伊春西岭地热井钻探施工工艺与方法

2017-09-03张鸿飞

地质装备 2017年4期

关键词：牙轮钻具花岗岩

张鸿飞

(黑龙江省煤田地质二〇四勘探队，黑龙江七台河 154600)

伊春西岭地热井钻探施工工艺与方法

张鸿飞

(黑龙江省煤田地质二〇四勘探队，黑龙江七台河 154600)

本文主要论述了用RPS 3200钻机及配套设备施工地热井的全部过程，对施工过程中出现的井斜超标、钻铤折断等问题进行了分析研究，找出了问题的原因，制定了解决问题的办法，完成了该井的施工任务，同时吸取经验，接受教训，为今后施工奠定基础。

地热；钻井；工艺

0 引言

在花岗岩地区寻找地下热水资源，对于黑龙江省煤田地质二○四勘探队来说还是第一次，特别是在花岗岩地层，并且是在破碎带中施工2700 m的深井，也是第一次尝试，施工难度非常大。这对我们来说是一次新的挑战，新的机遇，同时也给我们提出了新的技术课题。

1 设计目的与主要任务

1.1 目的

(1)获取水温、水量、水质达到开发利用的地热资源，满足投资方对地热的需求；

(2)通过钻探施工，初步查明地热储层的岩性、储水结构、裂隙发育程度和富水性。

1.2 主要任务

(1)测定地层增温率、电阻率、自然电位等，为评价本地区地热资料获得参数，同时为本地区地热的开发积累基础资料；

(2)成井后进行抽水试验、水质分析，为评价该地区地热资源提供水文地质参数，计算初步储量，为今后的地热资源可持续开发利用提供可靠依据。

2 地质、水文地质条件

2.1 地理位置及地质条件

井位位于一南北向延伸山谷的南端，附近地形以宽阔山谷与平缓山丘或较陡之山脊相间所构成的丘陵山地为主，属于小兴安岭南端地形延伸的一部分。

在大地构造单元分区上，本地区位于伊春延寿褶皱带上，地表为巨大的南北向花岗岩占据，从元古代到中生代都有分布，以晚印支期中酸性花岗岩最为发育。该地热井处在地质活跃地区，地质构造复杂。本地区火成岩以花岗岩为主，属于一种酸性侵入岩体，单独的花岗岩体外观呈近似圆形，若多个花岗岩侵入体沿某一弱带侵入，则风化后形成延长状山脊地貌。除花岗岩体之外，本地区可能包括有其他喷出火山岩流穿插，包括安山岩、流纹岩或玄武岩，甚至有火山碎屑岩或火山沉积岩，地层分布及地质构造甚为复杂。本地区近期(新生代以来)的大地构造活动并不强烈，因此新生代以来地形之发展主要受到地表风化侵蚀之外营力作用所控制，故发展成目前壮年期至老年期地形特征，原始火成岩之构造形貌仍隐约可见。

2.2 水文地质条件

基于对本地区地形现况以及一些零星地质露头的观察，对本地区地下可能遇到的一些岩层的水文地质特性描述如下，以作为建立本地区地下热矿水地质模式之参考依据。

2.2.1 表土及冲积层

地表由泥、砂、砾石组成，主要分布于河谷及两侧低平地表层之堆积层，底部以不整合关系与下伏岩盘接触。该地层井隙率及渗透率均高，内充满自由地下水，水位通常接近地表或地下1～2 m内。此种蓄流于冲积层内的地下水为冷水，如龙头附近即有因阶地崖高差而在崖脚有地下水渗出现象。

2.2.2 火成侵入岩体

成分以花岗岩为主，岩质坚硬致密，原生井隙率及渗透率均极低，本身不含水，但花岗岩因坚硬致密，在大地应力作用下常易发展出规则的破裂面(节理)，成为地面水入渗、地下水流通的重要管道。

