秦皇岛市昌黎县地热井在钻探施工与成井工艺上的技术措施

河北省煤田四队工程勘察处秦皇岛市昌黎县地热井在钻探施工与成井工艺上的技术措施王海涛 齐路恒 张远峰 王绍明（河北省煤田地质局第四地质队 ）作者简介： 王海涛2010年毕业于河北地质职工大学，现在河北省煤田四队担任技术员一职，先后在煤田水文孔、煤层气井、地热井担任现场管理和技术负责的工作。摘要：秦皇岛市昌黎县紧邻海边，当地居民以扇贝养殖业为主要生活来源。以前，当地居民发展养殖业主要以用锅炉为热源对海水进行加热，但是这种养殖方法既浪费钱财，又污染环境。所以，当地居民放眼长远选择了投入小，回报大，资源利用率高，生态，环保的地热资源作为热源。昌黎县的地层以第四系冲击层为主，粘土层易缩径，含水砂层松散易坍塌，给钻探施工带来不少的困难。根据这一特点我钻机改进施工工艺，正确使用钻头，合理选择钻具组合，正确配置与调整钻井液，采用细水长流方法对泥浆进行处理，有效地的预防了因泥浆性能不好而造成的事故。同时在成井方面，优选取水段，下管前充分洗井，破除泥皮，合理的选用过滤器与井管并且严格抓好下管施工的全过程，正确的选择砾料与填跞方法。在洗井方面进行大胆创新，采用活塞真空洗井法，增大了水量，收到了极好的施工效果，与经济效益。同时又降低了事故的发生。经过抽水试验证明本井成井质量达到了优质水平，钻探施工达到了高效，安全的水平。为我钻机今后进行新技术的推广打下了坚实的基础。 关键词：地热 钻探 钻进工艺 成井工艺 事故处理 技术展望一、 地热工程概况1.1地热资源的利用与展望地球由地壳、地幔和地核组成，它是一个巨大的热库，越往地下温度越高。地热就是指地球内部蕴藏的能量，从地球表面往下正常增温梯度是每1000m增加25-30摄氏度，在地下约40Km处温度可达1200摄氏度，地球中心温度可达6000摄氏度。 地热资源是集热、矿、水三位于一体的清洁而宝贵的矿产资源。世界各国在地热资源开发利用方面，大都经历了沐浴、医疗、供热采暖和地热发电四个阶段。地热能开发利用对环境的有害影响小。地热能作为替代能源不论是用于发电还是直接热利用，都能大幅度削减温室气体排放量，减轻对环境的不利影响。目前，水热型地热储的开发技术和利用技术是成熟的，设备运行是可靠的；现代地热电站的可用系数达95%或更高。另外，地热能开发技术正在不断地发展，新的技术有望降低地热的开发费用，增进地热能生产的稳定性和长期性。由此可见，地热能将在21世纪可持续发展中占有相当明显的比重。1.2千米范围内的地热情况千米范围内的地热资源系指广泛分布于凹陷盆地范围内，主要为第三系地层组成的深度在千米左右的地热资源。厚大的热储层，良好的盖层和地下岩体的加温导热形成了特有的第三系赋水层。盖层地下水具有多层，承压水量稳定，分布广泛之特征。盖层地下水的低温梯度在2.5-3.5摄氏度/100m，埋深在800-1200m，水量一般20-50方/h, 水温38-50摄氏度。据大量的钻井资料分析，千米范围内的含水砂层虽系第三系地层，但大多数含水层松散，随着井深的增加，部分含水层虽胶结或半胶结，但总体上处于松散状态，易于坍塌等。二、设备配置2.1设备选择工欲善其事，必先利其器。千米地热井开发属高风险工程。地下工作遇到的情况十分复杂，因而地热井开发设备选择的总体原则是大马拉小车。根据施工地区地层特性，地热井施工深度，钻井结构，钻柱结构及质量等，综合考虑设备的配置能力，同时要充分考虑到设备遇到特殊情况下的储备能力。