冀中坳陷区域JZ04 井钻井工程设计

2021-07-25伍晓龙杜垚森王庆晓

钻探工程 2021年7期

伍晓龙，杜垚森，王庆晓

（中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊 065000）

1 概况

为紧密结合京津冀一体化经济社会发展需求，以缓解大气污染现状、实现节能减排为目标，面向宏观决策与工程应用需求，为京津冀地区冬季供暖提供清洁能源支撑，中国地质调查局在冀中坳陷地区开展了深部碳酸盐岩热储调查评价，探测该区域深部碳酸盐岩热储层的结构特征，查明地热流体的水热循环条件，明确深部地热成因机制；开展深部碳酸盐岩热储改造与地热资源开发利用相关技术研究，实现深部碳酸盐岩热储资源量的分层评价，形成沉积盆地区深部碳酸盐热储勘查开发技术支撑体系，为冀中坳陷区深部碳酸盐岩热储地热资源开发利用提供示范，助力实现我国北方地区冬季清洁供暖规划目标。

JZ04 井是中国地质科学院勘探技术研究所承担的地调项目“冀中坳陷深部碳酸盐岩热储调查评价”在冀中坳陷区域中部施工的一口地热勘探井。该井位于河北省保定市博野县城东北部，设计井深4000 m，直井，目的层为蓟县系雾迷山组。主要钻井目的为揭穿高阳低凸起中南部新生界地层，揭露中－新元古界碳酸盐岩地层，获取深部热储层厚度、温度、岩性、渗透性、出水量等参数，为深部地热资源评价工作提供基础资料，为查明博野潜山区碳酸盐岩地层分布情况及高阳－博野断裂空间展布，结合安国、蠡县等地区的碳酸盐岩地热井数据，研究高阳低凸起中南部碳酸盐岩储层分布特征，提供实钻数据。

2 钻遇地层预测

JZ04 井工作区位于冀中坳陷中部，处于高阳低凸起上，高阳低凸起西靠保定坳陷，北接牛驼镇凸起，东邻蠡县斜坡，东南面深泽低凸起、深县凹陷、无极藁城低凸起接壤，是保定凹陷和蠡县斜坡之间的北北东向条形低凸起，凸起基底构造走向北北东，倾向西北，由元古宇、古生界地层组成。

本井综合区域资料与周边地区钻井录井岩屑及物探测井资料，根据博野县境内揭露碳酸盐岩地层深钻钻遇地层情况，结合区域物探成果，推测出JZ04 井钻遇地层（自上而下）见表1。

表1 JZ04 井钻遇地层预测Table 1 Predicted formation at Well JZ04

3 钻井工程设计

3.1 井身结构设计

根据本项目地质设计中地层分层及分组段岩性简述，结合周边临井资料，JZ04 井设计［1-4］为三开结构（见图1），为了确保施工顺利钻至目的层，完成施工任务，防止因井内事故或者其他地层因素导致施工困难，又设计了备用的四开井身结构（见图2）。

图1 JZ04 井井身结构Fig.1 Drilling structure of Well JZ04

图2 JZ04 井备用井身结构Fig.2 Backup structure of Well JZ04

井身结构设计说明：

开孔段采用Ø660 mm 刮刀钻头钻进50～80 m，下入Ø508 mm 表层套管，采用水泥固井，固井水泥上返至井口，主要用来封隔第四系表层粘土层，建立井口，确保井壁稳定。

一开钻透第四系、新近系地层，进入古近系沙河街组，约1400 m。采用Ø444.5 mm 钻头钻至井深约1400 m（进入沙河街组），下Ø339.7 mm 套管，封隔表层松软、易垮塌地层，满足下入水泵、保护地表水及井控装置安装的要求。

二开钻透古近系地层，钻进至孔店组底部，约钻进1700 m。采用Ø311.2 mm 钻头钻至井深约3100 m（进入孔店组），下Ø244.5 mm 套管，封隔孔店组及以上地层。

三开钻入蓟县系雾迷山组，约900 m，采用Ø 215.9 mm 钻头钻至井深4000 m，下Ø177.8 mm 滤水管或裸眼完井，保证出水量。

预留四开Ø152.4 mm 口径，应对施工中不可预见的问题。

3.2 钻井设备选择

本井设计钻深4000 m，依据钻机负荷的选择原则、井控配套等的要求，同时考虑到井深的不确定性，选择的钻机设备负荷能力及配置能够满足5000 m 钻井的需要，施工选择钻深能力为ZJ50 型石油钻机［5］。钻机底座高度7 m，完全满足安装井控设备的需求。配套2 台3NB-F1600 型泥浆泵，其排量和固控系统最大处理量完全可满足深孔排渣和对钻井液净化、维护钻井液性能的需求。设备配置见表2。

