超深地热井设计及施工工艺

王吉平

（河南省地矿局第五地质勘查院，河南郑州450001）

超深地热井设计及施工工艺

王吉平*

（河南省地矿局第五地质勘查院，河南郑州450001）

地热井的钻井和成井工艺、技术对地热井的水温、水量及使用年限关系极大。如何在2700m的深孔中，实现地热资源的有效利用，成为该钻孔从设计、施工到成井的关键。

井身结构；区域地质；风险分析；钻井液

1 工程概况

为实现地热资源的有效利用，中石化新星河南地热能开发有限公司拟在河南省濮阳市南乐县温莎尚郡小区开展地热探采井钻井工程施工。经过公司招标议程，确定由河南省地矿局第五地质勘查院承担该钻井工程的施工任务。

地热井的钻井和成井工艺、技术对地热井的水温、水量及使用年限关系极大。因此，地热井施工中应严格按照国家标准《地热资源地质勘查规范》和甲方提出的符合国家标准的相关要求，严把各道工序和材料（管材、水泥等）的质量。主要参数及技术要求如下。

1.1 井深

设计深度2700m。

1.2 水温、水量

达到井口水温大于50℃，水量大于70m3/h（降深不大于30m）。

1.3 井身结构设计

（1）0～350.0m，井径Ø444.5mm，下入Ø339.7mm、壁厚9.65mm、材质钢级J55偏梯扣无缝石油套管和密封式悬挂器，然后采用油井水泥全封固，水泥浆返至地面。候凝时间不少于48h。

（2）310～2200.0m，井径Ø311.2mm，下入Ø244.5m、壁厚9.19mm、钢级N80的长圆扣无缝石油套管，重叠段40m，然后采用油井水泥全封固，水泥浆返至重叠段。候凝时间不少于48h。

（3）2200.0～2700.0m，井径Ø215.9mm，裸眼。

1.4 井身质量要求

泵时段，最大井斜小于1°，全井段井斜不大于3°，井径扩大率不大于10%，

1.5 固井

必须保证固井质量。0～350m泵室段管外全部及2200.0～2700.0m水泥固井，水泥浆要求密度1.80g/cm3以上，对封固质量进行声幅测井或试压检测。

1.6 地球物理测井

正确划分地层、岩性及厚度，给出各热储层的电阻率、渗透率、泥质含量、含水饱和度等物性参数和成果解释等内容。

1.7 录井

1.7.1 岩屑录井

（1）为掌握钻井地层岩性特征，要做好岩屑录井取样及岩性分层描述，自井口至350m，每10m取样1次；自350～1000m，每5m取样1次；自1000m至井底，每2m取样1次。所取岩屑样要洗净、晒干按顺序装入岩屑袋中，并做好岩屑描述。

（2）样品重量不应少于400g/件，砂样淘洗干净见本色，一般采用晒干方式进行晾干。

（3）迟到时间测定：1000m以浅每钻进100m测定1次，1000m以深每钻进50m测定1次，迟到时间的确定应采用理论计算与实物测定相结合的方法进行。

1.7.2 钻时录井

钻时录井采用录井仪，井深0～2700m，每1m记录1点。

1.7.3 钻井液录井

每25m记录1次泥浆进出口温度（如出现井漏等其它情况应准确记录井深、时间、漏速、漏量）。

1.8 抽水试验

洗井达到水清砂净后，测定稳定静止水头后进行。进行小、中、大3个落程抽（放）水试验，测定井口出水水温、水量，其稳定时间分别在24、24、48h。水样采集在大落程抽（放）水试验结束前采集。水位埋深、涌水量、水温同步测量。取全取准各项数据，抽水结束后按照规范要求进行恢复水位的观察。

2 钻探目的

确定当地的地层系列及水温、水量资料，探明南乐县城区地热资源潜力。绘制测井图与综合录井图，尽可能制作实物剖面图，并提供可开采的地热井信息。

3 区域地质简介

3.1 区域构造背景

工作区位于中朝准地台华北坳陷南部的内黄凸起东北部。

3.2 构造基本特征

安阳—清丰断裂：位于工作区北部，西起水冶，东经安阳南，止于内黄、清丰一带。走向NWW，倾向NNE，倾角70°～80°，上新世以来，其断距大于400m，第四纪以来，断距约60m，为一条第四纪活动断裂，最新活动时间为中、晚更新世，其两端点为未来可能发生中强地震的有利部位。

张果屯—孟轲集断裂：位于清丰县城城东5km处，倾向南东。

南乐—龙王庙断裂：位于韩村至王什一带，倾向北西。

以上断层埋深均大于1000m，对工作区内浅中深三层含水层均不构成控制作用。

3.3 地质条件分析

根据调查分析，工作区内埋深2700m以内热储以层状热储为主，根据所属地层时代及储水介质特征，可分为新近系碎屑岩孔隙裂隙热储层和奥陶系—寒武系碳酸盐岩岩溶裂隙热储层。第四系埋深浅、水温低，形成热储盖层。

