天津地區基巖地熱定向井施工工藝探討

天津地區地熱資源豐富,為有效地保護資源,實施地熱產業的可持續發展,天津市人民政府 管理部門要求在開發利用過程中,開鑿兩口地熱井,一口作為生產井,另一口為回灌井。受城市用地面積 的制約,多以定向“雙井”成井。本文重點對定向井施工工藝進行分析研究,提出相應技術措施,以保證 優質成井。 關鍵詞回灌開發,定向對井,成井工藝,技術對策,高效優質 1前言 能源的可持續開發利用是人類在新世紀里面臨的最大問題之一。地熱資源是一種新興的 環保型能源,如何在利用的同時最大限度地保護地熱資源,使其更好的持續利用是需要解決 的問題。 天津市地熱資源豐富,鉆井工程是地熱開發的第一重要手段。在開發利用時,天津市政 府從科學合理開發利用地熱資源的高度要求“回灌開發”的利用模式,可有效地保護地熱資 源。

回灌開發地熱資源是在同一施工地點開鑿兩口或兩口以上地熱井,一口作為開采井,另 一口作為回灌井,高溫地熱水經由換熱器進行熱交換,熱能被合理利用而作為地熱能的載 體—降溫后的地熱尾水,則被回灌人地下。為防止開采與回灌井地熱流體短時間內相互干擾,要求井底距離應在800m左右。受城市用地面積的限制,多以定向“對井”的方式成 井。這就需要有定向井施工技術的支持。 天津地區地質條件復雜,給基巖定向地熱“對井”的施工帶來很大難度,對基巖定向井 施工工藝進行分析研究,保證施工的優質、高效和安全很有必要。作者就2004年組織設計 施工的天津市東麗區華明鎮SR19D、SR20D地熱定向井施工工藝進行分析研究。 2地層及巖性 該“對井”通過鉆井、巖屑錄井及測井解釋,先后鉆遇了第四系平原組,上第三系明化 鎮組、館陶組,古生界寒武系,上元古界青白口系景兒峪組、龍山組,中元古界薊縣系霧迷 山組(目的層)(見表1)。 表1地層及巖性 地層劃分!深度/m}巖性 第四系平原組 第三系明化鎮組 第三系館陶組 寒武系 青白口系景兒峪組 青白口系龍山組 薊縣系霧迷山組 398 1120 1255 1610 1840 1910 2538(未穿) 貓土、砂層、砂質貓土 砂巖、泥巖 泥巖、砂巖 泥質灰巖、泥頁巖、泥巖、灰巖 泥質灰巖、灰巖 泥巖、石英砂巖 白云巖 3定向井工藝 3.1定向工具的選擇該“對井”定向井段為中31lmm井眼,選用73/4即納維鉆具、2.50 · 254·或2o彎接頭、高壓循環頭、8’’無磁鉆挺等定向工具,測量儀器定向井段采用有線隨鉆測斜 儀,增斜和穩斜井段采用自浮式電子測斜儀。 3.2定向井設計 (l)井身結構設計。根據鉆井所在區域地質情況和地熱鉆井技術特點,設計為四開井, 井身結構及套管程序為:一開鉆頭直徑為勢444.5mm,套管直徑勢339.7mm,下深400m;二 開鉆頭直徑為勢3llmm,套管直徑價244.smm,進人基巖Zm左右封閉松散軟地層;三開鉆 頭直徑為協215.gmm,套管直徑價177.smm,進人取水目的層霧迷山組白云巖Zm左右下管; 所有套管必須符合美國石油協會指定的API標準。四開鉆頭直徑為協152.4mm,裸眼成井。 井身結構見表2。 表2井身結構 井身結構 一開 二開 三開 四開 深度/m 402 1260 1916 2538 井徑/mm 444.5 311 215.9 152.4 套管直徑/mm 339.7 244.5 177.8 152.4 備注 水泥固至地表 穿鞋戴帽固井 穿鞋戴帽固井 裸眼完井 (2)井身剖面的設計。根據施工井地層特點和井身結構設計為四段制井身剖面,即直井 段、增斜井段、穩斜井段、自然降斜井段。 (3)造斜點的確定。造斜點的選擇是定向井能否成功的關鍵因素之一。一方面定向施工 要求造斜點巖石的硬度應能起到對造斜鉆具的支撐作用,另一方面又要把造斜點選擇在盡可 能淺的地層中,以利于用盡量小的井斜達到理想的成井水平位移,如何選好造斜點就很關 鍵。SR19D、SRZOD的設計造斜點在500一soom范圍內,當鉆進到soom時從上返的巖屑 判斷地層結構松散,如造斜容易給下一步施工帶來難度,頻繁的起下鉆容易使井壁拉出“鍵 槽”,造成事故隱患,在該“對井”施工中繼續往深部鉆進,并密切關注地層情況,最終將 SR19D造斜點定在820m(SR20D造斜點定在765m)的第三系膠結較好的泥巖中,隨后適 當加大井斜角施工,較好地預防了“鍵槽卡鉆”,同時使終孔達到了理想的水平位移和閉合 方位。 (4)設計方位角、水平位移、造斜率和最大井斜角。根據鉆井深度和地質構造情況,以 及地層情況設計SR19D井方位角為1350,水平位移為4oom,SRZoD井方位角為3150,水 平位移為400m,井眼曲率為12。/10Om以內,最大井斜角210。 3.3定向井施工工藝措施和注意事項 (1)直井段采用塔式鉆具結構,嚴格按規定參數鉆進,井斜角控制在1度以內。 (2)定向造斜井段選在第三系軟地層,采用有線隨鉆定向速度較快,但造斜率一般應控 制在15。/IOom以內,采用2.50彎接頭一般50~70m可達到8o井斜,完成定向工作。在定向 造斜時,還考慮了轉盤增斜階段使用的牙輪鉆頭鉆進時方位多向順時針方向漂移,即右手漂 移規律,因此該井在定向造斜過程中比設計方位提前6“一10。

