西藏谷露地热田ZK401 高温地热井钻井工艺技术

2024-03-14吴儒杰郑冉张松万汉平郝伟林唐伟军张健

世界核地质科学 2024年1期

吴儒杰，郑冉，张松，万汉平，郝伟林，唐伟军，张健

1 核工业北京地质研究院，北京 100029

2 中核集团地热勘查技术研究中心，北京 100029

3 西藏自治区土地矿权交易和资源储量评审中心，西藏拉萨 850011

地热是一种蕴藏丰富、绿色低碳、稳定可靠的可再生清洁能源。在全球“能源危机”加剧的背景下，大力加强地热资源的高效开发是当前国内外能源形势的客观需求，也是实现“碳达峰、碳中和”承诺的有机组成部分。西藏是我国地热活动最强烈的地区，高温地热资源蕴藏量居全国首位。全区共有水热爆炸、间歇性喷泉和沸泉等各种水热显示区700 余处，其中热储温度超过150 ℃的高温热田有110 余处。经计算，西藏地热资源30 年发电潜力约为3 040 MW30a，其中发电潜力超100 MW 的高温地热田超过6 处，资源潜力与开发前景非常可观［1-4］。

对于水热型高温地热资源的开发，钻井工艺技术是建立地下热流体向地面产出通道的唯一技术手段。相比于常规油气井及中低温地热井钻井技术，水热型高温地热井因其热储埋深浅，温度高、岩石可钻性差，断裂构造发育等特点，在钻井过程中极易发生井喷、井漏，甚至上喷下漏等复杂情况，为满足安全、快速钻进的需要，应有针对性地选择钻井工艺技术［5-6］。

谷露地热田是西藏那曲-尼木地热带上典型的水热型高温地热田［7-8］，ZK401 井是核工业北京地质研究院在谷露地热田组织实施的一口探采结合井。本文以ZK401井为例，详细介绍了高温地热钻井工艺技术研究成果在该井的应用实践。在总结钻井施工难点的基础上，详细论述了钻井工艺和钻井施工关键技术，包括钻井液体系设计、高温高效的破岩技术以及简易控压钻井技术；旨在为该区域乃至其他地区的水热型高温地热开发提供钻井工艺技术参考。

1 ZK401 井概况

谷露地热田位于亚东—谷露裂谷带北段，那曲—尼木地热带九子拉—桑雄断裂带中部，受九子拉—桑雄断裂控制［9-13］。ZK401 井部署在近SN 向F4-2断裂和NE 向F2-9密集裂隙带的上盘夹持区域（图1），旨在揭露位于花岗闪长岩中由F4-2断裂和F2-9密集裂隙带控制的基岩裂隙型高温热储，验证F4-2断裂和F2-9密集裂隙带的控热特征，深化对谷露地热田地热地质条件与热储模型的认识，为谷露高温地热发电工程提供资源保障。

图1 ZK401 井工程部署图Fig. 1 Deployment diagram of well ZK401

图2 ZK401 井井身结构图Fig. 2 Depth structure of well ZK401

ZK401 井的设计井深为1 300 m，要求井斜在1 500 m以内≤5°，全角变化率不超过2.5°/30 m，井底水平位移不超过50 m；井眼轨迹平滑，井内干净无落物，裸眼完井。同时，根据钻遇地层情况及时调整钻井液体系。在钻进至热储层后，严禁使用可能造成热储层损害的钻井液体系；在350 m 以深揭露热储时严禁封堵，必须在保留热储的前提下继续钻进至设计井深。

通过科学设计和精心施工，ZK401 井完钻井深1 320 m，全井最大井斜1.72°/1 320.0 m，最大全角变化率0.49°/30 m，位于井深500 m 处；井底水平位移为25.08 m。揭露热储温度为186.9 ℃，汽水总量为348 t·h-1。采用热焓平衡法，在尾水排放温度为60 ℃，转换效率16 %的情况下，单井可发电潜力为8.05 MW。自上而下揭露地层包括第四系（Q）沼泽沉积物、冲洪积物以及泉华；新近系（N）中酸性侵入岩。地层岩性及热储特征情况见表1。

表1 ZK401 井地层岩性划分及热储特征Table 1 Stratigraphic lithology division and heat storage characteristics of well ZK401