3.4 地温场分析

该区由于基岩埋深大，新生界地温梯度相对较小，一般（2.5℃～3℃）/100m,在东明断陷东、西凹陷区地温梯度小于2.5℃/100m。与基底次级构造起伏相对应，地温梯度、地温在中央隆起带高，而在两侧次凹区低。

4 风险分析

4.1 地质风险分析

（1）对地层岩性变化、构造落实和断层平面、空间展布等对钻探效果有影响的地质因素的分析。

（2）对可能含有H2S、CO2等有毒有害气体的特殊层的层位、埋藏深度、含量情况的预测。

（3）对水质中可能含有损坏井下钻具的化学成分的预测。

4.2 钻井风险分析

（1）邻井钻井过程中发生溢流、井涌、井喷、井漏、井塌、井斜层位等有关工程情况的提示。

（2）可能钻遇的断层、漏失层、高压层层位与井段等的预测。

5 施工工艺

5.1 钻具组合

（1）一开采用Ø444.5mm牙轮钻头开孔，钻进深度至350m，下入Ø339.7mm×9.65mm×350m石油套管，水泥固井并返出地面，候凝48h。

钻具组合：Ø444.5mm钻头+Ø203mm钻铤+ Ø178mm钻铤+Ø159mm钻铤+Ø127mm钻杆+方钻杆。

（2）二开采用Ø311.2mm的牙轮钻头钻进，钻进至孔深2200m后下入Ø244.5×9.19mm×1890m石油套管，表套与技术套管重叠40m，并用悬挂器连接，水泥固井,水泥返出地面,候凝48h，封固2200m以上地层。

钻具组合：Ø311.2mm钻头+Ø178mm钻铤+ Ø159mm钻铤+Ø127mm钻杆+方钻杆。

（3）三开采用Ø215.9mm的牙轮钻头钻进，钻进至孔深2700m。

钻具组合：Ø215.9mm钻头+Ø159mm钻铤+ Ø127mm钻杆+方钻杆。

5.2 钻进参数

钻进采用钻铤孔底加压钻进，钻压控制采用钻具自重加压方式，转速、泵量控制视地层情况、孔径、孔深等适当调整，具体钻进参数见表1。

表1 各种口径及钻进方法的参数

5.3 钻进工艺

5.3.1 一开钻进

（1）严格执行表层防斜打直措施。

（2）钻进中，提前调整泥浆，控制好钻压，防止井斜角超标。

5.3.2 二开钻进

（1）二开钻进直井段以防斜打直为主。钻水泥塞时，控制钻压、转速，转速不得大于40r/min，钻进地层交界面时采用吊打控制钻压，防止井斜。

（2）在钻井施工全过程中，下钻或接单根，上紧丝扣，起下钻过程中要控制速度，防止顿钻，严禁猛提、猛放、猛压；上提下放遇阻时，不能超过规定的吨位，馆陶组地层防止缩径。

5.3.3 三开钻进

（1）应注意防塌，除调整钻进液防塌外，在水力参数上也要采取相应措施，排量不宜过大，以防过高的环空返速冲刷井壁，造成井壁坍塌；起钻时严格执行不同岗位上提权限，防止起钻时遇阻和卡钻。

（2）钻开地热水层后密切观察钻井液的返出情况，看是否有气泡或油花，钻井液的总量是否增加，遇有钻时突然加快、放空、悬重增减、泵压下降等现象，立即停钻观察，并把方钻杆提出转盘面，同时采取相应措施。

