太原地热优快钻井技术

冯 涛 龚 冲 刘永鹏 张时中

太原地热优快钻井技术

冯 涛 龚 冲 刘永鹏 张时中

（中石化华北石油工程有限公司河南钻井分公司，河南 南阳 473000）

太原地热开发是太原市近年的重点环保项目，担负着太原新城区集中供暖的任务。由于区块地层条件复杂，钻井中容易出现直井段偏斜、刘家沟组机械钻速低、双石地层垮塌失稳、石炭系煤层垮塌掉块、热储层漏失等问题，导致钻井周期长、成本高，严重影响了该区块的开发进程。为此，进行了区块优快钻井配套技术研究，在2016年实钻4口地热井的基础上，形成了一套以直井段防斜、刘家沟组钻井提速、PDC钻头选型、双石地层和煤层井壁稳定、热储层随钻堵漏等技术为核心的技术体系。现场应用效果良好，钻井周期大幅度缩短，工程质量获得甲方好评。

优快钻井；太原；地热井

太原地热能开发，主要区块为田庄断裂以北及汾河断裂以西的西温庄-黄陵隆起，以丛式井形式，开发太原盆地寒武系、奥陶系碳酸盐岩热储层[1]。每个开发平台一般布置1口直井和1～3口定向井，较大平台可能布置5口定向井。TD-1井后，先后开发了西-SSSS、西-FHJD、西-GXWL、西-CDL、西-QGY和西-JLQC等多个井组，为太原市新城区集中供热、清洁供暖。

1 工程概况

2016年，中石化华北石油工程有限公司河南钻井分公司在太原地区承钻4口地热井，完成进尺9 883m，工程质量受到甲方好评。河南钻井分公司陕北项目部根据太原区块的钻井技术难点，组织技术攻关，形成了一套以直井段防斜、刘家沟组钻井提速、PDC钻头选型、双石地层和煤层井壁稳定、热储层随钻堵漏等技术为核心的区块优快钻井技术体系。

4口地热井平均钻井周期27.72d，较2015年缩短3d以上，其中西-CDL-1井钻井周期23.46d，一举刷新了工区最短钻井周期记录。

2016年施工的4口地热井基本数据见表1。

2 钻井技术难点

2.1 钻遇地层主要特点

区块完钻垂深2 000～2 500m，定向井井斜30°左右，井底位移达到1 000m。自上而下钻遇第四系，第三系静乐组，三叠系刘家沟组，二叠系石千峰组、石盒子组，石炭系山西组、太原组、本溪组，奥陶系峰峰组、马家沟组、亮甲山组、冶里组，寒武系凤山组、长山组、崮山组。第四系至第三系地层松软，可钻性好；三叠系刘家沟组存在砾石，钻进过程中憋跳严重，易损伤PDC钻头；石炭系含有煤层，极易垮塌；奥陶系和寒武系是热储层，有大裂缝和溶洞，漏失严重，部分井组有失返性漏失记录。

表1 2016年4口地热井工程基础数据表

2.2 主要钻井技术难点

①一开下部进入静乐组后，极易发生井斜。静乐组埋深一般在300～400m，岩性为黏土、砂质黏土、砂砾石不等厚互层，地层松软，机械钻速较高。西-QGY井组位于田庄断裂边缘，同平台两口井一开均在320m后井斜突然大幅增加。

②刘家沟组可钻性差，机械钻速低。刘家沟组厚度400m左右，主要为紫红色-棕红色泥岩、细砂岩。该泥岩呈硬脆性，机械钻速较低。刘家沟组中下部含有砾石，钻进中憋跳严重，损伤PDC钻头。如表2所示，4口井刘家沟组机械钻速仅4～5m/h，除西-QGY-2井外，需使用2～3只PDC钻头才能钻穿刘家沟组地层。此外，刘家沟组地层存在微裂缝，钻进中易发生漏失。

表2 刘家沟组地层PDC钻头使用和机械钻速情况表

③双石地层砂泥岩互层，裸眼段井壁存在失稳垮塌风险。石千峰、石盒子组存在多种泥岩，包括石千峰组棕红色泥岩、上石盒子组底部灰色泥岩，下石盒子灰绿色泥岩，如图1所示。钻进中，需严格控制钻井液比重，否则极易发生泥岩垮塌掉块。