首先，在钻机使用方面，我们用TSJ-1500钻机进行施工，该钻机属机械传动，转盘回转，重心低，传动平稳；坚固耐用，操作安全，密封性能好；钻机布局合理，便于保养与维修；在泥浆泵使用方面我们采用了TBW-850/5型泥浆泵，对于其要求正向着大压力、大流量方向开展，实现喷射钻井有利于钻速的提高及井内安全。钻塔上我们选用AS-24-50钢管钻塔，由于它占地面积较四角塔小，起落搬运方便，承受负荷较大，受到了各钻井队的广泛应用。动力上我们根据甲方要求采用电动机，由于施工环境在养殖、生活区，为了不打扰群众，采用电动机既不扰民又环保而且减少了钻机在用油方面的使用费和运输费。2.2施工布置与地基承载力的计算地热井施工对孔斜要求非常严格，同时由于设备庞大，加之施工中钻具的重量以及下管是的重量等，一般情况下，天然地基很难承载上部机械等所产生的压力，为了保证施工质量，要对天然地基进行处理。同时加上秦皇岛昌黎县紧邻海边，表层多为第四系松软地层，其承载力毋庸置疑比较低，根据这一情况以及从安全的方向考虑，我们没有进行地基承载力的计算直接进行地基处理。所以在与甲方商量后，决定采用水泥地基，由甲方负责施工。根据施工场地大小和各种器械的使用要求，我们将泥浆泵和电动机、泥浆池、修理房、以及钻杆和井管进行了合理的占地设计，保证了地尽其用和安全高效。三. 钻井工艺3.1钻孔结构及其与水量的关系地热勘查施工的目的在于快速、优质、低耗、安全、实现地热成孔，为下一步的地热成井打下坚实的基础。根据地层特点和含水层位置以及甲方要求我们采用480mm井径，分两次成井，先用311mm钻头钻进至800m，在用480mm钻头扩至井底，分两次成井。在松散地层中成井深度小于200m时，由于地层相对松散，渗透系数大，地下水补给来源水平及垂向快速等，在一定程度上（但不是无限值，一般最大直径不超过2m）与出水量基本成比例关系；当井深超过200m是，水量与钻孔直径不成比例关系。因此，对于深层地热井而言，井径的大小对出水量影响可以不计。但是我们考虑这一地区粘土层较厚比较容易缩径以及为了增加出水量和水质要求我们选用480mm井径。3.2.钻进方法的选择3.2.1钻头与钻具的选择根据昌黎县地层的特点，在粘土层较易糊钻，而砂石层又为石英层硬度较高，所以我们大胆创新与尝试采用了牙轮鱼尾钻头，克服了地层带给施工的困难。这种钻头不仅有牙轮公转，自转，冲击，自洁的性能，而且还具有鱼尾钻头抗泥包，排岩粉较好的功能，水口冷却充分，水眼憋压高效，双8mm水眼喷射力大，有效的清洁孔底和提高了钻速。在钻头使用方面，我们认真贯彻每米成本的方针，做到每个钻头下井后认真分析其工作状态，从时效，给进压力、转速、泵量方面总结经验力争发挥钻头最大效率。同时在钻头下井前认真检查其出厂时期，钻头丝扣是否完好，钻头实际外径，牙轮转动，轴承是否缺油，牙轮是否完好，水眼是否畅通。在下钻时，力求平稳，遇阻时不猛墩，硬压，应开泵，缓慢划眼，并记录遇阻井深，钻头离井底2-3m时，应先开泵循环泥浆，然后再转动钻具，缓慢下放钻具至井底，钻头到底后轻压慢转20min后，再进行钻进，不得加压启动转盘。3.2.2钻具受力分析在钻具使用方面我们采用108mm主动钻杆+89mm钻杆+159mm钻铤（4根），由于为了减少事故和提高钻效以及控制井斜和减轻钻头震动，并且根据中性点计算公式算出加4根钻铤在现有4吨压的情况下比较合适。