2 ZK401 井钻井施工难点

2.1 岩石硬度大，机械钻速低，钻头使用寿命短。

自43 至1 320 m 完钻，揭露地层主要是细粒花岗岩、花岗闪长岩和黑云母二长花岗岩。该类岩石硬度大，研磨性强，可钻性较差。例如，在续迈地热田使用常规钻井技术在该类地层钻进时，215.9 mm 牙轮钻头的平均机械钻速仅0.34 m·h-1，单只钻头的进尺不足40 m。实践表明，在高温硬质地层中钻进时，牙轮钻头极易出现牙齿过度磨损和轴承系统不稳定的问题，从而导致钻头使用寿命较短。此外，岩石在高温条件下表现出更大的塑性，导致破岩效率降低。因此，在高温地热井钻井过程中，通常会降低钻压以延长钻头的使用寿命，但小钻压往往导致破岩效率降低［14-15］。

2.2 热储温度高，出水量大，钻井液易失效

实钻资料显示，ZK401 井在35～41 m 即可揭露124.8 ℃中温热流体，汽水总量约40 t·h-1，钻井液循环返出温度介于75～80 ℃之间；50～320 m 揭露热储温度超过120 ℃，汽水总量约30～35 t·h-1；320～1 320 m 揭露186.9 ℃的高温热储，汽水总量高达348t·h-1。钻井施工过程中，高温极易导致钻井液性能恶化，滤矢量增大，粘度升高，悬浮和携岩能力减弱。同时，地层出水量大，钻井液极易发生水侵，性能难以保持，易引发井喷事故。

2.3 井喷风险大，安全钻井难

实钻资料表明，ZK401 井具有热储埋深浅，温度高，地层出水量大的特点。井喷风险几乎贯穿于钻井施工全过程，高温井控问题凸显。具体表现为井内液柱压力降低引起的井喷风险、地层涌水引起的井喷风险以及钻遇高温热储层和下套管过程中存在的井喷风险。钻井过程中发现存在井喷风险时，必须立即采取井控措施，一旦发生井喷失控，大量的高温钻井液、地层流体和高温气体（有时含有毒气体）喷出，不仅生产难以进行，轻则造成一定的经济损失，重则可导致设备损坏、环境污染，甚至造成作业人员伤亡等严重事故［16-17］。

3 设备选型

根据以往施工经验和ZK401 井的钻井目的、井身结构、钻井风险和钻机设备提升能力等影响因素；并充分考虑西藏高海拔地区（海拔4 700 m）钻机功率衰减40 %～50 %的实际情况。本井选用宝鸡石油装备有限公司生产的ZJ30 钻机，其配套设备型号及性能参数见表2。

表2 ZJ30 钻机主要设备及性能参数Table 2 Main equipment and performance parameters of drilling machine ZJ30

4 钻井工艺

4.1 井身结构

高温地热井施工过程中常遇到井喷、井漏和上喷下漏等复杂情况。因此，在确定井身结构时，要充分考虑地层压力变化、热储位置及预防井喷等因素，在选择套管程序时必须为各开次钻井安全留有余地，以保证实现钻探目的［18］。ZK401 井采用“导眼+三开”井身结构，导眼段采用了大井眼设计，使用φ666.0 mm钻头钻至井深11.5 m；一开φ444.5 mm 钻头钻至井深50 m；二开φ311.1 mm 钻头钻至井深320 m；三开φ215.9 mm 钻头钻至完钻井深。

4.2 钻井施工工艺

4.2.1 导眼井段

钻具组合：φ666.0 mm 三牙轮钻头+730×730 双母接头+731×410 变扣接头+φ165 mm 钻铤+411×410 方保+411×410 下旋塞+φ133 mm方钻杆。

钻进参数：转速介于45～50 r·min-1之间，钻压介于20～30 kN 之间，排量介于25～27 L·s-1之间，泵压介于0.0～0.5 MPa 之间。

导眼井段以钻穿第四系松软地层，防止井壁垮塌，有效封堵浅层地表水为完钻原则。地层以第四系沼泽沉积物和冲洪积砂砾石层为主。下入φ550 mm×7.5 mm 螺旋管至11.5 m，采用PO42.5 普通硅酸盐水泥正注反挤固井，水泥浆密度1.75 g·cm-3。