④石炭系地层含多层煤，极易发生煤层垮塌。区块山西组、太原组和本溪组均含有煤层，实钻中煤层厚度最大超过10m。且区块煤层较为松软，易垮塌，区块曾有煤层垮塌卡钻记录，4口井煤层均有不同程度的垮塌掉块现象。

⑤三开热储层极易发生漏失，且多发失返性漏失。奥陶系地层以灰岩为主，地层裂缝多，峰峰组、上马家沟组、下马家沟组易发生漏失，但较少发生失返性漏失。进入寒武系凤山组后，地层以白云岩为主，存在大量溶洞，多发失返性漏失。特别是地层交界处失返性漏失可能较大，如西-QGY-2井冶里组与凤山组交界处发生失返性漏失。

图1 西-CDL-2井双石地层泥岩掉块

3 优快钻井技术

3.1 直井段防斜打快

采用塔式防斜钻具组合：445mmPDC钻头+730×630双母接头+203mm无磁钻铤+203mm钻铤×3根+178mm钻铤×9根+127mm加重钻杆×9根+127mm钻杆，配合无线MWD随钻测量。第四系地层松软，缓慢加压至5～10kN，转速60r/min。进入静乐组后，严格控制钻压10～20kN、转速120r/min、排量34L/s，并控制大钩下放速度。随钻加密测斜，每根单根测斜1次，实时跟踪。进入刘家沟组后，可缓慢提高钻压至40～60kN，以获得较高的机械钻速。

3.2 刘家沟组钻井提速

采用MWD+单弯螺杆钻具组合：311mm钻头+216mm（0.75～1.25°）螺杆+203mm定向接头+203mm无磁钻铤+203mm钻铤×3根+178mm钻铤×9根+127mm加重钻杆×9根+127mm钻杆。优选河北锐石S1952FC钻头，提高PDC钻头攻击性，以提高机械钻速。钻头入井以5～10kN钻压造型0.5m后，再缓慢增大钻压。钻进中严格控制钻压，刘家沟上部以40～60kN钻压钻进，100～150m后，机械钻速降低，可适当提高钻压至80kN。若砾石憋跳严重，应适当降低钻压，减少憋跳，钻头后期可增大钻压至100kN。在保证机械钻速的同时，尽量增加单只钻头进尺，防止PDC钻头提前失效。

3.3 优选PDC钻头

根据大量实钻井钻头使用数据，可以准确科学地为钻头选型提供依据，区块地质条件变化不大，根据实钻4口井的钻头数据和邻井的钻头使用数据进行比对，从而优选PDC钻头是十分有效的[2-4]。

①一开推荐使用格锐特444.5mmGS1906TZ，且一开钻头磨损较小，可以重复使用以节约成本。该型钻头在西-QGY-2井再次使用后，出井钻头仍具有较高的新度。如图2所示。②刘家沟组采用19mm复合片5刀翼设计，加强钻头攻击性，提高机械钻速，推荐使用锐石311.2mmS1952FC。该型钻头在西-QGY-2井单只钻穿刘家沟组，出井后复合片重度磨损失效，但基本未出现崩齿情况。③二开中下部采用16mm复合片5刀翼设计，较小的复合片以增加钻头抗研磨性，增加单只钻头进尺，减少起下钻次数，推荐使用锐石311.2mmS1655FC和格锐特311.2mmGS1605STZ。如图3所示。④三开热储层可钻性较好，尽量单只钻头打完三开，采用16mm复合片6刀翼设计保证钻头抗研磨性，推荐使用格锐特215.9mmGSD1636TZ。该型钻头在西-CDL-1井单只钻头打完三开，进尺780m，机械钻速13.76m/h。

