XD-40 型钻机在雄安新区地热勘探井施工中的应用

高鹏举，董向宇，刘凡柏，任启伟，朱芝同，王跃伟，王雷浩，殷 邈

（1.中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊065000；2.河北省地矿局第九地质大队，河北邢台054000）

0 引言

4000 m 地质岩心钻机（XD-40 型）是中国地质科学院勘探技术研究所牵头研发的深部矿产资源勘查技术装备［1-3］，可应用于固体矿产、地热、浅层油气勘探等领域。钻机研制成功后，于2017-2018 年在天津东丽区CGSD-01 井进行了试验，初步验证了钻机的能力及主要性能［4-7］。随后XD-40 型钻机应用于雄安新区的地热勘探施工，圆满完成了D13井的钻探工作。D13 井设计井深2500 m，完钻井深2506.14 m，完钻口径152.4 mm。

1 工程概况

1.1 地理简况

D13 井位于雄安新区容城东南文营村西南，井场周边有多条乡道、县道，并且邻近荣乌高速，交通便利（见图1）。雄安新区属于暖温带半湿润大陆性季风气候。四季分明，气候温和，光照充足，雨量适中，无霜期长，干寒同期。春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽宜人，冬季寒冷少雪。年均气温在15 ℃左右，历年 1 月份平均气温为 0.7 ℃，7 月份平均气温为27.1 ℃，年降水量700 mm 左右。

图1 D13 井钻井位置Fig.1 Drilling position map of D13 well

1.2 地质情况

雄安新区地质构造上位于渤海湾盆地的冀中坳陷内，主要涉及的构造单元有徐水凹陷、容城凸起、牛驼镇凸起、霸县凹陷、保定凹陷、高阳低凸起。主体构造线以NE 向为主。主要断裂有NE 向容城断裂、牛东断裂、保定断裂、高阳断裂，NWW 向牛南断裂。D13 井位于冀中坳陷容城凸起构造东部［8-10］。

1.3 钻遇地层

雄安新区地表出露地层为第四系地层，第四系以下的岩层包括新近系（明化镇组、馆陶组）、古近系（东营组、沙河街组、孔店组）、中-新元古界（蓟县系雾迷山组、杨庄组；长城系高于庄组、大红峪组、团山子组、串岭沟组和常州沟组）、太古宇，普遍缺失古生界，不同区域受构造、剥蚀等因素影响，地层发育序列和厚度有所不同。D13 井地层如表1 所示。

表1 D13 井设计与钻遇地层Table 1 Design and as‑drilled formation at D13 well

（1）本井原预计800 m 见蓟县系雾迷山组，但实际于998 m 处钻遇长城系高于庄组，结合岩（矿）心切片鉴定报告结果，推断本区域蓟县系雾迷山组厚度极薄或缺失。

（2）第四系地层底界埋深340 m，厚度340 m。岩性主要为灰黄、黄棕粘土、粉质粘土、粉土层及不等厚的灰黄色粉砂、细砂层等。由于地层松散不成岩，采用大泵量喷射钻进，钻进时调整钻进速度，控制井斜。同时调整钻井液性能，满足护壁、防塌要求。

（3）新近系明化镇组地层底界埋深998 m，厚度为658 m。岩性以泥岩为主，主要为棕红色、红褐色、灰绿色、杂色泥岩等不等厚互层，部分泥岩含钙化物质较多；砂岩为灰绿色、灰黄色、浅绿色，含不等厚砾砂岩。上部砂岩胶结松散，下部砂岩较坚硬，部分颗粒显风化。以棕红色泥岩结束。地层遇水易膨胀、缩径，钻井液性能以护壁和降失水为主，同时控制好粘度和密度。

（4）蓟县系高于庄组地层底界埋深1435 m，厚度为437 m。岩性以白云岩为主，顶部是灰白色泥质白云岩、灰褐色花斑状白云岩，富含燧石条带、团块，结晶程度高，部分层位有方解石填充。孔隙和裂缝发育良好，钻进过程中易发生漏失，钻进过程中应及时补充惰性堵漏材料。地层内燧石条带和团块造成地层软硬不均，钻进过程中易对钻头造成冲击，选择抗冲击性能好的钻头。

（5）长城系大红峪组地层底界埋深2151 m，厚度为716 m。上段为粗面玄武岩，含不规则状玛瑙、绿泥石等填充物，部分岩层有不规则岩层裂隙发育。下段为灰白色泥质角砾白云岩，裂隙发育良好。地层倾角较大，自然造斜明显，钻进过程中优化钻具组合、采用控向钻进，控制井身轨迹。

