火山岩沉积地层的地热井施工工艺

靳廷朝，黄烜

(1.河南省地矿局第一地质环境调查院，郑州 450045；2.河南省地矿局第二地质环境调查院，郑州 450045)

1 项目概况

河南花仙子实业有限公司积极响应政府号召在规划区温泉小镇建设温泉洗浴度假中心，委托我院在花仙子实业基地园内施工一口深2000 m地热井。本井施工钻进采用正循环钻井工艺，钻井深度1760.90 m。

该项目位于火山岩地层，不同岩层的含水性差别很大，火山岩岩层地下水较为贫乏，找水难度很大，被当地人认为是“找水禁区”。在施工过程中，项目组技术人员反复研究相关资料，精确确定井位，在钻井中，克服地热井处于断裂带上，岩层破碎，钻进施工中多次发生塌孔、掉块、卡钻及容易偏斜等技术难题，实现了火山岩地区地热勘探的新突破，最终出水量达8.891 L/s，井口水温为44 ℃。

2 工程地质条件

2.1 区域地层介绍

工作区位于温泉镇东塘沟，区域出露、隐伏的地层主要为太古界登封群(Ardn)、震旦系(Z)、寒武系(∈)、石炭系中上统(C2+3)、二叠系下统(P1)和第四系(Q)。现由老至新分述如下：

(1)太古界登封群(Ardn)

角闪斜长片麻岩，黑云斜长片麻岩，角闪片岩，石墨片岩夹透闪石大理岩，混合岩。

(2)震旦系(Z)

① 下统马家河组(Z1m)，灰绿、紫红色辉石安山玢岩，棕色石英斑岩夹透镜状大理岩、砂质泥板岩，底部为凝灰质砂岩、凝灰岩、球状熔岩。

② 中统云梦山组(Z2y)，岩性为暗紫色、灰褐色厚层状中粗粒石英砂岩夹砂质页岩，底部为砾岩及透镜状铁矿层。

(3)寒武系上统崮山组(∈3g)

岩性为厚层白云岩、鲕状白云岩，局部含燧石团块夹泥质白云质灰岩。

(4)石炭系中上统(C2+3)

岩性为灰黄色砂质页岩、砂岩与黑灰色灰岩互层夹煤层，底部为铁铝岩。

(5)二叠系下统(P1)

岩性为灰黄、黄绿色厚层砂砾岩，长石石英砂岩与砂质页岩互层夹灰质页岩及煤线，上部为杂色斑块页岩。

(6)第四系(Q)

淡黄色粉质黏土，粉土夹红褐色粉质黏土条带，底部为透镜状砂砾石层。

2.2 构造

勘探区位于华北板块南缘逆冲推覆构造带豫西段前缘部位，其北部与嵩箕隆起相邻。区内构造主要有庙下断层及温泉街推覆构造，其中温泉街推覆构造对该区温泉的形成起控制作用。温泉街构造走向北西—东南向，倾向南西向，沿走向北端交于武庄正断层，南端交于大张正断层。该推覆构造带是由一组走向北西、倾向南西的逆冲断层组成，由西南向东北依次为涧山逆冲断层及支断层、温泉街逆冲断层和赵庄断层。

2.3 水文地质条件

地下水的赋存和分布是以岩性为基础，地质构造起控制作用，气候和地貌条件则是地下水形成的重要自然背景。本区地热源主要来自地球深部的热能，传输方式主要是岩石的热传导，岩体的热量再传输给循环水，形成地热水；其次为断裂导通地下热能，通过地下热水将热量向上传输。

该区域地下水主要赋存于上部第四系、上第三系松散地层的孔隙水及深部震旦系裂隙含水岩组，地热水补给来源主要来自大气降水入渗，经深循环后侧向径流补给本区，以人工开采，侧向径流为主要排泄方式。

2.4 地热地质条件

该区地热类型为隆起山地对流型。盖层不发育，热储呈带状，宽数十米至数千米。地热显示为温泉，分布受温泉街断裂控制，热源通过深循环的地下水沿断裂或裂隙对流传递，西北—东南向深大活动断裂为该区的控热构造，其次级断裂往往形成导热构造。热水产量视水文地质条件而定，溶隙热储较大、基岩裂隙热储一般较小，断裂发育、裂隙开启性及补给好的基岩热储，水量也较大。

3 钻井工艺

根据区域地层情况及该项目的技术要求，使用TSJ 3000钻机施工，以保证施工进度。

3.1 钻进方法

该地热井采用正循环钻进工艺，牙轮钻头钻进，采用塔式钻具稳斜，一开使用∅346 mm牙轮钻头钻进，二开使用∅311 mm牙轮钻头钻进，在一开二开钻进结束后下入∅273.1 mm和∅244.5 mm石油套管，进行固井止水。固井结束后三开使用∅216 mm牙轮钻头钻进至1760.90 m，因钻井液循环不上返浆，为防止出现井下事故，决定终孔。

3.2 井身结构设计

0～300 m：孔径346 mm，下入∅273.1 mm套管，水泥浆固井；300～1000 m：孔径311 mm，下入∅244.5 mm 套管，水泥浆固井；0～1000 m：两级钻孔，一次下管固井；1000～2000 m：孔径216 mm，裸孔或者下入∅177.8 mm套管。

