范家屯镇地热资源ZK-1地热井钻探施工技术

杨振雷

(吉林省水文地质调查所，长春 130103)

0 引言

本地热井位于吉林省公主岭市范家屯镇东南，钻井性质为探采结合井，通过对该地热井钻探的设备选型，人员及材料投入，进度安排，技术措施及钻井和成井工艺方法的论述，为今后在该区域内开展地热井钻探施工掌握一手资料。

1 勘查区地质条件与成矿背景

1.1 地质概况

根据勘查区已掌握的资料，地层主要为中生界碎屑岩和新生界玄武岩，松散堆积层。古生界志留系下统桃山组，主要岩性为片理化安山岩、片理化凝灰岩、变质砂岩构成了本区基底。中生界白垩系下统泉头组共划分四段，岩性为泥岩、砂岩、砂砾岩，与下伏地层呈不整合接触。中生界白垩系下统青山口组，主要以灰绿色粉砂质泥岩、泥岩为主。姚家组以暗紫色、棕红色泥岩为主。第四系中更新统冲、洪积层，主要岩性黄土状亚黏土所组成底部广泛分布中粗砂。第四系全新统新凯河条带状河谷平原，上部为部分冲积亚砂土，下部为中粗砂、中部分布不连续的淤泥质亚黏土层。从物探可控源大地电磁测深电阻率反演层面上看，总的构造形态为东南高西北低的单斜构造形态。斜坡内局部断层发育，其走向多为北西向。该地热井位于断层控制的断层-岩性圈闭内。

1.2 地热成矿背景

本区位于长白山隆起带与松辽平原交汇带上，这个地带存在一条北东走向的松辽东缘断裂带，该断裂带形成于侏罗纪以前，深达上地幔中、新生代仍有强烈继承性活动，白垩系地层中见有褶皱及断裂变动，晚近期不断有火山活动，直至现代仍有较频繁的地震活动，该断裂带为岩石圈断裂带，断裂切割深度大，断裂沟通于上地幔，使地壳内部的余热沿断裂带向上传导，构成了热源通道。

2 设计方案、技术措施及施工工艺方法

2.1 施工人员组织、设备及主要材料投入

2.1.1 施工人员组织

根据我单位现有的地热钻井设备和以往的工作经验，及所掌握的该地区的地层特点，为顺利完成该项目的全部工作，我单位组织一个机台，共投入人员31名。

2.1.2 施工设备

(1)钻机采用张家口探矿机械总厂生产的RPS-3200型地热钻机一台套。通过以往工作实践证明，该钻机功率大，两台动力并车匹配合理、安全可靠；气动控制，操作灵活方便，自动化程度高；卷扬机采用气胎离合器提升，双抱闸刹车，加用水刹车后降低卷筒和刹带的磨损。

(2)钻塔采用张家口探矿机械总厂生产的AG31型A型钻塔。该钻塔为成熟产品，塔高31 m，移摆立根长度17.5 m，天车轮6个，天车承载能力1350 kN。

(3)泥浆泵采用山东青州石油机械厂生产的QZ3NB-1300型泥浆泵。该泵为卧式三缸单作用往复式活塞泵，具有结构成熟、使用可靠、互换性好、易于维护保养等优点。

(4)钻具配备φ127 mm钻杆2000 m，φ203 mm钻铤40 m，φ178 mm钻铤60 m，φ159 mm钻铤80 m，与钻头构成塔式钻具组合。

2.2 井身结构设计

一开采用φ339.7 mm PDC金刚石钻头钻至400 m，下φ273 mm×8.9 mm表层套管；二开采用φ244.5 mm PDC金刚石钻头钻至1850 m左右终孔(基岩地层采用三牙轮球齿钻头钻进)，下φ177.8 mm×8.9 mm技术套管及滤水管，井身结构示意图见图1。

图1 井身结构示意图

2.3 成孔方案及工艺方法

2.3.1 工艺流程

开钻前准备→技术、安全交底→安全验收→一开钻井→测井→下表层套管→一次固井→候凝→二开钻井→测井→下二开技术套管及滤水管→二次分段固井→候凝→洗井→抽水试验→拆塔退场。

2.3.2 钻井方法与钻具组合

PDC金刚石钻头配合牙轮钻头正循环全面回转钻进。一开钻具组合：φ339.7 mm PDC钻头+φ203 mm钻铤2根+φ178 mm钻铤4根+φ159 mm钻铤4根+φ127 mm钻杆+方钻杆。二开钻具组合：φ244.5 mm PDC钻头+φ203 mm钻铤4根+φ178 mm钻铤6根+φ159 mm钻铤8根+φ127 mm钻杆+方钻杆。根据地质设计1786 m以下为花岗岩，钻进时视地层实际情况花岗岩地层用牙轮球齿钻头。

