新疆温泉县AKT1－1地热孔钻探施工技术

张祖海，董海燕，丁昌盛，张贤萍，刘振新

(1．新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐830091;2．山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台264004)

0 引言

“新疆温泉县博尔塔拉河谷地地热资源预可行性勘查”是新疆维吾尔自治区国土资源厅地质勘查基金项目管理中心组织实施的水文及地热勘查项目，该项目总体设计2个地热勘探孔，分别为基础测试孔AKT1－1孔(设计孔深1400 m)和产能测试孔AKT1－2孔(设计孔深1300～1500 m)。

先期施工基础测试孔AKT1－1孔，通过该孔岩心钻探工作，验证前期勘察成果，提升地热项目钻探工艺研究，为温泉县博尔塔拉河谷地后续深部地热勘探孔和地热资源试采及进一步勘查与开发远景规划的制定提供科学依据。

1 温泉地热勘查区地理情况及地质概况

1．1 温泉地热勘查区地理情况

温泉地热勘查区主要位于博格达尔温泉所在区域地热田，勘查区北部边界以博尔塔拉河断裂以北低山丘陵区一带为界，南部边界以温泉县南部山前地带为界，西部边界以温泉县博尔塔拉河上游88团8连一带为界，东部边界以温泉县博尔塔拉河下游88团6连一带为界，面积83 km2。勘查区地处欧亚大陆腹地，远离海洋，具典型的大陆性中温带半干旱气候特点，勘查区内发育的河流为博尔塔拉河。从各地至勘查区均有专用道路直达，交通十分便利，通讯网络覆盖该区域。

1．2 勘查区地质概况

勘查区位于北天山西段博尔塔拉河断裂(在区域上为博罗科努－阿其克库都克断裂的西延部分)以南，按大地构造单元划分属于一级构造单元天山褶皱系(Ⅲ)—二级构造单元博罗科努地槽褶皱带(Ⅲ1)—三级构造单元赛里木隆起(Ⅲ11)和博乐山间坳陷。

受南北向应力作用及断块差异性升降运动的影响，区域上形成了一系列平行的褶皱和断裂，与勘查区温泉出露控制有关的区域构造断裂为博尔塔拉河断裂。

勘查区内的地层大致分为:0～200 m第四系，岩性主要由粘土、砾石等组成，厚度200 m左右;200～600 m为中石炭统东图津河组地层，岩性以石英砂岩、长石砂岩、凝灰质砂岩、凝灰岩为主，厚度400 m左右;600 m以深推测为中元古界晚期变质岩地层，岩性以石英片岩为主。受断裂构造控制，第四系以下200～800 m推断岩体破碎程度较高。

1．3 钻探施工技术难点

(1)第四系地层由300 m左右的粘土、砾石组成，相对较厚，岩心采取困难。勘查区第四系地表水较为发育，易引起孔壁坍塌、缩径等，不利于钻孔孔壁的稳定。

(2)第四系以下地层岩石可钻性等级6～7级，中等—偏弱研磨性，因受地质断裂构造影响，地层破碎、裂隙较为发育，地层换层较为频繁、地层软硬不均，容易引起钻孔偏斜。

(3)勘查区钻探施工对冲洗液要求较严，既要最大限度的携带孔内岩粉，又不能堵塞裂隙，孔内涌水较大，不利于坍塌破碎地层的孔壁维护，施工难度较高。

2 钻孔结构及钻具级配选型

根据地质设计，为确保钻孔的顺利完成，设计采用多级钻孔结构，其目的是利用大径控斜和套管护孔(见图1)。

图1 钻孔结构

3 钻探设备和机具

在温泉地热勘查区进行钻探施工，考虑到钻孔设计要求的特殊性，开孔口径较大;以及维护破碎地层孔壁的需要，需采用较大口径金刚石绳索取心钻进，每一级钻孔结构均应施工至最大孔深。因此在选择钻机时，要综合考虑设计孔深、开孔和终孔口径等各种因素。表1为本孔施工采用的钻探设备和机具。