3.3 钻具级配

3.3.1 一开钻进

井深：0～348.08 m；钻具组合：∅346 mm钻头+∅178 mm钻铤6根+∅159 mm钻铤6根+∅89 mm钻杆+主动钻杆。

3.3.2 二开钻进

井深：348.08～1001.50 m；钻具组合：∅311.2 mm钻头+∅178 mm钻铤6根+∅159 mm钻铤6根+∅89 mm钻杆+主动钻杆。

3.3.3 三开钻进

井深：1001.50～1760.90 m；钻具组合：∅216 mm钻头+∅159 mm钻铤9根+∅89 mm钻杆+主动钻杆。

3.4 钻进参数

钻井采用TSJ3000型钻机施工，泥浆泵型号3NB350，选用的钻进参数见表1。

表1 钻进参数表

4 泥浆工艺

4.1 配方及性能

4.1.1 钻井液配方

0～348.08 m上部井段：5%预水化坂土浆+0.3% Na2CO3+0.3% NaOH+0.2% HV-CMC。

348.08～1760.90 m下部地层：0.4%水化坂土 + 0.2% Na2CO3+0.2% NaOH+0.2% LV-CMC + 1% COP-HFL。

4.1.2 泥浆性能

黏度35～50 s；滤失量10～15 mL；密度1.05～1.15 g/cm3；含砂量<0.3%；pH 8～10；泥饼厚度<0.5 mm。

4.2 泥浆配制

开钻前配制20 m3泥浆。将黏土粉和清水混合搅拌，加入纯碱(纯碱加量为黏土粉重量的4‰左右)搅拌成基浆，之后再加入适量CMC和聚合物控制滤失，使泥浆性能达到设计要求。钻进中加入泥浆基液进行调整。

4.3 泥浆的日常维护与管理

(1)每班测量1次泥浆性能，并做记录。

(2)日常维护处理均在钻进过程中即在循环槽内进行，缓慢加入清水和处理剂溶液，边循环边调整泥浆性能，保证地表和孔内泥浆同步调整。

(3)勤维护处理、勤捞渣、定期清理沉淀池，保持泥浆净化。

(4)机台建立健全泥浆管理组织和规章制度，泥浆处理剂、测试仪器和有关设备的使用、保管和维护工作有专人负责。

(5)正常钻进过程中，必须调整好泥浆参数做到密度适中、黏度恰当、滤失量小。

5 成井工艺

5.1 钻孔实际钻遇地层

根据孔口捞渣判断与综合水文地质测井解译，钻孔实际钻遇地层自上而下为：

10～13.40 m：暗红色黏土，粉土，底部为不整合碎石接触面；213.40～810.00 m：火山岩，暗紫色、灰褐色厚层状中粗粒石英砂岩，坚硬；3810.00～1123.00 m：火山灰岩，暗灰色、灰色、破碎；41123.00～1760.90 m：紫红色辉石安山玢岩，棕色石英斑岩。

5.2 成井结构

5.2.1 地热井的孔身结构

0～348.08 m孔径346 mm，348.08～1001.50 m孔径311 mm，1001.50～1760.90 m孔径216 mm。

5.2.2 成井井管结构

0～317.28 m下入∅273.1 mm × 8.89 mm石油套管(J55)；317.28～1001.50 m下入∅244.5 mm × 8.94 mm石油套管(J55)；980.50～1760.90 m下入∅177.8 mm × 8.05 mm石油套管、滤水管(J55)。

5.3 井管安装与固井

5.3.1 下管方法

0～1001.50 m下入∅273.1 mm和∅244.5 mm石油套管，套管连接采用变径接头，套管安装采用一次性悬吊下入。

980.50～1760.90 m下入∅177.8 mm×8.05 mm(J55)API套管，滤水管为割缝石油套管。套管安装采用钻具(左旋接头+钻杆)送入法，直接将井管送入到孔底，将套管送到预定位置后，右旋钻具退出左旋接头。

5.3.2 固井

0～1001.50 m井段在∅273.1 mm和∅244.5 mm套管与井壁之间注入水泥浆进行固井，采用套管内插入法固井。在下完套管后，开泵循环泥浆一周，循环结束后开始注水泥浆固井，水泥浆从钻杆直接送入套管底部单向阀，通过套管与井壁之间上返至地面，打完水泥浆后上提钻杆，泵入清水冲洗钻具；然后，等待水泥凝固。固井灌入水泥浆50 m3，水泥浆密度1.75 g/cm3，候凝3天进行下一步施工。

6 施工中遇到的困难

(1)40～400 m地层硬度高，钻进速度慢。

(2)由于地处破碎带，1020～1250 m地层破碎，在施工中反复坍塌，施工难度大，工期延长。在钻井中，采用特殊材料封固塌孔严重的地层，调配防塌泥浆、套管跟管等钻探技术，克服地热井处于断裂带上，岩层破碎，钻进施工中多次发生塌孔、掉块、卡钻及容易偏斜等技术难题。

(3)1025～1760 m地层倾角大、软硬不均、易偏斜，跳转严重，钻铤多次折断，为了保证钻孔垂直度，采用了满径钻具。

7 结论

(1)该井静水位76.10 m，动水位192.30 m，降深116.20 m，出水量8.89 L/s，最终井口水温44 ℃。

(2)该井验证了火山岩存在裂隙发育带的理论预测，提供了事实依据。

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