仪器入井前及下钻中途要测试测斜仪器，但应避免在松散地层中测试仪器。

(7)下钻应控制好下钻速度，避免下钻速度过快影响测斜仪器的工作状况。

5 钻井液

5.1 钻井液基本要求

钻井液是定向井施工的一个重点，定向井对钻井液的要求很高，它要求钻井液具备良好的抑制性、防塌性、润滑性、耐温性和携砂性。地热井的井底温度一般在100℃以上，个别能达到150℃，定向井中钻柱和井壁的接触面积较大；钻井液系统的耐温性能和润滑性能尤其重要，要能保证井眼的稳定性，减少斜井段钻柱和井壁的摩阻，来保证定向钻井工程安全顺利施工进行。

5.2 钻井液体系与性能

根据咸阳地区的地层特点，定向地热井施工中选用了低固相聚合物钻井液体系和三磺聚合物钻井液体系，该体系具有很好的防塌性能和防高温性能。钻井液性能：密度1.10～1.15 g/cm3，粘度30～45 s，失水量7～12 ml/30min，含砂量<0.2%，pH值7～8.5，泥饼厚度0.5 mm。

5.3 钻井液调配

钻井液性能调配措施如下：钻井液中加入FA-367与PAC-141配合使用包被钻屑，防止钻屑和泥页岩水化，有效的防止了井壁垮塌，促使井壁稳定，聚丙烯酰胺和80A51配合使用具有增粘、絮凝、改变流型、降滤失等作用，使用铵盐降低钻井液滤失量、防塌剂抑制钻屑分散和地层造浆，稳定井壁，防止井壁塌陷、润滑剂改善钻井液润滑性，降低井壁与钻具之间的摩擦；磺化沥青粉、磺化褐煤、磺甲基酚醛树脂SMP配合使用形成‘三磺’体系，是抗温和抗盐的降滤失剂，在高温高压的条件下有良好的降滤失水作用。它还能改变泥饼的润滑性、调节钻井液的流变性，具有一定的防塌性能。

5.4 钻井液使用效果

通过多口定向地热井的施工证明，这两套钻井液体系达到了预定的目的要求，高分子聚合物钻井液具有较强的抑制性，较好的“包被”效果和流变性，提高钻速、消除了定向井施工中常见的岩屑床，起到减少井下复杂事故及降低钻井成本的目的；三磺体系具有很好的抗高温性，在井底温度很高的情况下，钻井液的性能十分稳定，没出现因为温度高而导致钻井液固化或者钻井液粘度剧增的现象。尤其是完钻后向钻井液中加入塑料大球，为后期完井作业的顺利进行奠定了基础。