潘庄凸起奥陶系地热井施工风险分析

王继革，陈瑞军，易志东，武佩良

（天津地热勘查开发设计院，天津300250）

1 引言

潘庄凸起基岩热储层开发利用，以蓟县系雾迷山组热储为主，其次为奥陶系热储。截至2008年底，潘庄凸起蓟县系雾迷山组和奥陶系热储地热井已近30眼，主要分布在该凸起的东部沿沧东断裂一线及西南部。近几年来随着城市建设的飞速发展，对地热资源需求的不断提高，蓟县系雾迷山组热储已处于超负荷开采状态，所以近两年来逐渐加强了奥陶系热储的开发与利用。奥陶系热储层主要分布在潘庄凸起西南部。自2008年3月至2012年7月，在潘庄凸起西南部先后开凿了8眼以奥陶系为目的层的地热井，这8眼地热井在施工过程中有6眼在钻穿奥陶系顶部古风化壳时出现钻井液严重漏失，岩屑不上返；仅有1眼井钻遇奥陶系漏失量相对较小；还有一眼地热井，由于漏失严重发生了塌井埋钻事故，导致井眼报废，造成上百万元经济损失。可见，潘庄凸起奥陶系地热井施工潜在很大风险。以往对造成奥陶系地热井发生埋钻事故的原因常归咎为钻遇断层或断裂带，笔者认为这固然是造成该类事故的重要原因，但由于潘庄凸起所处构造位置，奥陶系碳酸盐岩沉积后遭受较强岩溶作用，顶部风化壳岩溶溶洞十分发育，所以，当钻井施工钻进风化壳时极易出现钻井液严重漏失，发生埋钻事故。天津大港油田一些专家、学者从油气储层角度对天津市南部地区奥陶系碳酸盐岩岩溶作用作了较为详细研究[1]，其中研究程度较高地区在大港千米桥[2]。天津地热开发设计院陈瑞军、赵苏民等在“天津市区附近奥陶系地热流体形成条件和研究利用报告(2008)”中对天津市区海河断裂以南奥陶系岩溶发育类型作了较详细研究，而海河断裂以北奥陶系热储层岩溶的研究相对较少。本文以钻井、录井等资料为基础，研究了潘庄凸起奥陶系古风化壳岩溶发育特征，揭示了潘庄凸起奥陶系地热井施工风险，以期为今后该区域地热井施工设计提供有益的参考。

2 区域地质背景与岩溶地质条件

潘庄凸起位于沧县隆起北段，东侧以沧东断裂与北塘凹陷相连，西侧以天津断裂和大成凸起相邻，南端以海河断裂与双窑凸起相接（图1）。潘庄凸起基岩地层主要是中、上元古界和下古生界，盖层为新近系的馆陶组和明化镇组。奥陶系分布在本区西南部，其它地区缺失[3]。

早奥陶世本区为海相浅水台地碳酸盐岩沉积环境，沉积了以微晶灰岩，白云质灰岩，微晶白云岩为主的碳酸盐岩地层，沉积厚度500 m左右。中奥陶世峰峰期后，发生海退，直到中生代进入板内裂谷发育期，形成凹陷并在其中沉积了中生界。在新近纪，地质构造演化进入裂谷拗陷期，开始接受新近系沉积，期间经历了长达300～410 Ma的风化剥蚀。在奥陶系与上覆中生界、新近系之间形成区域不整合面，不整合面以上沉积了河流相陆源碎屑岩。由于经历了长期沉积间断，经暴露、淋滤和风化剥蚀，使得奥陶系上部碳酸盐岩发生了较强的岩溶作用，在潘庄凸起西南部形成了“潜山型”古风化壳岩溶[4]。

图1 潘庄凸起基岩地质图Fig.1 Bedrock geologic map of Panzhuang uplift

3 潘庄凸起奥陶系古风化壳岩溶特征

3.1 潘庄凸起奥陶系古风化壳岩溶发育期次

风化壳岩溶又称不整合面岩溶，它是指可溶性岩层在出露地表的表生风化环境中，水对可溶性岩层的淋滤改造过程中所发生的岩石溶蚀[5]。渤海湾盆地被第三系覆盖的下古生界-中上元古界岩溶，以华北任丘、大港千米桥最为著名[6]。古岩溶的形成期次通常采用不整合面法、洞穴碎屑充填物矿物成分及古生物法（如孢粉和脊椎动物）划分。潘庄凸起经历了多期构造运动改造，使得奥陶系碳酸盐岩受到了多期风化、剥蚀，造成了多期的沉积间断面，其中对钻井施工有重要影响的不整合面有两个，分别为奥陶系顶不整合面及亮甲山与马家沟组之间不整合面。依据古构造运动和沉积环境的变化，将潘庄凸起古风化壳岩溶形成和演化过程分为3个期次。