表1 主要钻探设备和机具配置

4 钻进工艺

4．1 钻进方法

先期基础测试孔AKT1－1孔钻探施工，主要采用金刚石绳索取心钻进或是绳索取心液动冲击回转钻进方法施工，根据温泉地热勘查区岩石物理特性和可钻性及钻孔结构等，主要规格型号为S122、S95和S75。采用上述钻进方法具有岩心采取率高、钻速快、防斜、劳动强度较低和钻孔质量较高等优点。

4．2 钻头、扩孔器类型的选择

根据地层岩石可钻性、研磨性和破碎程度，主要选择孕镶金刚石钻头，其主要技术参数为:钻头类型为人造热压孕镶;金刚石粒度为60～80目;钻头胎体硬度为HRC22～39;钻头底唇面选用圆弧和阶梯形状。钻进特别破碎、岩心采取率较低地层考虑采用金刚石复合片绳索取心钻头，以增加岩心采取率。扩孔使用三牙轮钻头或大口径硬质合金钻头。

4．3 钻进技术参数(见表2)

表2 钻进技术参数

主要考虑到设备及机具能力，以及口径、钻头、钻进方法不同，合理选择钻进参数。钻进过程中，应根据岩石特性，对钻压、转速、泵量等钻进参数进行有机配合，及时调整。

4．4 冲洗液

(1)第四系覆盖层钻进及扩孔钻进主要采用低固相泥浆，在使用过程中具有良好的携粉和护壁性能。具体配方及性能参数如下。

配方:1 m3水+0.1%NaOH+2%～3%钠土+2%LBM。

性能参数:粘度30～35 s，密度1.04～1.08 g/cm3，动切力4～7 Pa，API失水量8～11 mL/30min，pH值为9～11，泥皮厚度0.3～0.5 mm，含砂量≤0.5%。

(2)下部地层(含热储层)采用冲洗液体系配方及性能参数如下。

配方:①1m3水 +0.2%Na2CO3+0.3%KHm+0.1%PAC141(干粉)+0.3%植物胶;②1 m3水+0.2%Na2CO3+0.3%植物胶+2%～3%LBM+0.2%GLUB。

性能参数:粘度23～26 s，密度1.01～1.03 g/cm3，动切力 3～5 Pa，API失水量 11～14 mL/30 min，pH值为9～11，泥皮厚度0.1～0.2 mm，含砂量≤0.2%。

在钻进过程中，该型泥浆配方能够满足钻进携岩需要，每钻进100～150 m彻底更换全部冲洗液，清理施工现场泥浆坑，重新配置冲洗液，保证冲洗液性能优良、稳定。

该孔在实际生产过程中，在多个层段发生不同严重程度的漏水、涌水情况，机台均没有采取堵漏措施，其原因是地质人员要求冲洗液中不能加入任何堵漏材料，以防污染热储层，影响热储层的出水量及温度。在实际钻进过程中，均采用顶漏或顶涌的方式钻进。

(3)破碎地层LBM泥浆的使用。

钻进至521.0 m时，孔内出现塌孔现象，该段为断层泥，断层角砾，泥质结构。取出的岩心为粉末状(见图2)。出现塌孔现象后，请示地质人员，换用4%LBM高效增粘粉泥浆护孔钻进，并加入防塌堵漏剂，配合SYZX122绳索取心液动冲击回转钻进取心，岩心采取率达到93%，取得了较为明显的效果。

图2 断层泥取心照片

4%LBM冲洗液配方:4%LBM泥浆+3%～5%钠土粉+植物胶(增粘)/腐殖酸钾(稀释)+防塌堵漏剂+0.1%乳化沥青+GLUB(无荧光润滑剂)。

4%LBM冲洗液性能参数:粘度25～32 s，密度1.02～1.04 g/cm3，动切力 4～6 Pa，动塑比 YP/PV为0.15～0.25，API失水量8.0 mL/30 min，pH 值为9～11，泥皮厚度0.1～0.3 mm，含砂量≤0.5%。