89mm钻杆我们采用API细扣钻杆D级钢级，在对钻杆柱进行轴向拉力（钻杆柱在中性点往上受压力）（F=ql1+pl2 F:钻杆任意截面的拉力KN qp:钻杆和钻铤单位长度的重力mN l1:钻铤的长度 m l2:截面下钻杆的长度m），以及拉力余量法和扭矩，等因素分析后我们得出D级钢级的钻杆完全符合要求，所以这就为钻探施工过程中提高效率，减少事故打下了良好的基础。3.2.3钻进参数选择众所周知，在钻井过程中，有地层等不可控因素也有像钻进参数这些可控的因素，所以如何正确的选择尤为重要。在钻压上我们根据实际情况，做好钻头的实效分析，并结合岩屑录井判好地层，综合分析找出每一地层的最优钻压值。转数上简而言之的说就是在软岩上增加转数，硬岩上降低转数，增加牙轮与岩石接触时间，充分破碎岩石。同时根据钻进时效认真判断钻头工作情况，若牙轮磨损严重，影响钻进需立即提钻换钻头，严禁磨尺。对于泵量的要求，我们考虑两个方面，第一个就是岩屑离开井底，第二个就是岩屑上返。过去人们一直认为第二个比较困难实现，但经过长时间研究发现第一个比较难于实现，也就是岩屑离开孔底，由于岩屑不能被冲离孔底，造成钻头的重复破碎，影响钻进效率。为了解决这一困难，不仅要求泵量大，还要求泵压，实现喷射钻井，使泥浆给岩屑一个大的冲击力，使其离开孔底，最好在设备允许的情况下实现喷射钻井。3.3 钻井液的配置与调整钻井液是钻井的血液，它有清除井底岩屑，冷却钻头和润滑钻头及钻柱，造壁性能，控制地层压力等作用。在配置时需要按一定的顺序与比例，调整时尽量在泥浆槽中小规模处理，做到细水长流，使孔内的泥浆的性能逐渐变化，逐渐的趋于正常，严禁在循环中进行大处理。但是根据昌黎县地层特点，该类地层造浆率极高，所以我们决定因地制宜，不另加膨润土造浆，而是直接加水钻进，但必须控制好泥浆的比重，太稀不能促进泥浆上返，不能平衡地层压力，太绸影响钻进效率，使岩屑上返困难。于此同时，我们用振动筛做好泥浆的固相含量控制及时除砂。保证我们的血液干净健康。四成井工艺4.1 测井与地层分析在钻机全体人员的共同努力下，经过13天的艰苦奋斗，我们终于钻至预定层位，大家怀着激动而忐忑的心情期待着测井结果。经过测井人员对三侧向电阻率和自然伽马曲线的分析得出以下结论：该井全孔为粘土与粗砂，细砂和粉砂，达到水温要求的含水层段为600m以下的地层，并且以粗砂为主，细砂粉砂和粘土为辅。4.2取水段的选择经过上述分析结果我们看出此井为完整井，己顺利钻过含水层段，为以后水井的可持续发展打下了好的基础。根据出水量的大小我们决定把管下到粗砂位置上，以增大出水量并且减少翻砂。 4.3通孔与破壁通孔与破壁可称的上是地热井成井过程中的基础环节，其目的是在于清除井壁泥皮，疏通含水层孔隙，为洗井做准备。根据此孔全孔造浆的特点，我们决定增加加水循环的时间，以最大程度清除泥皮，清洗孔壁，循环时间定在48h，同时细水长流慢慢调整泥浆性能。之后进行通孔与破壁，考虑到粘土层极易缩径的特点，我们采用自制环形通孔器进行破壁。在通孔时遇阻严禁强拉强墩，以慢放慢下为宜。此时观察上返浆液的粘度是否达到要18s的要求，如达到则说明处理成功，方可进行下一步操作。44成井材料选择4.4.1过滤器的选择昌黎县的含水层段多为粗砂，其极为松散，所以必须采取保护措施，保护不稳定地层的工具是过滤器。我们采用的是159mm直缝包网过滤器，它单根长两米一，用于粗砂含水层具有极好的挡砂出水作用。尼龙网用80目（一英寸的网孔数），网孔直径约为0.2mm，其周围充填砾料。直缝过滤器用不锈钢钢管制成。虽然其费用较高但是其强度及防腐性能较好了，使用它可以减少因生锈对井的处理措施，增加井的寿命。