雄安新区地热井钻探施工难点及措施

吕利强

(中国煤炭地质总局第四水文地质队，河北邯郸 056000)

近年来，我单位承揽了“雄安新区地热清洁能源调查评价”项目多口地热井的钻探施工任务。设计井深2 500m，目的层位是蓟县系雾迷山组和长城系高于庄组,其重点是查明蓟县系雾迷山组和长城系高于庄组碳酸盐岩热储的地质结构和空间分布，为研究区域地热地质条件、热源机制提供基础数据，为实施深部热储监测提供平台。

长城系高于庄组热储在该区地热田分布广泛，但由于其埋深较大，以往不作为主要开采热储层，此目的层地质构造复杂，断裂纵横，钻探施工少，研究程度较低，可供借鉴的资料很少，钻探效率低、取心困难；雾迷山组存在判层难等问题。针对这些问题，我们在施工中不断地研究、试验，总结出了不少应对措施，效果良好。

1 地质特征

对该区具有重要影响的断裂构造主要有牛东断裂、大兴断裂、容城断裂、牛南断裂和雄县西断裂，其走向主要为NE向，其次为EW向、 NNE向和NW向。区内地层见表1。

2 存在问题及对策

2.1 雾迷山组判层

2.1.1 现象

位于雄安新区大营镇文家营村的D02井钻进到621m时漏失，多次堵漏效果不佳，通过取心，判断已进入雾迷山组灰岩。随钻堵漏剂封堵后下入Φ244.5mm套管。下管后钻进到639m时钻井液开始消耗，时返时停，不断补浆顶漏钻进到779m时，孔底岩粉太多，无法加尺。使用多种堵漏材料调浆堵漏6次，均不成功，捞粉管也捞不下去。后来钻头出套管到636m就遇阻，而且扫不下去，井下电视发现套管底脚坍塌、掉块。随即注水泥封孔，素水泥浆无效，连续五次都探不到水泥面。

2.1.2 采取措施

用P.O42.5硅酸盐水泥，在水泥浆中加1%的锯末和少量水玻璃，钻具下到套管底脚，封闭井口，“真空”注浆10m3，关井候凝；72h后，下钻扫孔到665m，

表1 钻遇地层

再用此法注浆10m3。凝固后扫孔到739m，又扫下不去。分析原因：665m以上地层已封固，孔底沉渣是封水泥前上部掉块，粒径较大，又处于自由状态，钻头既扫不碎也冲不出地面，只得用Φ178mm的捞粉管捞取。连续捞取了18趟，把孔内落物清理干净，下部正常钻进，直至钻进到雾迷山组底部再次下套管没有发现上部坍塌掉块等现象发生。

2.1.3 分析

雾迷山组上界面判断准确与否是在本区钻井能否顺利的最关键的环节之一。雾迷山组风化壳是指刚进入到完整灰岩段。风化壳地层松散，不完整，深度和厚度不一。本区地热井全部设计进入完整基岩下管隔离上部明化镇组。而雾迷山组进入即漏而且难堵，钻进困难，施工队伍往往急于下管。套管如果穿不过风化壳，进入不了完整基岩，下管后风化壳坍塌掉块，下部施工困难甚至无法正常钻进；如果下管不及时，钻进过多，基岩大漏，极易引起上部地层坍塌掉块甚至卡钻，抑或无法封堵裸眼地层，下管后无法固井。

本井就是套管少下了30m，如果能克服困难钻进到660m，套管能坐到完整基岩上，就不会出现这种现象。

2.2 套管断脱

2.2.1 现象

位于容城县午方西庄的某井进入雾迷山灰岩Φ244.5mm套管下到759m，钻进到1 488m，下钻时钻头在套管内666m处遇阻，加工小径三棱钻头到741m又遇阻。通过Φ183mm铅模照相(图1)、地球物理测井等综合分析，套管在666m和741m两处断脱、错位。后把Φ127mm钻杆割制成斜口，在断口处旋转能穿过断口下到裸眼。

图1 铅模Figure 1 Lead mold

2.2.2 采取措施

更改设计，提前下入Φ177.8mm套管隔离断脱套管(原设计钻穿雾迷山组抽水后下管)，然后钻进到雾迷山底部，抽水后继续钻进到终孔，再下Φ127mm套管封闭雾迷山组下部。

Φ177.8mm套管下口割制成斜切口(图2)，接箍和管体间加焊Φ8mm粗的钢筋，变台阶为斜坡导角，底部10根套管按标准扭矩紧扣后再点焊，以防后期钻进倒扣(本级套管不能固井)。

图2 套管底口Figure 2 Casing shoe

下管时在原套管断脱处旋转、调试多次下到孔底1 488m，套管外在进入雾迷山的深度(原Φ244.5mm套管下部)安置橡胶伞等止水材料，最后封闭井口在套管上口挤注水泥。既成功地隔离了错脱的套管，又封闭上部地层水完成了既定的抽水任务。后期采用Φ152mm牙轮钻头加Φ127mm螺杆的复合钻进工艺完成了本井的施工任务。