实际应用证明，LBM泥浆在温泉地区破碎、漏失等不稳定复杂地层中使用，尤其在SYZX系列绳索取心液动锤钻进中使用，对于稳定孔壁、防止坍塌、防止绳索取心钻杆内壁结垢等具有明显效果。

5 采用的关键技术

5．1 套管封孔止水技术

5．2 特殊钻具级配施工大口径钻孔

5．3 SYZX绳索取心液动锤的应用

为克服硬脆碎地层岩心堵塞问题，同时有效提高钻进效率，在该孔试验应用了 SYZX122与SYZX95绳索取心液动锤，在纯钻时间利用率、提高钻头寿命、增加回次进尺、提高岩心采取率及防治钻孔弯曲等多个方面均取得了较为明显的成效(见表3所示)。

表3 常规绳索取心钻进与液动锤绳索取心钻进效率指标比较

5．4 施工中遇到的问题及处理措施

5．4．1 施工中遇到的问题

(1)AKT1－1孔施工过程中，多个层段发生不同严重程度的漏水、涌水情况。

(3)该孔地层岩性多为凝灰质粉砂岩、凝灰岩、霏细斑岩，在钻进过程中多次出现钻头打滑现象。

(4)套管与孔壁环状间隙过小，在固井时发生泵压过高现象。

(5)构造破碎带中，胶结结构多为高岭石、绿泥石，坍塌破碎严重，岩心采取率不足。

5．4．2 处理措施

(1)针对AKT1－1孔多个层段出现的漏水、涌水现象，由于地质方面要求在热水储层使用无固相冲洗液，基本以顶漏、顶涌钻进为主。遇到长孔段漏水层时，在冲洗液中加入钠土和随钻堵漏剂，提高粘度，堵漏效果较为显著。

(3)针对凝灰质砂岩、凝灰岩、霏细斑岩地层中的钻头打滑现象，采用SYZX系列绳索取心液动冲击回转钻进工艺和技术，采取了降低转速、提高钻压、更换为高寿命软胎体钻头，平均纯钻时效由常规的0.46 m/h提高到1.49 m/h，回次进尺由不足0.5 m提高到1.7 m。

(5)在施工构造破碎带时，由于该孔段坍塌破碎严重，在征得地质方面同意后换用4%LBM低粘增效粉冲洗液，配合SYZX95绳索取心液动锤钻进，有效提高了钻速，增加了回次进尺长度，采取率由之前的57%提高至91%，得到了业主的一致认可。

6 结语

AKT1－1孔自2014年6月6日开孔，11月10日钻进至1407.28 m终孔，历时5个月，台月效率281.46 m，综合钻速 1.79 m/h，岩心采取率为97.8%。AKT1－1孔的施工，建立了一套适合温泉地区破碎坍塌地层施工的冲洗液技术体系;同时试验应用了SYZX系列绳索取心液动锤钻进技术，并取得了较为明显的成效;在钻探施工组织设计及钻孔结构布置上积累了宝贵的经验，尤其是小口径钻杆配合大口径钻铤与大口径钻头施工的钻具级配，优化钻进参数和辅以高效冲洗液，在实际施工中取得了较好的效果。

通过AKT1－1孔的施工，为后续施工积累了宝贵的经验:在地层稳定的情况下，钻进大口径钻孔，尽量使用大排量钻进，避免岩粉重复破碎，实现快速钻进;合理设计钻孔结构和钻具级配，对异常破碎地层，采用多径钻孔结构和最优冲洗液;孔内事故是影响钻进效率的直接因素，施工中要充分考虑各种因素，制定详细且具有可操作性的施工技术方案、尽量避免孔内事故的发生;采用管外灌注水泥止水时，尽量增大管外环状间隙，起到保证止水效果的同时，可以避免灌注水泥时发生憋压憋泵现象。

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