必要时还可在过滤器涂上保护层或镀锌等。根据过滤器孔隙的面积与过滤器表面积的比值求出孔隙率，其值小于30%大于20%符合要求。根据出水量的公式(D=Q/Lmv D:用水量方/秒 L m：过滤器的长度与空隙率 v：最大允许进水流速 见表一)可以求出过滤器的直径。所以我们选用159mm过滤器。表一 含水层颗粒直径(mm)最大允许进水流速（米秒）0.1-0.250.00180.25-0.50.00300.5-1.000.00351.00-2.000.0064.2井管选择与下管技术措施在确定好过滤器的尺寸后，我们决定在过滤器上接直径为159mm钢管和325mm钢管，壁厚6mm，单根长12m。根据含水位置排列好井管后，对钻机及相关设备进行检查以防下管过程中出现故障而引发事故。在下管过程中，操作者要缓慢下放，看好拉力表。焊工要对两管之间认真焊接，防止漏焊而引发砾料从漏口进入井管造成严重事故。在下管过程中要严格观察井管内水位，并进行测量防止管外液体压差压扁井管而造成严重事故。为了避免在填砾料过程中砾料不规则堆积而影响出水，我们在过滤器外每隔20m焊上筋骨肋条做扶正器用，它焊上过滤器之后的直径要比孔径小20-30mm。同时为了封闭砾料以及沉淀泥沙需要在过滤器下端做10-20m沉砂管，下口封闭。对于井深较深的井还可用二次下管法。4.3砾料的选择与填跞方法填跞的目的是在过滤器与井壁之间形成人工过滤层。此人工过滤层可以增大过滤器的孔隙率和透水性，减少进水时的水头损失，以增加单井出水量。同时，还可起滤水挡砂的作用，以防止含水层中的细小砂砾涌进过滤器内。因此，可以延长水井的使用寿命。在粗砂和细砂中填跞是必不可少的工序。砾料的规格直接影响人工滤层的透水性和井水中的含砂量。如砾料过大，则孔隙增大，挡砂作用减弱，抽水时会大量涌砂，砂料之间的孔隙也会被细砂充填，影响透水性。如砾料过小，不仅透水性差，且使填跞外围含水层中的细砂很少被冲出，以致在含水层中不能很好的形成天然滤层，因而使水量减少。根据砾料为含水层粒径的8-10倍，我们选择砾料粒径为4mm左右。但根据实际中，无论是中砂层还是粗砂层，其中都含有一定数量的细砂。如为了防止这些细砂或粉砂通过，则在砾料中应添加小颗粒成分以阻挡细砂，即所谓的混合砾料。但在混合砾料中，小颗粒成分不得超过10%。其次是砾料的形状，其应具有良好的滚圆度，因为滚圆的砾料具有较高的透水性和阻拦砂粒的能力。砾料的质地应坚硬，不易起化学作用。一般用石英岩或其他硅化岩砾石作为砾料最合适。增大填跞层的厚度，以扩大具有良好透水性能的人工过滤层的范围，可以增加水井的出水量。因此在施工条件许可的情况下，可适当加大填跞厚度。一般填跞厚度约为75-100mm。填跞的高度必须要高出过滤器的上端，否则经过洗井和抽水后，砾料会更加密实而自动下沉，露出过滤器而造成涌砂。实践证明：当井径为450-500mm，每10米砾料将下沉0.5-1米。一般来说，刚运到现场的砾料还要经过筛选水洗，剔除杂质，土和不合规矩的砾石。同时根据成井结构，井深，和地层特点，我们选用了静水填跞法。在运用此方法时砾料均匀的由井管四周填入，填入的速度不宜太快，以防砾料中途堵塞而出现搭桥现象。当投入部分砾料后，由于砾料下沉，形成井管内外压力差，迫使井管外的泥浆外溢，同时应仔细观察这一过程，返水好时，说明通孔处理的好，井壁光滑，砾料不受阻，此时可加快填跞速度。在填跞的过程中，应经常用测棒测量填跞的深度，以了解填入的砾料是否到达计划位置。