2.3.3 钻井参数

转速40～80 r/min，钻压20～80 kN，泵量600～1200 L/min，泵压3～10 MPa。

2.3.4 冲洗液

主要成份为钠土粉+处理剂(碱、聚丙烯酰胺、防塌降漏失剂及水解聚丙烯腈铵盐)，具体配方见表1。具体泥浆性能参数控制在以下范围内：黏度20～25 s ，密度1.05～1.10 g/cm3，固相含量小于4%，滤失量小于8 mL/30 min，pH7～9。同时控制冲洗液调配方法及维护措施，在第四系地层钻进使用低固相化学泥浆，需注意泥浆含砂量不宜过高。控制泥浆滤失量，增强其护壁性，防止黏附吸卡钻具。二开按配方提示比例加入各种处理剂，保持低密度低固相，增强护壁性、防渗漏、防塌。严格控制固相含量，提高冲洗液的悬浮、携带岩屑能力，维护冲洗液性能在设计范围内，及时依据实钻地层压力调整钻井液密度。

表1 冲洗液配方

2.3.5 简易水文观测及岩屑录井

钻进过程中进行简易水文地质观测，主要有以下几项：①测量钻进过程中孔内水位的变化。②测量钻孔中冲洗液的消耗量。③进行水文及其他相关观测，本地热井岩屑录井自二开～800 m，每5 m取样一次，800～1850 m，每2 m取样一次，见热储显示加密为1 m一次，岩屑样品每包岩屑数量不少于500 g，供现场检验及挑样用。岩屑必须为自然风干或低温(小于80℃)烘干，保存样用布袋或牛皮纸包装。现场及时定名和描述，并绘制录井草图，初步建立岩性剖面，并完成初步的地层对比工作。

2.4 成井方案及工艺方法

2.4.1 测井

一开、二开、完钻固井后分别进行综合测井，同时测井深、井斜、含水层位置及水温的变化情况，通过物探测井资料划分地层岩性厚度和含水层情况以及固井是否达到设计要求。

2.4.2 换浆及破壁

井孔完成后将钻具下入孔底进行换浆，视地层情况适时采取二开破壁。下井管前孔内泥浆黏度不得大于20 s，密度不得大于1.10 g/cm3。

2.4.3 下技术套管及滤水管

0～400 m下φ273 mm×8.9 mm表层套管(材质J55)，400～1850 m下φ177.8 mm×8.9 mm技术套管(材质J55)与280 m滤水管φ177.8 mm×8.9 mm(材质J55)。滤水管采用钢级J55壁厚8.9 mm 钢管打圆孔加工而成，孔径16 mm，孔隙率8%～10%。一开、二开套管重叠50 m。一开采用孔口提吊下管法，二开采用钻杆送入下管法。

一开采用水泥浆全井固井，二开视测井情况分段固井。固井使用高标号固井水泥，水泥浆密度1.80～1.85 g/cm3，水灰比控制在0.5～0.6，并加入适当的水泥添加剂以改善水泥浆性能。

固井前替浆，管口密封逆止，采用固井车固井，固井后要检查固井质量。完井后先下入φ89 mm钻杆到孔底进行大泵量清水冲孔，之后视地层情况适时采取加活塞的洗井方法，必要时采用空压机洗井及化学方法洗井，洗井效果达到水清砂净。洗井完毕后，按设计要求进行三个落程抽水试验，最大落程接近或大于设计要求出水量，稳定持续时间为12 h以上，用以确定流量与水位的关系。

3 施工技术措施

每开段打完后划眼圆孔，确保孔壁光滑。φ203 mm、φ178 mm、φ159 mm钻铤和φ127 mm钻杆组成塔式钻具，减压钻进，钻铤配重大于15 t，钻进压力控制在20～80 kN，确保井孔的垂直度。

开孔轻压钻进，控制进尺，均匀加压送钻。

严格控制冲洗液性能，加强管理和维护，严格控制滤失量、含砂量，搞好泥浆净化工作。本区根据物探资料解释，断裂较发育，泉头组下部气层可沿断层向上运移断裂发育部位形成气藏，在钻井过程中做好气层预防工作。采用大密度泥浆压喷护壁，配备重晶石粉，设置足够容量的泥浆罐，钻进过程中及时清除罐内岩屑和沉淀物，同时要安装防喷器。

下管前做好以下准备工作：校正孔深，冲孔换浆，探孔，检查，丈量井管，确保孔深与管长位置相吻合；做好井管强度校核及井管重量和钻塔拉力计算。下置井管时，井管必须直立于井口中心，上端口保持水平，下管过程中要稳拉慢放，严禁急刹车，下管遇阻不得猛墩。

4 结语

本地热井于2016年8月16日施工完成，历时46天，井深1850 m、日出水量为240 m3、水温42℃，圆满完成此次钻探任务。在公主岭范家屯地区掌握了第一手钻探地质资料，同时也取得了良好的经济效益。

参考文献：

[1] 全国国土资源标准化技术委员会. 地热资源勘查规范:GB/T 11615-2010[S].北京: 中国标准出版社,2011:1.

[2] 吴尊东. 浅谈钻探技术在地热井中的应用[J]. 地球, 2016(1).