（1）亮甲山-马家沟期

隐晶质褐铁矿呈胶状，形成豆粒、球粒，产于碳酸盐岩溶蚀孔洞中，这种球粒状褐铁矿为风化壳成因，处于潜水面之上的淋溶带内，为铁的氧化物（镜铁矿、赤铁矿等）水解作用后再发生胶体沉积而成，它一般分布于风化壳之下50 m以内，根据它的分布可以确定当时古风化壳潜水面深度。天津地热勘查开发设计院陈瑞军、赵苏民等人对潘庄凸起WR94孔岩屑鉴定分析结果表明：在奥陶系顶部及亮甲山组与马家沟组之间分别存在两个胶状褐铁矿带（表1）。其终止深度距沉积间断面分别为44 m和26 m。据沉积相研究[7]，亮甲山-马家沟期为准礁滩到礁滩相过渡期，海平面升降较频繁，可存在海岸岩溶地质作用，只不过岩溶期较短，淋溶带较薄（26 m），从地热井钻井液漏失统计上看，该层位漏失概率相对较小。

表1 沉积间断与淋溶深度统计表Table 1 Statistics table of sedimentary interruption and leaching depth

（2）晚侏罗-早白垩世期

中三叠世以后的构造运动，使天津地区形成NW—EW向较宽缓的褶皱及断裂（海河断裂带初始期），之后受到华北全区抬升，遭受风化剥蚀的影响，褶皱核部及其附近奥陶系被剥露出来，出露点在大港千米桥（形成“潜山型”古风化壳岩溶）和潘庄凸起中东部的山岭子。侏罗世的燕山运动形成NE向褶皱（山岭子-王兰庄背斜等）及断裂，两期褶皱、断裂叠加的结果使本区褶皱成山，地形高差增大。依据该凸起上奥陶系地热井古侵蚀面埋深统计，最大高差达136 m。在褶皱核部-山岭子一带古地形高差还要更大一些，该部位奥陶系碳酸盐岩遭受强烈风化、淋滤、剥蚀，而在山岭子褶皱的左翼奥陶系低凹部位沉积了白垩系紫红色含砾泥岩。

（3）晚白垩-中新世期

从晚白垩世开始，华北地区受库拉板块俯冲的影响，处于隆起剥蚀状态。笔者认为这段期间是潘庄凸起奥陶系顶部形成“潜山型”古风化壳岩溶的重要阶段。首先，经过前期印支-燕山两期构造运动，使本区隆起，使得奥陶系得以出露地表，形成地貌上高于周围侵蚀面（不整合面）的局部隆起，其次，由于长期处于隆起状态，风化剥蚀作用强烈，直至中新世才开始下降接受明化镇组及馆陶组沉积，造成上覆地层长期缺失。在此期间，山岭子一带高部位奥陶系碳酸盐岩继续风化剥蚀直至缺失，潘庄凸起西南部奥陶系由于地势相对较低，除部分遭受剥蚀外，大部分经受地表水溶蚀，淋滤形成古“潜山型”风化壳，形成奥陶系良好热储层。

3.2 潘庄凸起奥陶系古风化壳岩溶垂向发育特征

发育完整的风化壳岩溶序列，一般是从不整合面向下由垂向淋溶岩溶带、季节变动岩溶带和径流岩溶带三部分构成[8-10]。由于潘庄凸起地热井钻入奥陶系时大多数井钻井液漏失严重，岩屑不上返，因此有关岩性及生物化石方面资料较少，对古风化壳岩溶垂向特征的研究主要参考钻井及测井资料。本文选取潘7#井对潘庄凸起风化壳岩溶特征做一剖析(图2)。