表2 ZJ50 钻机及其主要设备配置Table 2 ZJ50 drilling rig and main complete equipment

3.3 钻具组合设计

本井涉及全面钻进和取心钻进2 种方式，钻具组合为全面钻进钻具组合和取心钻进钻具组合，其中如果三开或四开地层稳定，孔壁漏失严重可以采用气举反循环钻具，组合方式见表3。

表3 钻具组合Table 3 Drilling stem

3.4 钻井液设计

根据地热井钻井特点和JZ04 井预测钻遇地层情况和钻井要求，本着有利于环境保护、有利于地质资料录取、保证安全快速钻井、利于储层保护的原则，选择合理的钻井液，保证钻井液具有良好的防塌、防漏、抗高温、润滑性和储层保护特性等性能［6］。本井盖层可根据地层情况采用不同密度、粘度、失水率的钻井液作为冲洗液，钻遇热储层后宜采用清水或无固相稀钻井液作为冲洗液。考虑热储层保护要求，在保证孔壁稳定的前提下，采用近平衡钻进，以防堵塞和污染热储层［7］。

开孔段由于地层松软成岩性差，采用普通高坂含钻井液，钻井液主要配方：6%～8%钠膨润土＋0.2%～0.3%Na2CO3（土量）＋0.1%～0.2%HVCMC。钻井液性能参数：密度1.1～1.25 g/cm3，粘度30～50 s，失水量8～10 mL/30 min（上部地层成岩性差，疏松，含有砂岩，泥质胶结差）。可有效防止因覆盖层粘土层井壁稳定性差，造成井壁漏失、坍塌等。

一开井段井眼直径和钻深较大，主要以粘土、泥砂岩为主，采用坂土浆转聚合物防塌钻井液，钻井液主要配方：4%～6%膨润土浆＋0.2%～0.3%Na2CO3＋0.1%～0.2% NaOH ＋0.2%～0.3% HV-CMC ＋0.2%～0.3%KPAM＋NaOH＋防塌剂＋重晶石粉。钻井液性能参数：密度1.1～1.15 g/cm3，粘度35～45 s，失水量6～10 mL/30 min。可以使钻井液具有足够的悬浮、携岩和护壁能力，有效抑制中下部地层泥岩的水化分散，防止钻头泥包和井壁坍塌。

二开井段采用聚合物防塌钻井液，钻井液主要配方：一开浆稀释后＋0.5%～0.8%NH4HPAN＋0.3%～0.4%＋KPAM＋0.3%～0.5% 降滤失剂＋防塌剂（一般使用沥青）＋0.1%～0.2%NaOH＋重晶石粉。钻井液性能参数：密度1.06～1.15 g/cm3，粘度35～65 s，失水量6～8 mL/30 min。使钻井液可以控制钻屑分散，有较高的携岩能力和抑制性，另外根据地层变化和地层实钻情况及时调整钻井液性能。

三开或四开在井壁稳定的情况下，使用清水钻进。如井壁不稳，改用泥浆正循环施工，温度＞80 ℃时，常规聚合物抗温能力有限，此时可采用聚磺钻井液。钻井液主要配方：基浆＋0.05%～0.08%KPAM＋0.5%～0.8%NH4HPAN＋2%～3%阳离子乳化沥青（或磺化沥青）＋1%～3%SMC＋1%～3%SMP-1＋0.5%～1%SMT＋1%～3%润滑剂。钻井液性能参数：密度1.02～1.1 g/cm3，粘度30～45 s，失水量不做特殊要求。保证钻井液在高温条件下性能稳定，增强钻井液的封堵能力和抑制性，提高钻井液的封堵、润滑能力，确保井壁的稳定［8-9］。

3.5 固井设计

本井固井主要目的是为了封隔易坍塌、易漏失的复杂地层，巩固所钻过的井眼，保证钻井顺畅，提供安装井口装置的基础，封隔非必须的油、气、水层等。

根据钻孔井身结构设计情况，一开设计井深1000 m，考虑地热井特点，采用P.O42.5 或P.S.A42.5 水泥体系，固井方式为内管柱法固井，水泥返高至地面；二开设计钻井长度2100 m，下入悬挂套管，采用G 级水泥浆体系，考虑钻井长度较大及固井设备能力和地层可承压情况，采用“穿鞋带帽”方式固井，即悬挂套管底部向上固井约700 m，顶部往下固井约500 m，这样可以减小固井水泥对地层的压力，防止压漏地层，降低固井成本。若钻遇复杂情况，改为四开结构，三开套管根据钻井情况，下入悬挂套管后，采用G 级水泥浆体系，使用尾管固井法，水泥返高至悬挂套管顶部。每一开次固井完成后水泥凝固48～72 h，进行下一开次钻井［10］。