2.2.3 原因分析

进入雾迷山组风化壳漏失，只是用随钻堵漏材料进行了封堵，下管前没有做承压试验。固井水泥浆密度大，对地层压力比钻井液大4MPa,上返过程中压漏地层，虽做了补注，但效果不好。后期钻进中钻具拍打套管，套管外没有水泥支撑套管断裂或脱扣下滑。

由此可见，套管不但要下到完整基岩上，而且下管前一定要做地层承压试验，必要时用水泥封堵漏层，确保固井质量。

2.3 取心

2.3.1 现象

在雄安新区施工的探查井要求每100m取心1次，采取率不低于80%，岩心直径不小于70mm。普遍认为白云岩完整容易采取，不料使用Φ127 mm×9m的普通卡簧取心筒，堵心严重，回次进尺少，取心率极低，甚至取不上来(表2)。

表2 大营镇文家营村的D02井单管单动取心情况

2.3.2 采取措施

1)选取出刃较小的钻头，降低钻头在碎岩时对岩心的扰动。

2)采用带底水口的取心钻头(底喷钻头)，减少冲洗液对岩心冲刷破坏。

3)减小切削底面积，加快钻进速度。

4)换用“川8-3” “川6-4”和双管单动取心器，改用PDC取心钻头。取心钻具组合：

①“川8-3”取心器。二开，Φ215.9mmPDC取心钻头+Φ172mm取心筒(扶正器Φ210mm)+Φ165mm钻铤+Φ127mm钻具；

②“川6-4” 取心器。三开，Φ152.4mmPDC取心钻头+取心筒Φ127mm(扶正器Φ140mm)+Φ127mm加重钻杆+Φ127mm钻杆。

通过取心工具的调整，挤压带岩心的采取率有所提高(表3)，但堵心问题依然未能彻底解决，回次进尺仍然不多，虽然用的是9m的岩心筒但只有极个别回次能达到5m进尺，一般钻进2～4m就堵、卡心。

表3 某井双管单动取心情况

2.3.3 原因分析

中上元古界蓟县系存在数层不等厚挤压带，地层裂隙较发育、结构破碎，取心难度大，取心率低。在挤压带取心施工过程中，考虑的主要方向为降低钻具、水力冲蚀对岩心的扰动，导致的岩心破碎加剧及楔形断面之间压、扭、摩擦等，造成堵心现象。

2.4 井斜超标问题

位于容城县的某井施工到2 058m时，测井数据显示井斜为15°，超过了设计要求。

2.4.1 采取措施

1)纠斜。定向随钻纠斜到2 300m，井斜降到了3°。

纠斜钻具组合：Φ152mm牙轮钻头+φ121mm螺杆1.25°+φ121mm无磁钻铤(MWD随钻测斜仪)+Φ121mm钻铤12根+Φ89mm加重钻杆24根+Φ89mm钻杆。

2)优化工艺和参数。增加钻铤数量，钻压控制在钻铤总质量的70%以内；换用螺杆+牙轮钻头复合钻进工艺。

钻具组合：Φ152mm牙轮钻头+Φ121mm螺杆+Φ121mm钻铤12根+Φ89mm加重钻杆24根+Φ89mm钻杆。

直至钻完井到2511m，井斜5.04°，达到了2 000～3 000m井斜在7°内的要求。

2.4.2 原因分析

井斜超标以地层原因为主：蓟县系雾迷山组岩性为含燧石条带白云岩，局部夹泥质白云岩，硬度不均匀，倾角达到40°～50°。

3 施工建议

1)预留一级口径。在地表稳定的区域表层Φ508mm套管直接下入明化镇组；如果表层不稳定可以预先下一级更大的套管。明化镇组下Φ339.7mm套管后直接用Φ215.9mm钻头钻进，如果地层稳定说明套管已下入雾迷山稳定段，可直接用Φ215.9mm钻头钻穿雾迷山组下Φ177.8mm套管；如果地层不稳定则钻进到稳定地层后用Φ311.1mm钻头扩孔后再下Φ177.8mm套管，能满足终孔孔径不小于Φ152mm的要求。

2)先用小径钻头探孔。二开见少量的灰白色、白色硅质白云岩碎屑后再用小径钻头探孔，找准雾迷山组稳定层深度后再扩孔下管。这样既减小因突然漏失卡、埋钻的风险，又能确保二开套管准确进入稳定基岩。

3)选用MD型高速牙轮钻头。针对下部白云岩坚硬、破碎、可钻性差、钻效低，不适宜使用PDC钻头的特点，考虑使用螺杆加牙轮钻头复合钻进工艺。建议选用 7LZ120×7.0型螺杆钻具加MD617X和MD637XH型高速牙轮钻头进行复合钻进。