（1）垂向淋溶带

图2 潘7#井奥陶系岩溶带划分图Fig.2 Division of Ordovician karst belt in Pan 1#well

发育于地表以下，最高潜水面以上。由地表大气淡水补给，水流主要在重力作用下沿岩层中的裂隙或断层向下垂直方向渗流，形成垂直方向的溶孔、溶缝及溶洞。该带位于1148～1170 m、1420～1440 m井段，厚度分别为22 m、20 m。该段测井解释孔隙度6.35%～7.46%，渗透率2.59～2.77×10-3μm2。垂直淋溶带在测井曲线上常呈漏斗形，电阻率相对于其下部的季节变动带要高，自然伽马相对于不整合面顶部要低。

（2）季节变动带

处于最高潜水面和最低潜水面之间，该带地下水十分活跃，溶蚀形成的孔洞，裂缝以水平或近水平展布为主，该带位于1170～1186 m、1440～1454 m井段，厚度分别为16 m和14 m。孔隙度2.14%～3.83%，渗透率（0.12～0.48）×10-3μm2。测井曲线特征通常为低伽马值、相对的高电阻。

（3）径流岩溶带

发生于最低水位期潜水面以下，位于1186～1216 m、1454～1487 m，该带地下水流动缓慢，岩溶作用较弱。

4 施工风险分析及对策

4.1 风险分析

据对潘庄凸起已经完工的8眼奥陶系地热井统计（表2），其中有6眼在钻入奥陶系顶部古风化壳时出现钻井液严重漏失，其中一眼发生埋钻事故，导致井眼报废。造成潘庄凸起奥陶系地热井施工风险两个主要因素是断层或断裂带及古风化壳岩溶。中三叠世后的印支-燕山运动使潘庄凸起奥陶系最终形成NE向褶皱，褶皱核部及其附近碳酸盐岩出露地表接受岩溶作用，同时，构造运动使潘庄凸起奥陶系经历长期沉积间断，顶部发育古风化壳岩溶，从上往下普遍发育垂向淋溶带、季节变动带，两带厚度约30～45 m，顶部垂向淋溶带沿垂向岩溶裂隙发育落水洞及岩溶溶蚀漏斗，其下部的季节变动带发育侵蚀型溶洞，该类溶洞少有充填物，保留了较好岩溶洞穴，洞穴间连通性好，富水性高[11]。因此，钻遇该类奥陶系碳酸盐岩地层时一旦漏失难以封堵，给施工带来很大风险。该段地质录井标识是：①钻时突然减小，钻速明显加快、放空、蹩跳钻现象；②严重钻井液漏失，岩屑不上返。

表2 潘庄凸起奥陶系地热井钻井液漏失统计表Table 2 Statistics Table of the drilling fluid leakage in Ordovician geothermal well in Panzhuang uplift

4.2 对策

由于潘庄凸起奥陶系顶部易出现钻井液漏失，发生埋钻事故，因此在地热井施工过程中要及时、准确做好地层的判定工作，既不能提前，更不能滞后，保证钻入奥陶系顶部风化壳时停钻。

4.2.1 地层预测

潘庄凸起奥陶系上覆地层有中生界、馆陶组、明化镇组，其中中生界、馆陶组受古构造环境影响仅在凹地，斜坡地带有沉积，中生界厚度变化较大，厚度10～125 m不等。奥陶系上覆新近系明化镇组在本区较普遍，明化镇组厚度较稳定，平均540 m左右。据对8眼奥陶系地热井顶板埋深统计，平均埋深1145 m。

4.2.2 钻机运行状态与地层岩性对比分析

潘庄凸起大多数地热井在钻遇奥陶系顶部风化壳时就出现钻井液严重漏失，岩屑不上返，因此，地质人员除了仔细观察岩屑外，还要结合钻机运行状态综合判断。接近奥陶系顶部风化壳通常钻遇砂砾岩层，砾石成分较杂，有泥砾，钙质颗粒及燧石，出现间歇性跳钻，出现上述特征时要调低钻压，小排量钻进，观察泵压变化，同时注意钻井液液面是否下降，每钻进0.5 m捞取岩屑仔细观察，如发现下伏奥陶系碳酸盐岩新鲜岩屑时应停止钻进，有时即使看不到碳酸盐岩岩屑，但出现连续跳钻（一般2 m以上），钻速加快，泵压下降，钻井液开始出现漏失特征时，也应停止钻进，开泵循环一段时间，待井底岩屑全部循环上来后，进行物探测井，依据测井结果判定是否钻入奥陶系顶部风化壳。