4.2.2 一开井段

钻具组合：φ444.5 mm 三牙轮/聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact，简称PDC）钻头+630×630 双母接头+631×410 变扣接头+φ178 mm 钻铤+φ165 mm 钻铤+φ127 mm钻杆+411×410方保+411×410下旋塞+φ133 mm方钻杆。

钻进参数：转速介于45～50 r·min-1之间，钻压介于30～40 kN之间，排量介于25～27 L·s-1之间，泵压0.5 MPa。

一开以钻穿第四系地层并进入稳定基岩，保证套管下入稳定基岩，利于安装井控设备和钻井安全施工为原则。地层以第四系冲洪积砂砾石层和硅质泉胶砾岩为主。0～49.50 m 下入N80 钢级φ339.7 mm×9.65 mm 表层套管，采用高温水泥固井，入井水泥浆密度1.85 g·cm-3，水泥浆返至地面，返出密度为1.75 g·cm-3。

4.2.3 二开井段

钻具组合：φ311.1 mm PDC 钻头+630×630双母接头+631×410 变扣接头+411×410 回压凡尔+φ178 mm 钻铤+φ165 mm 钻铤+φ127 mm钻杆+411×410方保+411×410下旋塞+φ133 mm方钻杆。

钻进参数：转速介于50～60 r·min-1之间，钻压介于30～40 kN之间，排量介于30～35 L·s-1之间，泵压介于0.5～1.0 MPa 之间。

二开以钻穿强蚀变基岩及浅部断裂破碎带，满足长期生产安全需要为原则。地层以花岗闪长岩、细粒花岗岩为主，发育强黏土化、黄铁矿化和绿泥石化等蚀变。0～318.70 m 下入N80 钢级φ244.5 mm×10.03 mm 生产套管，采用高温水泥控制压力固井，入井水泥浆密度为1.83 g·cm-3，水泥浆返至地面，返出密度为1.78 g·cm-3。

4.2.4 三开井段

钻具组合：φ215.9 mm PDC 钻头+430×430双母接头+431×410 变扣接头+411×410 回压凡尔+φ178 mm 钻铤+φ165 mm 钻铤+φ127 mm钻杆+411×410 回压凡尔+φ127 mm 钻杆+411×410 方保+411×410 旋塞接头+φ133 mm方钻杆。

钻进参数：转速介于50～60 r·min-1之间，钻压介于30～40 kN 之间，排量介于30～35 L·s-1之间，泵压介于1.5～3.0 MPa 之间。

三开以揭露断裂破碎带上盘的基岩裂隙高温热储并钻至设计井深为完钻原则。地层以细粒花岗岩、花岗闪长岩和黑云母二长花岗岩为主，发育不同程度黏土化、黄铁矿化、碳酸盐化和绿泥石化等蚀变。钻进时采用简易控压钻井技术，裸眼完井。

5 ZK401 井施工的关键技术

研究表明，高温地热钻井的成本占地热开发总成本的50 %以上，部分高达70 %，而钻井成本中约1/3～1/2 的成本与时间有关［6］，高温地热钻井的成本与效果在很大程度上决定了高温地热资源的可开发潜力。因此，提高破岩效率，采用高效低成本钻井液体系及时发现并有效保护热储和控制井喷、缩短非生产时间对高温地热井钻井成本控制具有重要意义。

5.1 高温高效破岩技术

5.1.1 钻头选型

长期以来，牙轮钻头因其适用范围广而被广泛应用于各类钻井中。然而，高温地热钻井过程中，高温硬质地层易导致钻头牙齿磨损加快，轴承密封系统失效，使钻头寿命大幅缩短，甚至发生牙轮掉落的严重事故［19］。相比之下，PDC 钻头为一体式钻头，无结构薄弱环节，且随着复合片硬度和抗冲击性能的提高，使得PDC钻头可以适用硬地层和基岩钻进。