3.6 井控设计

根据地质设计提示，本井需配置一套压力为35 MPa 的井口压力控制装置，确保出现意外情况时可实现关闭井口、放喷等功能以避免风险。井控设备配置标准：井口双闸板液压防喷器、钻井四通、套管头、节流-压井管汇、远程遥控及蓄能器装置。钻井井口装置、井控管汇的配套与安装应符合行业标准《钻井井控装置组合配套、安装调试与维护》（SY/T 5964－2006）的规定要求［11-14］。

3.7 储层保护措施

3.7.1钻井液固相控制

根据地质设计要求，三开井段若井壁稳定，尽量采用清水钻进，若地层漏失严重或者井壁稳定性差，未使用清水钻进，钻井液体系中需严格加强固相控制，利用四级固控充分清除劣质固相，防止其进入热储层通道造成固相污染。在钻至目的层雾迷山组后，采用低固相钻井液，严格控制钻井液性能，防止污染水层。确保后续抽水试验数据的准确性。

3.7.2操作要求

（1）开泵和起下钻要平稳操作，避免因压力“激动”导致井漏、井塌、卡钻或抽吸诱喷等复杂事故而造成热储层损害。

（2）钻井液密度执行设计下限，实钻过程中根据现场实际情况和录井压力监测调整。

（3）严格控制滤失量，防止钻井液滤液进入热储层，造成热储层污染。

（4）进入目的层前，重泥浆和加重材料储备按地热井控制要求执行，使用酸溶性加重材料。

（5）严格坐岗制度，防止因漏失钻井液及岩屑污染水层。

（6）储层段禁止使用重晶石、沥青类、磺化类等会造成储层堵塞的材料。

4 施工难点和保障措施

（1）钻井区域地质条件复杂，导致井身质量控制困难。施工过程中应当密切注意地层变化情况，及时调整钻井参数和钻井液性能，确保井壁稳定，施工安全［15］。

（2）该区地热资源较丰富，井底温度高，钻井液、水泥浆性能维护难度大。根据地层和邻井资料显示，推断本井井底温度最高可达到150 ℃以上，高温下钻井液和水泥浆的性能会变差，因此，应选用抗高温的钻井液和水泥浆，并制定合理的维护处理措施，以保证钻井液和水泥浆性能稳定。

（3）井漏可能性大。根据附近邻井资料显示，该井在进入雾迷山组时会发生井漏危险，钻井过程中必须密切注意液位变化，及时调整钻井液随钻堵漏性能，确保施工安全［16］。

（4）井涌可能性大。邻井资料显示，该区域地热井完井后为自流井，应注意防范发生溢流、井涌、井喷等有关工程情况，随时做好关井准备，确保施工安全。

（5）固井难度大，固井质量难以保证。本井一开、二开钻井深度大，口径大，套管与井壁环状间隙大，对固井泵压要求高，但泵压过高容易压漏地层，施工时根据实际情况，固井前选择合适的固井方式。

（6）施工风险大。根据现有资料，在高阳低凸起石油勘探过程中，曾钻获工业油气，为了防患于未然，要求钻井过程中密切监测天然气，同时施工单位做好钻遇可燃气体预案。

5 工程实施情况

本井施工过程中基本按照该设计进行，施工过程较顺利，目前，已圆满完成整个钻井工作，采用三开结构完钻，实际完钻井深4016.25 m。其中一开采用Ø444.5 mm 钻头，完成钻进井段0～1018.62 m，300 m 最大井斜为0.78°，该井段最大井斜为1.78°，完钻井斜1.58°，平均井径为480 mm，平均井径扩大率为8%；二开采用Ø311.1 mm 钻头，完成钻进井段1018.62～3152.56 m，最大井斜为2.06°，平均井径为323.92 mm，平均井径扩大率为4.1%。三开采用Ø 216 mm 钻头，完成钻进井段3152.56～4016.25 m，最大井斜5.9°，完钻井斜2.4°，平均井径为226.15 mm，平均井径扩大率为4.7%。整个钻井周期历时133 d，平均钻效达1.26 m/h，各开次井径扩大率均小于10%，最大井斜均小于6°，一开、二开采用“穿鞋带帽”方式固井，固井质量合格，各完井参数均符合设计要求。