2.2.3 火山喷出岩流

外观常呈层状，由火山喷发口向四周低处流动倾下，主要岩石种类包括酸性流纹岩、中性安山岩及基性玄武岩等。此等岩流岩质致密，原生井隙率及渗透率均低，但部分喷出岩流含有气井而稍具渗透率，部分可流通或蓄存少量地下水。喷出岩可以在冷凝收缩或大地应力作用下产生多组节理裂隙，当这些节理裂隙发达时亦可流通或蓄存部分地下水。

2.2.4 火山碎屑岩或火山沉积岩

为火山强烈爆发时，火山灰、火山岩屑或火山泥流沉积而成，具有层理，常与火山岩流互层，成岩后包括凝灰岩、凝灰角砾岩、集岩块以及各种火山碎屑岩。此等岩石具有与沉积岩类似的井隙率及渗透率，有时可为地下水良好的储水层及通水层。

以上火山喷出岩及火山碎屑岩具有原生井隙率及渗透率，岩层本身即可储存或流通地下水，此点由大庆油田方面近年来研究深层火山岩层，已证实可储存并生产油气得到证明。次生井隙或裂隙为本地区火成岩地层最重要的储水及通水构造，这些次生井隙包括断层带或断裂带、节理裂隙、岩流与岩流间的不整合面以及侵入岩体与围岩间的挤压接触带等。

3 钻探工程设计与施工

3.1 设计

3.1.1 完井层位及井深

根据地层结构和岩性特点，该地热井完钻深度位于燕山期花岗岩段，设计终井深度约2700 m，在达到设计深度时，视钻遇的实际地层情况和浆液漏失量确定完钻层位。

3.1.2 井径

各井段的井径设计如下：一开深度0～10 m，井径≥445 mm；二开深度10～1600 m，井径≥311 mm；三开深度1600～2700 m，井径≥216 mm。3.1.3 技术套管

技术套管确定如下：一开深度0～10 m，套管规格∅339.7 mm×8 mm，下深视基岩深度而定，原则上进入完整基岩不少于1m；二开深度10～1600m，套管规格∅244.5 mm×8.94 mm，下深0～1600 m，套管高出地面0.3 m，井口套管必须保证螺纹完好并用接箍保护；三开深度1600～2700 m，地层完整时可以裸井完井，当地层破碎时，下入∅177.8 mm×8.05 mm的套管和滤水花管，下深1580～2700 m，一开套管与二开套管重叠大于20 m。

3.1.4 井身结构

井身结构设计及有关数据见表1。

表1 井身结构一览表

3.2 钻进施工

3.2.1 设备选择

由于该井设计孔深较深，设备要求能力比较高，为确保该井顺利完成，设备使用的是张家口探矿机械厂生产的RPS 3200型钻机及其配套设备。实践证明，该套设备能力强，故障率低，耗能小。具体情况见表2。

表2 井钻进施工所需设备

3.2.2 施工简介

该井于2013年6月2日8:00开始一开钻进，采用∅444.5 mm牙轮钻头钻进至井深10.86 m时见完整花岗岩，下入∅339.7 mm表层套管，固井。二开钻进于2013年6月6日开始，采用∅311 mm牙轮钻头钻进至井深754.08 m时，根据钻遇地层岩石的完整程度，并以纸介质上报到甲方，经甲方现场负责人签署同意协议后，提前结束二开钻进，下入∅244.5 mm套管，固井。三开钻进于2013年7月9日开始，采用∅215.9 mm牙轮钻头钻进至井深2702.51 m，裸眼完井。因施工中出现了井斜，经钟摆钻具纠斜、螺杆钻具定向纠斜后，恢复正常钻井，后期因在起钻时工人操作不慎出现了跑钻事故，延误了工期。

3.2.3 钻具组合及井身结构

(1)一开钻具组合

∅444.5 mm牙轮钻头+∅178 mm钻铤+133 mm×133 mm方钻杆。

(2)二开钻具组合

∅311 mm牙轮钻头+WL311螺旋扶正器+∅203 mm钻铤(1根)+ WL311螺旋扶正器+∅178 mm钻铤(2根)+ WL311螺旋扶正器+∅178 mm钻铤(11根)+∅159 mm钻铤(10根)+∅89 mm钻杆+133 mm×133 mm方钻杆。