目的是利用右手漂移規律在 鉆達目的層時中靶精度更高。 (3)轉盤鉆增斜井段,每鉆進30m要測斜一次,根據軌跡測量情況調節鉆壓和轉速, 以控制增斜速度和方位,井眼軌跡要圓滑,鉆至最大井斜角21“可以進行穩斜鉆進。 (4)斜井段700一13oom為中3llmm大井眼,鉆井過程中井巖屑較多,要求泥漿泵排量 要大,并根據井內情況和巖屑返出情況,每鉆進100~200m進行一次短提下鉆,以清理下 255井壁的“巖屑床”,起鉆時要觀察井口,防止出現“抽吸”,必要時接方鉆桿循環。 (5)穩斜井段,按照設計要求采用三只扶正器穩斜鉆具結構,就可滿足第三系地層 巾3nmm井段穩斜要求,每鉆進50m要測斜一次,根據軌跡測量情況調節鉆壓和轉速,控 制增斜速度和方位,可以達到按所需軌跡施工的目的。而基巖地層價2巧.gmm井段穩斜時, 情況相對較復雜,由于地層巖石塑性小、剛性較大,因此鉆井過程中受巖層傾角和走向影 響,非常容易出現降斜和跑方位情況,在設計和施工過程中采用四只扶正器的穩斜鉆具結構 有利于方位穩定,并要根據測量井斜和方位情況及時調整鉆具結構,如采用微增結構或增斜 結構進行穩斜,SR19D井遇到穩斜穩不住情況,利用增斜鉆具穩斜較理想。 (6)若方位和井斜確實難以控制時,建議采取不下動力鉆具扭方位和增斜的措施, 丸15.gmm井段成井時要下人價177.smm套管,易造成井內事故,甚至井內環空間隙較小, 若扭方位造成井眼“狗腿度”較大,則會導致套管下人度增大,造成地熱鉆井失敗。成巖較 高、巖性較硬定向井軌跡受地層影響較大,在施工中可以根據“對井”施工的第一口井的情 況,分析地層的造斜規律指導第二口井施工,如第一口井降斜嚴重,第二口井則可能不降甚 至增斜(因“對井”方位相反或基本相反),方位也有一定規律,若第一口井位移過小,第 二口井可更改設計加大位移,最終使兩口井實現理想的井底距離,滿足地熱“對井”實現采 水和回灌的需要。 (7)四開價152.4mm井段為工作的目的層中元古界薊縣系霧迷山組主要巖性是白云巖, 裂隙發育、漏失嚴重,采用自然降斜鉆具結構。 4泥漿調配 泥漿調配是定向施工的又一難點,定向井對鉆井液的要求很高,要求泥漿能夠起到非常 好的潤滑鉆具、冷卻鉆頭、維護井壁的作用,這樣才能減小井下危險,保證施工安全順利地 進行。