根据实钻地层特点，为保障单只钻头的进尺和机械钻速，ZK401 井采用异形齿PDC 钻头（图3）。主切削齿采用异形齿设计，使切削力以点接触的方式加载，提高局部载荷强度，从而提高破岩效率。辅助切削齿采用锥形齿设计，在钻压作用下将载荷集中于一点，对坚硬岩石进行压碎，同时较厚的金刚石面能有效提高钻头的耐磨性和抗冲击能力。通过压碎和切削的复合破岩方式，有效提高了钻头的破岩效率［20-21］。现场对比试验（表3）表明，与同规格牙轮钻头相比，单只异形齿PDC 钻头的进尺提高了23 %～48 %，机械钻速提高了33 %～47 %。

表3 牙轮与PDC 钻头对比试验数据表Table 3 Contrast test data of roller and PDC bit

图3 ZK401 井用的异形齿PDC 钻头Fig. 3 Special-shaped PDC bit for well ZK401

5.1.2 岩石热裂提速技术

研究发现，高温花岗岩急剧冷却时，岩体表面会产生很大的温差，在温差热应力作用下会诱发岩体产生微裂纹，进而导致岩体物理力学性质劣化［22-23］。

ZK401 井钻井施工过程中，充分利用了高温花岗岩急剧冷却时的热破裂现象。在钻遇高温热储层后（图4a），采用大量的低温清水来作为循环钻井液，这样可以使井眼周围地层温度骤降，在温差热应力作用下，岩石发生热破裂产生一些微裂缝。此时，进行常规水力压裂使微裂缝不断扩展增大（图4b）。随后，在持续的水力压裂和温差作用下，由于热应力的存在，岩石会产生大量的微裂缝（图4c），以此来减小花岗岩的抗研磨性和压入硬度。然后，异形齿PDC 钻头采用压碎和切削的复合破岩方式对地层进行机械破碎，通过这种循环往复的方式，在钻井过程中可以显著提高机械钻进速度。随着ZK401 井揭露186.9 ℃高温热储，利用异形齿PDC 钻头和岩石热裂提速技术，成功将三开井段平均机械钻速提升至3.18 m·h-1。

图4 岩石热裂提速技术示意图（据查永进等修改，2023）Fig. 4 Schematic diagram of rock thermal fracturing acceleration technology（modified after ZHA Yongjin et al.，2023）

5.2 钻井液体系设计

钻井液被喻为钻井的“血液”，具有携带岩屑、清洁井底，冷却和润滑钻头及钻柱，传递水力功率，平衡地层压力、防止井喷等重要作用。ZK401 井在钻井施工中面临极大的井喷风险，传统作法是通过增加钻井液体系固相、提高密度的方式来平衡地层压力，避免循环流体汽化，达到防止井喷的目的；然而，这种方式会导致严重的热储层污染。例如羊易地热田前期开发钻井时，为了防止井喷，不断提高钻井液密度，最终密度提高至1.50 g·cm-3，造成了严重的热储层污染，严重影响了单井产能。后来发展的抗高温钻井液体系虽然一定程度上解决了高温条件下钻井液性能恶化和热储层污染的问题，但经济性较差，导致钻井成本上升，进一步限制了地热资源开发潜力［6］。

5.2.1 导眼及一开井段钻井液设计

类型：坂土浆钻井液

组分：水+0.1 %～0.2 % NaOH + 0.2～0.3 Na2CO3+ 6 %～10 % 钠基膨润土 + 0.1 %～0.3 %CMC-LV

导眼φ666.0 mm 三牙轮钻头开孔钻进，钻井液密度介于1.12～1.18 g·cm-3之间，粘度介于56～82 s之间，pH 值介于8～9 之间。钻井过程中及时补充HV-PAC，维持钻井液高粘切性能。

一开φ444.5 mm 三牙轮/PDC 钻头钻进，第四系冲洪积砂砾石层钻进时，钻井液密度维持在1.15～1.18 g·cm-3之间，钻进至34 m 处时地层出水，出水量介于15～20 m3·h-1之间，水温为47.2 ℃；钻至井深39 m 时地层出水量激增至40 m3·h-1，井底温度达124.8 ℃，出口温度达57.2 ℃，随即循环起钻并固井，充分侯凝后，出水量降至20 m3·h-1。为稳定井壁，继续使用1.23～1.20g·cm-3坂土浆钻井液，排量介于25～27 L·s-1之间，钻至井深50 m，钻井液循环返出温度64.2 ℃，密度为1.12 g·cm-3，停泵后2 min 温度升高至75～80 ℃，密度降低至1.07 g·cm-3。由于地层温度高，出水量大，地层水稀释钻井液速度快，导致钻井液性能难以维持。此时，一开钻进已达到设计目的，随即下套管固井。