如砾料中途堵塞，不要强力摇动或提动井管，可将抽筒或活塞下入井管内缓慢的上下提动，直至砾料下沉，也可在井管外下入钻杆送水，将堵塞的砾料冲开，再继续围填。井深可用抽水填跞法。4.5洗井4.5.1小活塞洗井填好砾后，为了增加工作效率，先少填些红粘土，以达到封闭上部含水层的目的，保证洗井效果。填入量可根据井管外环空面积进行计算。根据昌黎县的地层特点，我们选用大小活塞洗井方法。因为用活塞洗井时，活塞在钻杆的重力作用下，迅速下降，冲击井水，使井水透出过滤器冲击含水层。然后猛然上提活塞，在活塞下面的井段内形成真空，含水层中的水迅速流入井内，破坏井壁泥皮，并携带出含水层中的泥、细砂和渗入的泥浆。如此反复上提下冲，就会在较短的时间内在井管外形成良好的天然滤水层。首先用小活塞洗井方法：小活塞的制作在现场完成，用一根4米左右的50mm钻杆，由底端算起每隔1.5米以上穿孔安个活塞，一共两个，活塞由厚度3mm左右胶皮带做成，直径微小于过滤器内径，根据洗井压力选择活塞个数，一般最多不超过8个，以防冲破过滤器而造成漏砂。50钻杆上部焊89钻杆接头。最后将活塞用钻杆下入含水层段进行拉洗。活塞洗井是一种成本低，效率高的洗井方法，使用于中砂以上的含水层的金属井管。在用泥浆钻进的地热井中，用活塞洗井能迅速而有效地破坏泥皮和清除渗入含水层中的泥浆。因此，活塞洗井在当前水井施工中被广泛采用。但在细砂含水层中和弯曲度过大的井管中不宜采用此法，否则，易造成事故。在洗井时，应由第一层含水层开始，自上而下逐层地抽洗。活塞在井内的时间不能过长，开始抽拉时切记不要把活塞放置井底，否则，易被流入井内的泥砂埋住，同时洗完一层含水层后应用清水循环至上返水质清澈即可。每层含水层应洗20个上下。在操作者进行洗井的时候，工人可以继续填红粘土，以充分的利用时间。在用小活塞洗完后，需下水泵进行试抽水，下泵前需向泵内灌注清水。用泵抽水时间一般应维持在10-20小时左右，以达到抽水洗井的目的。4.5.2大活塞洗井上述措施操作完之后进行的是大活塞洗井，大活塞洗井的原理区别于小活塞，大活塞是在325mm井管内造成真空，使井内水位随活塞上升，当活塞拉出井管后，井管内的水喷出管外，此时，含水层裂缝中的细砂泥皮被水带出。大活塞的制作同样在现场完成，首先挑一根127mm钻杆起加重的作用，其下端焊接一108mm岩心管做成逆止阀，其下端在连接一根1米左右长的89mm钻杆，在靠近钻杆下端选五片外径略小于井管外径的胶皮带，其上再放上两片直径略大于井管内径的胶皮带。大活塞用钢丝绳连接下如井管，此时可把天车的一个槽作为钢丝绳的支撑点，用钻机的卷筒下入，刚下入时用活塞下入速度一定要缓慢，以防活塞撞击井管造成严重事故，下入深度根据水位高度决定，原则是大活塞浸入水位以下，再开始向上提拉，提拉出井管外同时水位上涨至井口并喷出。对于井壁较稳定的地层可用二氧化碳洗井法。4.6抽水试验由于昌黎县地下水位在50米左右，所以水泵扬程上选择在80米，水量在50吨/min即可。在洗井后和抽水试验前，我们观测静止水位和丈量井孔深度。探采结合孔每一层的抽水试验进行了两个以上的落程，每个落程稳定时间8-24小时。五常见事故的处理5.1过滤器挤毁事故类型与成因 在松散层中地热钻探成井,一般采用的是 159桥式过滤器。它是由普通钢板冲压后再卷焊而成的一种过滤器,其厚度在5 7之间。此类型的过滤器出现挤毁和变形事故常发生在下管过程、投砾过程或洗井抽水过程3个阶段。