图2 444.5mmGS1906TZ重复使用后出井

图3 311.2mmS1952FC钻穿刘家沟出井

3.4 双石地层井壁稳定

双石地层时区块二开复杂多发段，技术上应严防死守，操作上应精细负责。复合钻进中，密切监视钻压和悬重的变化，磨阻异常增大应及时划眼处理。滑动钻进中，出现憋泵、托压现象，应及时调整钻进参数，改善钻井液流变性能。当不适合再继续滑动钻进时，应立即停止。钻井液性能应整体保持稳定，比重控制在1.12以上，漏斗黏度应控制在45～50s，并适当增加膨润土的用量。每钻进1根单根，划眼1～2次，每钻进200m进尺，应短起下钻1次，修整井壁。起钻时控制速度，严防起钻抽汲导致泥岩段井壁失稳，并每起出1个整立柱灌浆1次。

3.5 煤层防塌钻进

进入山西组地层前，将钻井液比重提高至设计上限，保证对井壁的物理支撑。煤层段钻进时，严格执行“进一退二”，并加强划眼，保证无阻卡后继续钻进。钻穿煤层后，进行短起下钻，验证煤层井壁稳定情况。通井起钻前，应替入高粘封闭钻井液，完全封闭煤层井段。

3.6 热储层随钻堵漏

为保护热储层，三开漏失原则上严禁采用大颗粒进行堵漏。但有效降低漏失速度，控制漏失钻井液量是十分必要的[5]。奥陶系地层以裂缝性漏失为主，随钻加入4%～5%膨润土+（5%～6%）DF-1+0.5%NaOH+0.5%Na2CO3，封堵地层裂隙。西-QGY井组施工过程中，加入随钻堵漏剂后，漏失量有明显降低，漏失速度降低一半以上，如表3所示。钻开凤山组前，应备足生产水，以应对突发失返性漏失。

表3 随钻堵漏效果

4 结论与建议

①采用塔式钻具组合，配合MWD监控，小钻压高转速的措施，能有效解决太原区块直井段易斜问题。②优选PDC钻头，严格控制钻压，是解决刘家沟组机械钻速低，PDC钻头提前失效的有效手段。③双石地层和太原组煤层失稳，可以通过细化技术措施，精细现场操作有效控制这一情况。④热储层井漏与堵漏的矛盾，仍是今后区块地热井钻井中的重点矛盾，区块失返性漏失目前仍无较好解决办法，建议开展溶洞、大裂缝等条件下的堵漏技术研究。

［1］贺鹰.太原盆地西温庄隆起地热田地质特征［J］.山西焦煤科技，2010（6）：47-49，56.

［2］顾晶，王越之.轮古地区钻头优选技术研究［J］.中国科技信息，2010（14）：37，42.

［3］王越之，曹光福，陈松平，等.考虑钻头指标修正的钻头评价优选技术［J］.长江大学学报（自科版），2016（32）：82-85，7.

［4］路小帅，王越之，雷满，等.利用数理统计方法对钻头进行优选及评价［J］.断块油气田，2007（6）：63-65，93.

［5］马光长.井漏综合分类及其堵漏方法的选择［J］.钻采工艺，1993（4）：15-20.

Optimal and Fast Drilling Technology of Geothermal Well in Taiyuan

Feng Tao Gong Chong Liu Yongpeng Zhang Shizhong
（Henan Drilling Company of Sinopec Huabei Oil Engineering Limited Coporation，Nanyang Henan 473000）

Geothermal drilling development has become an important program in Taiyuan,Shanxi Province,and it undertake the mission of central heating of the city.Because of the complicated formation,excessive deviation in vertical section,low drilling rate in Liujiagou formation,borehole instability in Shiqianfeng&Shihezi formation,coal collapse in carboniferous formation,thermal reservoir leaking,and other problems serious effect the drilling,and it cause the long drilling cycle and high drilling expense.Some studies on optimal and fast drilling techniques had been made to solve the problems mentioned above.Based on the four geothermal well drilling in 2016,a whole set of techniques formed,including deviation prevention in vertical section,faster drilling rate in Liujiagou formation,PDC drilling bit selection,borehole stability in Shiqianfeng&Shihezi formation and carboniferous formation,leaking stoppage in thermal reservoir.The application is good,the drilling cycle has reduced substantially and the quality of the projects get a high praise.

optimal and fast drilling;Taiyuan Block;geothermal well

TE242.9

A

103-5168（2017）09-0128-03

2017-08-03

冯涛（1989-），男，本科，研究方向：石油和天然气井钻井工程现场生产组织工作。