(3)三开钻具组合

∅215.9 mm牙轮钻头+ WL215螺旋扶正器+∅178 mm钻铤(1根)+ WL215螺旋扶正器+∅178 mm钻铤(2根)+ WL215螺旋扶正器+∅178 mm钻铤(9根)+∅159 mm钻铤(6根)+∅89 mm钻杆+133 mm×133 mm方钻杆。

(4)定向钻进钻具组合

∅215.9 mm牙轮钻头+螺杆钻具+定向接头+∅178 mm 钻铤(1根)+减振器+∅178 mm钻铤(8根)+∅159 mm钻铤(2根)+∅89 mm钻杆+133 mm×133 mm方钻杆。

施工过程中实际井身结构示意见图1。

图1 井身结构图

3.2.4 钻头使用

由于是第一次在花岗岩地层使用牙轮钻头施工，所以在钻头的选择使用上还只是摸索阶段。该井使用钻头施工情况见表3。

从表2可知，该井共使用牙轮钻头36只，其中∅444.5 mm一只，∅311 mm五只，∅215.9 mm三十只。钻头最高使用寿命深度为202.05 m，最低使用寿命深度为10.75 m(有的钻头还可以正常使用)，平均使用寿命深度为77.21 m。

这说明在钻头使用上还存在一定的问题，主要是经验不足，一是钻头在井底是什么状况，应不应该起钻，还能不能打，能打打多长时间判断不清；二是对岩石软硬判层不清，不知道钻头在井底能打多深，

表3 各种钻头选择使用表

所以有时钻头打的超过正常使用时间，钻头外径变瘦，使井径变小，换钻头后要进行长井段扫孔，导致钻头异常磨损。有时钻头还没到不能使用程度就起钻，增加了辅助时间，缩短了纯钻时间，使效率下降。

3.2.5 钻进参数选择

(1)一开钻进

钻压0.5～20 kN，转速33 r/min，排量28 L/s，泵压0～2 MPa。

(2)二开钻进

钻压40～160 kN，转速75 r/min，排量28 L/s，泵压2～8 MPa。

(3)三开钻进

钻压40～140 kN，转速75 r/min，排量18～28 L/s，泵压8～18 MPa。

(4)定向钻进

钻压60～80 kN，转速75 r/min，排量28 L/s，泵压8～20 MPa。

3.2.6 钻井液的使用

一开钻进采用细分散泥浆，二开钻进至下完表层套管换用低固相泥浆，三开钻进至2048.02 m使用低固相泥浆，2048.02 m至完钻采用无固相泥浆。

(1)0～754.08m使用细分散泥浆，配方为：钠基膨润土+纯碱+羧甲基纤维素；泥浆性能：密度1.10～1.30 g/cm3，漏斗黏度25～30s，滤失量8～10 mL/30 min，泥皮厚1.5～2 mm，含砂量小于0.4%，pH8～10。

(2)754.08～2048.02 m使用低固相泥浆，配方为：钠基膨润土+纯碱+羧甲基纤维素+腐植酸钾+润滑剂；泥浆性能：密度1.05～1.10 g/cm3，漏斗黏度17～24.5 s，滤失量6～8 mL/30 min，泥皮厚1～1.5 mm，含砂量小于0.4 %，pH 8～10。

(3)2048.02～2702.51 m使用无固相泥浆，配方为：羧甲基纤维素+聚丙烯酰胺+腐植酸钾+润滑剂；泥浆性能：密度1.05 ～1.10 g/cm3，漏斗黏度17～24.5 s，滤失量6～8 mL/30 min，泥皮厚1～1.5 mm，含砂量小于0.4 %，pH 8～10。

3.2.7 时效分析

详情见表4和表5。

表4 时效分析表

表5 侧钻时间表

处理跑钻事故时间为37天。因处理事故在井底残留近200 m钻具，所以采用水泥封井至1611.64 m，再用螺杆钻具侧向钻进，绕过事故钻具，于2013年11月15日开始侧钻，2013年12月15日开始放假，于2014年3月3日开始施工，放假时间为78天，于2014年4月13日钻探施工结束。