4.2.3 施工设计要求

（1）由于潘庄凸起地热井施工在钻入奥陶系时，经常出现钻井液漏失，难以封堵等地质问题，因此，在对奥陶系以下热储层（寒武系及蓟县系雾迷山组）地热井在施工设计时需要改变常规的四开井身结构，即将一开套管直接下到奥陶系顶面，钻穿奥陶系进入下伏寒武系泥岩后再下二开套管，固井。这样，通过成井工艺的改变解决了施工中钻入奥陶系出现的钻井液严重漏失，不易封堵的问题。

（2）依据潘庄凸起奥陶系8眼地热井统计，奥陶系顶面埋深平均1145 m，基岩平均地温梯度1.51℃/100 m，因此流体温度普遍较低，平均在50.5℃左右，出水量平均96 m3/h。奥陶系热储层流量大，温度低，更适合做回灌井。笔者认为：为了合理利用潘庄凸起地热资源，在地热井布局上，采用两采一罐模式，即选用蓟县系雾迷山组热储层做开采井，奥陶系热储层做回灌井，这样使地热资源得到充分合理的利用。

5 结论

（1）潘庄凸起奥陶系经过3期岩溶作用，发育两层古风化壳岩溶带，顶部“潜山型”古风化壳岩溶带最为发育，下部亮甲山-马家沟组层间古风化壳岩溶带次之。“潜山型”古风化壳岩溶溶洞、孔洞发育，连通性好，是良好热储层，地热井施工钻遇该层时易发生钻井液严重漏失，埋钻等事故。

（2）为降低风险，防止埋钻等事故的发生，在钻遇该类易漏失奥陶系时应做好奥陶系地层预测分析工作，钻进过程中，除了及时仔细观察岩屑外，还要结合钻机运行状态注意钻进参数变化，做好地层综合判定工作。

（3）奥陶系在不同地质构造单元受断裂及岩溶作用影响均不相同，因此天津地区奥陶系热储在不同地区表现出较大差异性，为提高奥陶系地热井成功率，应加大不同构造单元奥陶系碳酸盐岩原生结构及后期岩溶作用研究，从而弄清不同构造单元奥陶系热储层控制影响因素。

[1]吴永平，杨池银.渤海湾盆地北部奥陶系潜山[M].北京：地质出版社，2002：181.

[2]金振奎，邹元荣，将春雷，等.大港探区奥陶系岩溶储层发育分布控制因素[J].沉积学报，2001，19(4):530-535.

[3]天津市地质矿产局.天津市区域地质志[M].北京：地质出版社，1982，215-217.

[4]马立桥，杨树锋，陈学时，等.渤海湾盆地南北两侧奥陶系古风化壳储层的不同发育模式[J].高校地质学报，2007，13（6）：96-104.

[5]何碧竹，焦存礼，贾斌锋，等.塔里木盆地塔中西部地区奥陶系岩溶作用及对油气储层的制约[J].地球学报，2009，30（3）：395-403.

[6]张宝民，刘静江.中国岩溶储集层分类与特征及相关的理论问题[J].石油勘探与开发，2009，36（1）：13-14.

[7]陈瑞军，赵苏民，李嫄嫄，等.天津市区附近奥陶系地热流体形成条件和研究利用报告[R].天津：天津地热勘查开发设计院，2009.

[8]韩 波，冯 乔，赵振宇，等.鄂尔多斯盆地中东部奥陶系风化壳岩溶特征及储层分析[J].海洋地质前沿，2011，27（5）：26-28.

[9]牛玉静，康志宏，龙 旭，等.塔河油田奥陶系岩溶油藏溶洞储集体成因及演化[J].现代地质，2011，25(4)：657-658.

[10]倪新锋，张丽娟，沈安江，等.塔北地区奥陶系碳酸盐岩古岩溶类型、期次及叠合关系[J].中国地质，2009，36（6）：1315-1316.

[11]赵苏民，高宝珠，黎雪梅，等.沧东断裂(天津段)特征及导水导热性质分析[J].地质调查与研究，2007，30(2)，121-127.