 (l)一開井段地層:第三系。 巖性:豁土、砂層、砂紙鉆土、泥漿用拌土漿。 

(2)二開井段鉆遇地層:第三系。 巖性:砂巖、泥巖、砂泥巖。 井眼尺寸:價3nmm;鉆井液類型:聚合物防塌鉆井液。 本井段難點:井壁穩定、大井眼攜砂、潤滑防卡。 1鉆井液性能密度1.05一1.089/cm“、豁度35一385、API失水成smL、塑性乳度 7~10mPa·s、動切力3~6Pa、105切力0.5一1.oPa、10min切力1.0~3.OPa、pH值 8.5~9。 o二開鉆水泥塞時,加人適量的純堿,避免水泥對鉆井液的污染。定向鉆進前,加人 極壓潤滑劑、潤滑防塌劑、胺鹽等鉆井液材料,保證鉆井液性能穩定。 ?上部地層機械鉆速較快,及時排放沉砂,鉆進過程中保證固控設備運轉正常,降低 劣質固相對鉆井液的污染。由于第三系明化鎮組地層本身具有造漿性能,因此增加大分子抑 制劑的含量,保持鉆井液具有低戮高切的特性,從而保證井眼清潔。 ?根據機械鉆速、進尺和鉆井液性能的變化及時補充各種鉆井液處理劑,保證鉆井液 具有較好的流變參數和穩定性。 ?根據鉆進時的實際情況及時采取短起下鉆及其他工程措施。起下鉆過程中控制速度, · 256·避免引起井下復雜。 ?完鉆前50m調整好鉆井液各項性能,保證電測和下套管施工的順利進行。

 (3)三開井段鉆遇地層:古生界寒武系地層。巖性:泥質灰巖、泥葉巖、泥巖、灰 巖。井眼尺寸:價215.gmm。鉆井液類型:抑制性防塌鉆井液。本井段難點:泥巖防縮徑、 井眼凈化、潤滑防卡、防漏。 1鉆井液性能:密度1.10一1.159/e時、豁度35一485、”I失水鎮12n1L、塑性勃度卜 15mPa·S、動切力5一SPa、105切力1.0~2.oPa、10而n切力2.0一4.oPa、pH值8.5~9。 o鉆水泥塞時,加入適量的純堿,避免水泥對鉆井液的污染。鉆進過程中,補充極壓 潤滑劑、防塌護壁劑、高溫降濾失劑等鉆井液材料,保證鉆并液性能穩定。

本井段泥巖地層易縮徑,造成井壁不穩定,加強鉆井液的抗溫性和性能穩定性,必 要時可提高鉆井液密度平衡地層壓力。失水應小于smL,茹度45~505,加入防塌護壁劑和 高溫降濾失劑。并根據情況進行短起下鉆,及時修復井眼,同時加強鉆井液的造壁性能,減 少地層的吸水量和時間。 ?根據鉆進時的實際情況及時采取短起下鉆及其他工程措施,保證施工安全順利。起 下鉆過程中控制速度,避免引起井下復雜。 

(4)四開井段清水鉆進。 5根據地層情況采取的堵漏措施 SR19D、SR20D兩井相距很近,但在施工中發現兩井鉆遇地層相差較大。尤以古生界 寒武系地層最為突出,SR19D井寒武系地層厚度為164m,其中府君山組地層缺失,井底沒 有出現異常。SR20D井的寒武系地層厚度355m,其中府君山組地層厚78m。當鉆進至 1526m時進尺開始加快為3m/min,當鉆進至1534m時出現大漏,基本不返漿,上返的少量 巖屑中含有大量的風化的灰巖,滴酸起泡劇烈,作者果斷采取了措施,甩掉三個扶正器,保 證了下面鉆進沒有發生重大井下事故,繼續鉆進,1558m再次出現大漏不返漿,提鉆,實 施靜止堵漏。3天的堵漏過程中,多次出現井下危險,但由于采取措施及時、妥當保證了生 產的安全進行,為后期的工作奠定了堅實的基礎。經過對1526一156om上返巖屑的對比研 究,確定為下古生界寒武系府君山組地層,裂隙發育,為以后對該地層的研究提供了可靠的 現實依據。 

6結論 天津市地熱資源十分豐富,作為可再生能源,它的勘探開發利用對天津市經濟可持續發 展、人民生活的提高和環境改善具有十分重要的意義。定向井技術在地熱井勘探開發中的應 用舉足輕重,而天津地質地層情況十分復雜,因此相對一般意義上石油定向井技術工藝有較 大的區別。作者對SR19D、SRZoD定向井施工工藝的分析研究,對天津地質基巖定向井施 工乃至于華北地區基巖地熱定向井施工具有指導意義。