该井所用的作业总台时为5700.17 h，其中钻探作业台时为3556.50 h，非钻探作业台时为740.17 h，处理事故台时为888.00 h，侧钻台时为515.50 h。钻探作业台时中的纯钻台时为2116.67 h。

由此可知，该井时效为1.28 m/h，台月数4.94，台月效率547.07 m，纯钻率37%，钻月数7.9，钻月效率342.09 m。从上述数字可以看出效率低的原因，一是纠斜钻进影响了效率的提高；二是因处理断钻导致效率下降；三是时间利用率低，停等时间过长，说明在生产管理上还有不足之处，这一点应在今后工作中加以改进，加强管理工作才能提高生产效率。

4 取得的钻探、地质成果

4.1 钻探成果

(1)大口径牙轮钻进在井深上突破了2000 m大关，达到2702.51 m，这对黑龙江省煤田地质二○四勘探队来说是一个重大突破；

(2)通过定向纠斜钻进，掌握并能熟练地利用了随钻测斜技术，这为今后施工水平井、定向井奠定了基础；

(3)熟练掌握了螺杆钻进技术用于大口径牙轮钻进，为今后把这一技术推广到小口径绳索取心钻进打下了坚实的基础；

(4)硬岩地区使用牙轮钻进技术，在时效上突破了1 m/h，为今后在硬岩地区施工使用牙轮钻进技术提高效率开了个好头；

(5)锻炼了队伍，增长了经验，提高了职工钻探技术水平，为大口径钻探施工积累了宝贵的经验。

4.2 地质成果

(1)完井井斜角控制在2°以内，虽然在井深1050 m处井斜角最大达到了12.5°，但经过定向纠斜钻进使井斜角最终控制在2°以内，这在二○四队钻探史上创下了奇迹；

(2)该井出水量达到6 m3/h，出口水温达到30 ℃；

(3)通过水质化验的结果来看该井水质良好，属于优质深层地下水，完全符合开发利用地下热水资源的水质标准，为甲方做好绿色旅游开发奠定了基础。

5 施工出现的问题及解决方法

5.1 问题

(1)没有认真执行《伊春市西岭地热井施工组织设计》中每100 m测量井斜一次，导致二开下完套管(754.83 m，此时井斜角为1.7°)后至1005.82 m井斜角增至8.4°，不得已采取跟踪测斜纠斜的办法进行纠斜。

(2)错误地认为花岗岩地层因为没有层理和倾角，所以采用牙轮钻头施工不可能出现井斜。

(3)由于钻铤质量问题导致钻铤折断9次，在处理断钻事故时由于经验不足，丝锥吃扣深度不够，在起钻过程中发生跑钻事故。分析断钻的原因：一开始认为是井斜角大，钻进过程中阻力大导致钻铤从内螺纹根部折断，后来把这些钻铤换下用到乌伊岭地热井施工(当时井深为425 m，井斜角为0.5°)，结果还是出现了钻铤从内螺纹根部折断现象，最后把这部钻铤全部停止使用；后来才知道断钻还是钻铤质量不合格，材质不过关所致。

5.2 造成的后果

(1)由于井斜增加不得已采取跟踪测斜纠斜的办法进行施工，导致效率下降，使施工时间延长。

(2)由于处理跑钻事故，使施工时间加长，钻探成本增加。

(3)因整个钻探施工周期延长，给单位造成了不利的影响，也给业主带来了不便，并留下了不好的印象。

5.3 解决问题的方法

(1)采取跟踪测斜纠斜的办法进行施工，避免了井斜角的增加，控制住了井斜。

(2)由于在处理断钻时在井底残留了近200m的事故钻具，无法进行正常钻井施工，后采用封井侧钻的方法，绕过事故钻具顺利完成了该井的全部施工任务。

(3)认真吸取教训，要改变错误的观念，吃一堑，长一智，认真执行施工组织设计，不打折扣。