（6）太古宙地层，钻至2506.14 m，未揭穿。岩性为肉红色钾长片麻岩，角闪二长片麻岩。地层研磨性强，钻进过程中影响钻头寿命，采用硬度较高的钻头。

1.4 钻井结构

一开Ø444.5 mm 钻进至363.88 m，下入Ø339.7 mm×9.65 mm 套管，下入井段0～363.88 m，全井段固井。二开Ø311.2 mm 钻进至857.57 m，下入Ø 244.5 mm×8.94 mm 套 管 ，下 入 井 段 329.56～857.57 m，全井段固井。三开Ø215.9 mm 钻进至1501.43 m，下入Ø177.8 mm×8.05 mm 三开套管，下入井段818.23～1501.43 m，“穿鞋戴帽”固井。四开 Ø152.9 mm 钻进至 2506.14 m［11-14］。

1.5 施工难点

（1）D13 井为地热勘探井，明化镇组以深可参考资料较少，实际钻遇地层与设计地层相差较大，对施工造成了一定影响。

（2）钻进过程中，根据地层变化需要进行取心。全面钻进和取心钻进所需的工艺参数相差较大，要求钻机运行参数调整范围宽、控制精度高。

（3）XD-40 型钻机自带泥浆泵排量偏小，不适合大口径钻进，需要单独配套钻井泵及固控系统。

2 设备介绍

XD-40 型钻机由垂直起升井架、底座、天车、游车大钩、主绞车、转盘、液气系统、VFD 房、司钻房等组成，采用交流变频技术、自动化控制技术、PLC 控制技术等，可实现提升系统、回转系统无级调速，具备数字显示、数据存储等功能。钻机总体构成示意及现场施工如图2 所示，主要技术参数如表2 所示，其他配套装置如表3 所示。

表2 XD-40 型钻机主要技术参数[4-6]Table 2 Main technical parameters of XD-40 rig

表3 其他配套装置Table 3 Matching equipment

图2 XD-40 型钻机总体构成及施工现场Fig.2 General structure of XD-40 drilling rig and working at site

3 施工情况介绍

3.1 一开简介

本井于2018 年8 月21 日开钻，一开完钻时间2018 年8 月24 日。根据设计要求及施工经验，开孔采用Ø444.5 mm 牙轮钻头钻进至363.88 m，穿过第四系，进入明化镇组地层18.88 m。一开钻进主要钻遇上部第四系土层，由于上部地层松散不成岩，钻进时控制钻压、转速，采用大泵量喷射钻进。

全面钻进钻具组合：Ø444.5 mm 牙轮钻头+Ø 203 mm 钻铤+Ø178 mm 钻铤+Ø127 mm 钻杆。钻进参数：钻压 20～130 kN，转速50～60 r/min，泵量28～31.1 L/s。一开钻井液配置：水+膨润土+铵盐+纯碱。钻井液性能参数：密度1.03～1.10 g/cm3，漏斗粘度 29～39 s，滤失量 9～12 mL，泥饼厚≤1.5 mm。

3.2 二开简介

2018 年 8 月 30 日二开使用 Ø311.2 mm 牙轮钻头开钻，2018 年 9 月 6 日钻至 857.57 m 二开完钻。钻遇地层主要为明化镇组泥岩、砂岩，地层较松散，遇水易膨胀、缩径，钻井液性能以护壁和降失水为主，同时重点控制粘度和密度。

全面钻进钻具组合：Ø311.2 mm 牙轮钻头+Ø 203 mm 钻铤+Ø177.8 mm 钻铤+Ø127 mm 钻杆。全面钻进参数：钻压30～100 kN，转速30～50 r/min，泵量28～30 L/s。钻井液配置：水+膨润土+铵盐+纯碱。钻井液性能参数：密度1.06～1.14 g/cm3，漏斗粘度31～48 s，滤失量6～10 mL，泥饼厚≤1 mm。

二开取心钻进钻具组合：Ø215.9 mm 取心钻头+川8-3 型取心钻具+Ø177.8 mm 钻铤+Ø127 mm 钻杆。取心钻进参数：钻压30～35 kN，转速30r/min，泵量 11 L/s。

3.3 三开简介

本 开 次 于 2018 年 9 月 18 日 使 用 Ø215.9 mm 牙轮钻头开钻，2019 年1 月2 日完钻，钻遇地层主要为蓟县系高于庄组泥质白云岩和长城系大红峪组粗面玄武岩。

全面钻进钻具组合：Ø215.9 mm 牙轮钻头+Ø 177.8 mm 钻铤+Ø165 mm 钻铤+Ø159 mm 钻铤+Ø127 mm 钻杆。钻进参数：钻压50～120 kN，转速50～65 r/min，泵量 30～35 L/s。钻井液配置：水+膨润土+铵盐+纯碱。钻井液性能参数：密度1.06～1.10 g/cm3，漏斗粘度 25～40 s，滤失量 7～10 mL，泥饼厚≤0.8 mm。三开段部分全漏失地层采用清水强钻。