按变形量划分其过滤器断面可能出现椭圆形和线状（完全挤压）2种类型,其中多数情况下出现后者类型的事故。 井内过滤器挤毁事故的成因（1）过滤器材质和加工工艺问题。由于目前的桥式过滤器都是用普通钢板冲压卷焊而成,所以,在强度上与井内其它无缝钢管或石油套管相差很远。 （2）井管内外形成较大的压力差。当井管内液柱过低而不能与管外的地层压力相平衡时,则会发生井管或过滤器挤毁事故,这也是发生该类问题的最主要原因。产生压力差现象的根源是泥浆问题和换浆不彻底,导致过滤器堵塞,井管内外流体不循环和贯通,在这种情况下,井管内形成较大负压,巨大的地层压力很容易将井管或过滤器挤毁。此类问题在下管、大降深洗井和抽水时容易发生。 （3）过滤器瞬间受到冲击作用。当下完井管投砾时,若遇到井眼坍塌、局部缩径或砾料“架桥”（投砾过快）等情况时,在瞬间坍塌或坠落将会对强度较低的过滤器产生巨大的冲击力并使其变形或挤毁。 上述3方面原因除了第一个是客观存在问题外,实际上都和泥浆使用有很大关系。也就是说:在整个钻井过程中泥浆性能不好,形成的泥皮过厚或使护壁效果差,则容易产生堵塞或掉块、“架桥”等问题,从而为事故的发生提供了条件。5.2过滤器挤毁事故预防措施及处理技术 预防措施所有的事故都应该作到预防为主,特别是在第四系和新近系地层中钻井,最容易发生的事故之一就是过滤器的变形或挤毁。所以在该类地层中从开钻到完井整个过程都必须作到严格、谨慎、细致。 （1）井口保护管或表层技术套管必须安装在粘土等相对稳定的地层中,并用粘土球或水泥固定牢靠,防止下管冲孔换浆时井口坍塌或表层保护管下沉倾斜。 （2）整个钻井过程中一定要控制泥浆的性能指标,避免泥皮过厚和失水量过大,防止在下管或投砾时大量泥皮堵塞或井壁崩落而形成压力差或冲击过滤器。 （3）投砾过程必须缓慢,严禁速度过快造成“架桥”现象,当架桥的砾料瞬间坍塌时,一方面携带大量的泥皮沉入井底,造成堵塞问题;另一方面对下部过滤器造成瞬间巨大的冲击力。 （4）井内存在漏失和下管过程中,注意井内液面变化。当井筒液面较低或有下降趋势时,立即向井内进行回灌,保持井内压力平衡。 处理技术若在下管过程中出现过滤器变形或挤毁事故,马上起拔已下入的所有井管,然后对事故过滤器进行更换,进行完探孔后再次下入即可,必要时可重新配制泥浆进行循环,以达到井壁稳定和不产生堵塞之目的。在这个过程中出现过滤器变形或挤毁事故很难及时发现,往往都是在洗井或抽水时感觉水量有较大出入时才发现。 当完井后发现过滤器挤毁时,井内千余米的井管被砾料围填阻力增大,此时的井管已经不可能拔出,这种情况下以往几乎整个钻井工程只有报废重新施工或赔偿。现在随着技术进步和石油钻井工艺、工具的引进,为该类事故的成功处理提供了新的希望和方法。目前在地热钻井或水文水井工程中处理该类事故的工具可以借鉴石油套管整形器,并结合事故和变形情况加以适当改进即可。 当过滤器变形较轻时,可以直接使用套管整形器进行修复;当过滤器变形严重或挤毁时,直接采用整形器效果差甚至无法修复,此时必须使用改装后的套管整形器。即在整形器下端加焊12铲形的短节,这样容易把挤毁的过滤器冲开。 在操作中泵量尽可能选择最大,转速为最低,井内钻具压力在4060之间,过大容易把过滤器冲击碎,一般情况下逐步缓慢对变形过滤器施加冲击力。这样反复动作即可使变形的过滤器冲开,注意每冲开35后,要上下拉动钻具,避免井内过滤器再次变形而卡住钻具。待井内的所有挤毁过滤器冲开以后,最好再下入小一级的过滤管起支撑作用,否则当抽水时,一旦水位下降形成压力差则很容易