5.2.2 二开及三开井段钻井液设计

二开和三开井段地层以花岗闪长岩、细粒花岗岩和黑云母二长花岗岩为主，井壁稳定，不易垮塌。为避免常规钻井液对热储层的污染，尤其是常规钻井液中蒙脱石进入地层后，在高温（＞150 ℃）条件下持续固化形成的一种低标号水泥对于热储层的永久性损害。在二开及三开钻进时，采用低温清水作为循环钻井液。与气体或泡沫钻井液相比，清水钻井液密度不会过低，同时低温清水能够迅速降低井筒温度，从而有效地降低井喷风险；与常规钻井液相比，低温清水钻井液不含固相颗粒、蒙脱石等易造成热储层污染的物质，从而有效保护了热储层。钻进过程中，每钻进30～40 m，采用大排量循环返砂或“清水+钻井液”辅助携岩返砂。

5.3 简易控压钻井技术

简易控压钻井技术是在精细控压钻井技术的基础上简化程序与设备，利用常规井控设备，通过控制节流管汇处节流阀的开启程度实现控压钻井的目的［24-26］。虽然其达不到精细控压钻井的效果，但与常规钻井技术相比，该技术能够及时发现并有效保护热储和控制井喷，是一种经济、高效和安全的高温地热钻井技术。ZK401 井运用简易控压钻井技术，实现了在520 m 揭露186.9 ℃高温热储，汽水总量达348 t·h-1苛刻条件下的安全、持续钻进，有效保护了高温热储层。并且与采用常规钻井技术的邻井相比，非生产时间缩短了37 %。

5.3.1 控压钻井设备优化

ZK401 井采用的简易控压钻井设备以旋转防喷器和双闸板防喷器组成的井口装置为核心。将自动控制节流管汇优化为常规节流管汇，回压泵优化为压井管汇+节流管汇+泥浆泵的组合；辅之FK480-5 的远程控制台和司钻控制台组成的控制系统，采用回压凡尔和方钻杆旋塞阀组成钻具内防喷工具，以及综合录井仪等仪器仪表。能够满足高温地热井钻井施工过程中各工况下的井控要求。简易控压钻井循环系统如图5 所示。

图5 ZK401 井简易控压循环系统Fig. 5 Simple pressure control and circulation system of well ZK401

5.3.2 各工况下的简易控压钻井方法

1）正常钻进时。通过控制钻井液密度来平衡地层压力，钻井液通过旋转防喷器侧向手动平板阀N1，经管线回流至钻井液罐，与常规钻进保持一致。

2）揭露热储钻进时。正常钻进过程中，如果发现返出钻井液温度升高或存在井喷风险时，首先起钻加装旋转防喷器旋转总成，关闭旋转防喷器侧向N1 手动平板阀，打开N4 手动平板阀，使返出钻井液经节流管汇进入沉砂池及冷却池进行充分冷却；同时，补偿低温清水进入循环系统，将正常钻进状态转换为简易控压钻进。在钻进过程中，通过调节节流阀J1 的开启程度，在井口施加一定的回压，回压将进一步助推旋转防喷器密封胶芯抱紧并密封方钻杆外环空。控制井口回压在0.2～0.4 MPa 之间，保持钻井液返出温度在35～45 ℃理想温度区间，返出量介于30～35 L·s-1之间，以确保返砂效果。当返砂效果不佳时，采用“清水+钻井液”辅助携岩返砂，以避免对井底沉砂的重复破碎而损失机械钻速。

3）控压起下钻时。在起钻前，首先采用大量低温清水钻井液对井眼进行循环冷却和排砂，以防大量岩屑沉入井底。在起下钻过程中，钻井液经由地面管线和压井管汇输入井眼，然后通过节流管汇、沉砂池及冷却池返回钻井液罐。在控压起下钻过程中，钻井液持续循环冷却井眼，并通过调节节流阀J1 保持一定的井口回压，以控制井底压力，防止井喷发生。当返出温度持续升高至60 ℃以上时，停止起下钻；采用大量低温清水钻井液循环降温至返出温度小于35 ℃后方可继续起下钻。