三开取心钻进钻具组合：Ø215.9 mm 取心钻头+川8-3 型取心钻具+Ø177.8 mm 钻铤+Ø127 mm 钻杆。钻进参数：钻压40～50 kN，转速40～50 r/min，泵量 12～15 L/s。

3.4 四开简介

本开次于 2019 年 1 月 9 日使用 Ø152.4 mm 牙轮钻头开钻，2019 年3 月9 日完钻。钻遇地层主要为长城系大红峪组粗面玄武岩、泥质白云岩、炭质页岩、凝灰岩和太古宇角闪岩、片麻岩。由于四开井段较深，部分井段地层破碎，钻井液以防塌护壁为主，并控制滤失量。钻井液性能参数调整为：密度1.06～1.15 g/m3，漏斗粘度 36～51 s，滤失量 8～10 mL，泥饼厚≤0.7 mm。

全面钻进钻具组合：Ø152.4 mm 牙轮钻头+Ø 121 mm 钻铤+Ø89 mm 加重钻杆+Ø89 mm 钻杆+Ø127 mm 钻杆。钻进参数：钻压30～80 kN，转速40～50 r/min，泵量 30～35 L/s。

取心钻进钻具组合：Ø152.4 mm 取心钻头+川6-3 型取心钻具+Ø121 mm 钻铤+Ø89 mm 加重钻杆+Ø89 mm 钻杆+Ø127 mm 钻杆。钻进参数：钻压20～40 kN，转速25～30 r/min，泵量12～15 L/s。

4 事故处理

4.1 卡钻事故

三开钻进至947 m 处开始出现漏失，1007 m 后地层全部漏失，期间试过多次堵漏方案，均无明显效果。顶漏钻进至1584.65 m 时发生卡钻事故，上下活动钻具几个小时后依旧未能解卡，最大上提力1350 kN，然后使用Ø177.8 mm 地面震击器成功解卡。

4.2 随钻纠斜

在四开开钻后，因地层复杂，地层倾角较大，进行了加密测斜并不断调整钻进参数。在使用常规钻具组合钻进至1666.33 m 后，发现井斜增大至9.6°，井斜增长较快，井斜控制难度较大，决定使用随钻定向仪器进行吊打纠斜。2019 年1 月18 日开始使用随钻定向仪器和螺杆钻具组合进行钻进，纠斜效果明显，随钻定向仪器使用井段为1666.33～2322.40 m，2311.40 m 井斜降至1.4°。定向钻进钻具组合：Ø 152.4 mmPDC 钻 头 + Ø120 mm 螺 杆 +MWD 短节+Ø120 mm 无磁钻铤+Ø121 mm 钻铤+Ø89 mm 加重钻杆+Ø89 mm 钻杆+Ø127 mm 钻杆。定向段钻进参数：钻压30～40 kN，转盘转速0，泵量13～17 L/s。复合段钻进参数：钻压30～40 kN，转盘转速10～20 r/min，泵量13～17 L/s。

5 钻机性能表现

在D13 井施工期间，XD-40 型钻机完成了全井的钻探工作量，总进尺2506.14 m，其中取心12 回次，取心进尺50.51 m，岩心长度总计41.85 m，全井平均岩心采取率82.86%。完成了下套管、固井等成井工作，体现了钻机的综合能力。

在卡钻事故处理过程中，强力起拔力达到1350 kN，证明了绞车的提升能力。底座高度5 m，满足现场防喷器安装所需的空间。转盘无级调速功能满足了全面钻进、取心钻进及复合钻进对转速不同的需求，体现了变频调速的优势［15］。在施工过程中分别触发过卷防碰、天车防碰一次，防碰装置安全可靠，绞车紧急制动效果良好，有效避免了事故的发生。

XD-40 型钻机采用的交流变频系统能耗较少、节能环保。对比在容城地热田施工的D11、D12 井，XD-40 钻机平均每米节省电费分别为4%、21.9%，如表4 所示。

表4 D11、D12、D13 井用电对比Table 4 Comparison of power consumption for Well D11,D12 and D13

6 问题及建议

（1）与传统石油钻机相比，XD-40 型钻机提下钻速度偏慢，建议增大主绞车电机功率，并合理分配减速箱传动比。

（2）XD-40 型钻机自带泥浆泵不能提供大口径钻探施工所需泵量，建议匹配钻井泵及固控系统，以形成完整的施工装备。

（3）底座的前场面积较小，不方便安装液气大钳。电气系统及控制系统对维护人员要求较高，建议施工时配备具有电气经验的技术人员。

7 结语

在D13 井施工期间，XD-40 型钻机完成了钻井、取心、下套管等工作，为获取地层参数、评价热储提供了支撑。经过D13 井生产实践，充分验证了了XD-40 型钻机的技术性能，体现了安全可靠、节能环保的优点，可应用于井深2500～2800 m 的地热井施工。