5.3.4 起下钻

（1）起钻必须灌好钻井液，每起3～5柱钻杆或1柱钻铤灌满1次钻井液。因故空井时间长时，应将钻具下至套管脚。

（2）起钻遇阻时严禁拔活塞，若起钻发现钻井液随钻具上行长流返出，灌不进钻井液时应立即停止起下钻。采取相应措施，达到正常方可继续起钻。

（3）控制下钻速度，防止压力激增造成井漏。

（4）电测时要有专人观察井口，每测完一条曲线灌满一次泥浆；若发现井口外溢立即停止测井，起出电缆强行下钻，若井喷来不及时应割断电缆实施关井。

5.3.5 取芯技术

（1）下取芯工具前严格检查，合格后方可下井,取芯工具下井前做到井壁稳定，井底清洁、井眼畅通，钻井液性能稳定，符合设计要求，确保顺利下入取芯筒。

（2）下钻操作平稳，杜绝猛刹、猛放，控制下放速度，严防顿钻，钻头距井底一个单根深度时，开泵循环清洁井底。

（3）下钻遇阻不超过40kN，否则接方钻杆开泵循环，慢转下放钻具，若遇阻严重，及时起钻，换牙轮钻头通井。取芯钻进前，循环处理好钻井液，并清洁井底。

（4）取芯钻进刹把由司钻亲自操作，送钻均匀，减少憋跳钻，在设计参数允许的范围内，可以灵活地调整钻压与转速，尽量避免停泵、停钻。

（5）用液压大钳卸扣，Ⅰ档起钻，不允许用转盘卸扣。

（6）连续向井内灌满钻井液，起钻完，立即盖好井口，防止掉芯和落物。岩芯出筒后及时编号、标记，以防将顺序搞乱，出筒岩芯要全部收集起来，并妥善保管。

5.3.6 钻井液

（1）钻井液体系（表2）。

表2 钻井液体系表

（2）钻井液维护处理措施：

一开井段(0～350m)：

①开钻前配置预水化膨润土浆70m3，水化时间不小于12h，若粘度达不到要求，可加入HV-CMC提高粘度。

②完钻后充分清洗井眼，使用HV-CMC配制的高粘切钻井液封闭裸眼井段，保证下套管顺利。

二开井段(350～2200m)：

①二开前彻底清理循环系统泥砂，根据一开膨润土浆的量补充所需清水，按照配方加入各种处理剂，充分溶解后与一开钻井液混合，调整钻井液各项性能，达到设计要求后即可开钻。

②二开后可用大小分子复配的以上聚合物胶液补充钻井液，并适当地补充部分清水。粘度和滤失量可分别用低浓度的聚合物胶液和LV-CMC来控制。

③进入易塌井段前使用COP-HFL/LFL、LVCMC等处理剂降低钻井液滤失量，加入2%～3%防塌剂，钻进过程中定期补充，提高钻井液的抑制性、封堵能力，保持钻井液良好的防塌性能。

④钻进中，使用好四级固控设备。加足大分子聚合物，按配方聚合物比例复配胶液，维护好钻井液。

⑤完钻后，充分循环钻井液，将井底砂子清理干净，保证下套管顺利。

三开井段(2200～2700m)：

①彻底清理循环罐，加入120m3清水。按配方比例从加药漏斗处加入处理剂，充分水化。

②钻具到底后，替出井内钻井液。

③钻进中，按配方复配胶液维护。发生井漏，可参照（井漏的预防与处理）处理井漏。

④打完进尺后，充分循环钻井液，按设计井深完钻。

6 结论

该钻孔是我院近年来所施工的最深的一口地热井，且地层复杂，钻探过程中经常出现坍塌、缩径、漏失等现象。在钻头选型、泥浆液配方、下管固井、取芯、抽水等关键环节做到精益求精，有效地减少钻进风险，提高成孔率。该深孔的顺利成井，为该地区地热资源的储藏提供了第一手的资料，更为以后类似深孔的施工提供了宝贵的经验。

[1]濮阳市地热探采井地质设计[R].

[2]地热井钻井施工作业规范[S].

图4 墩1H井压裂施工曲线

4 结论与认识

（1）该井全程采用连续油管进行试油，15d就完成了探底、替浆、通洗井及喷砂射孔、气举作业，劳动强度低，施工效率高，完全可以满足大斜度钻杆完井水平井的试油要求。

（2）射孔完试挤吸液证明，利用连续油管水力喷砂射孔工艺能有效实现穿透钻杆及固井水泥环的目的；本次第一段压裂施工停泵压力48.37MPa,较前次直井压裂54MPa明显降低，说明水力砂喷射孔降破作用明显。

（3）从压裂曲线来看，加入暂堵剂后，施工压力直线上升且有明显的地层逐级起裂迹象，证明利用近井暂堵封剂实现复杂井筒条件水平井分段压裂具有可行性；该井压后压裂液返排率达到80%以上，说明暂堵剂降解效果较好。可以在复杂井筒条件井分段压裂中推广应用。

参考文献：

[1]文浩，杨村王.试油作业工艺技术[M].石油工业出版社，2002.

[2]雷群，胥云，蒋廷学，等.用于提高低、特低渗透油气藏改造效果的缝网压裂技术[J].石油学报，2009，30（2）：237-241.

[3]吕志凯，何顺利，罗富平，等.射孔水平井分段压裂起裂压力理论研究[J].石油钻探技术，2011，39（4）：73-75.

[4]吴奇.井下作业工程师手册[M].石油工业出版社，2002.

P634.5

B

1004-5716(2015)11-0065-04

2014-11-24

王吉平（1984-），男（汉族），河南郑州人，工程师，现从事钻探技术等工作。