崇礼地区ZK01-2地热勘探井钻探施工技术

张杰丰，陈岳，王绍民，张德龙，郭强，杨鹏

(1.河北省煤田地质局第四地质队,河北宣化 075100；2.北京探矿工程研究所,北京 100083)

0 引言

随着2022年冬季奥运会的成功申办，张家口市崇礼区迎来跨越式发展。到2020年，奥运村、崇礼区、主要风景区和周边农村将作为可再生能源示范区全部采用可再生能源。在崇礼旅游区气、电价格昂贵且供热管道修建困难的情况下，地热资源作为清洁能源以价格低廉和应用便捷等优点得到空前需求，为崇礼区冬奥会场馆及周边地区的地热资源开发利用起到巨大的推动作用。

以冬奥会为契机，通过实施张家口地区地热资源调查评价，ZK01-2井获取地热资源和与地热相关的地层结构、地质构造、岩性、地温变化、热储特征、地热流体化学特征，取得代表性计算参数，进行地热资源计算与评价，服务于冬奥会场馆及周边地热资源的开发利用[1-3]。

1 ZK01-2井概况

ZK01-2井是部署在河北省张家口市崇礼区太子城北三道沟村南的一口地热勘探井，井型为直井，目的层为中太古界崇礼群片麻岩断裂破碎带，设计井深1500.00 m。2020年7月15日开钻，2020年11月11日钻达井深1504.88 m，按设计完钻。该井未钻穿燕山早期花岗岩地层，钻探过程中未见崇礼群片麻岩，表明片麻岩热储层埋深超出预测深度。该井最大井斜4.7°，位于1330 m处，测井显示孔底温度29.17 ℃，抽水最高井口温度22 ℃。抽水1次，施工过程中共取心19回次，取心进尺41.67 m，岩心长35.73 m，岩心收获率85.75%，捞取岩屑472包。ZK01-2井设计和实钻地层如表1所示，井身结构及套管程序如图1和表2所示[1]。

表1 ZK01-2井设计与实钻地层

表2 完钻井身结构及套管程序

图1 ZK01-2完井井身结构

2 钻孔设计及质量要求

ZK01-2井参照《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)、《钻井井身质量控制规范SY/T 5088-2017》标准执行。井口移动范围100 m，全井段最大井斜≤5°，全角变化率≤4°/30 m，井底水平位移≤50 m[2-3]。

钻孔根据钻探深度和目的合理设计井身结构，各开次深度视钻井具体情况确定，变径区域的套管重叠段要有足够强度。钻孔主要质量要求包括：①全井井身质量满足设计要求，泵室段保持垂直；②井眼轨迹平滑，井内干净、无落物；③依据钻遇岩层合理确定钻探工艺技术，有效优化钻进技术参数，缩短钻井周期；④钻进过程中，每100～150 m测一次井斜，易倾斜井段要加密测量点数，及时调整钻井参数、钻具组合与施工措施等，防止井斜超标。

3 主要钻探设备及钻具

综合考虑经济性、实用性、方便性和有效性等因素，根据最大钻具和套管重量，考虑附带一定的安全系数，选用GZ-2600钻机。

GZ-2600钻机为转盘式机械传动钻机，最大钻深1800 m(127 mm钻杆)，最大钻柱质量57 t，转盘转速43 r/min、63 r/min、93 r/min、156 r/min，转盘最大输出扭矩是30 kN·m、22 kN·m、16 kN·m、9 kN·m，最大钩载1050 kN。配备两台Y280M-4型电动机，备用一台12V135型柴油机。配备一台3NB-1300型泥浆泵，全套三级固控设备，可以满足不同钻进过程中泵量和泵压的需求。

4 钻井工艺

本井为地热勘探井，缺少深部地层实钻资料，钻探过程中钻遇不可预见性因素较多，钻井施工中一定要重视安全生产。根据以往地质资料及相邻井钻井数据，ZK01-2井实施正循环回转钻进，二开采用螺杆+液动冲击器钻进，在钻遇地层漏失严重且岩屑无法排除时，根据实钻情况采用清水“顶漏钻进”及按照要求取心钻进、提速钻进等钻进工艺施工，保证工程质量[4-5]。

4.1 导管段井段(0～18.00 m)

导管段为第四系地层，以亚砂土和砂砾岩为主。本井段采用直径444.5 mm三牙轮钻头钻进钻穿第四系风化段进入完整基岩2 m，下入直径339.7 mm表层导向护壁套管，进行水泥固井，隔离地表疏松层及风化层。

4.2 一开井段(18.00～489.42 m)

一开钻遇地层是燕山早期二长花岗岩，主要成分为斜长石、钾长石及少量的石英和云母，岩石硬度高、可钻性差，机械钻效低。采用直径311.2 mm三牙轮钻头配合塔式钟摆钻具组合进行钻进，同时进行各项录井，钻进至489.42 m后进行测井作业和固井作业，下入J55钢级244.5 mm×8.94 mm套管，下入深度488.64 m。一开采取岩屑样236包，通过测井数据分析，井斜角1°～1.5°，最大井斜所在深度为243.00 m，最大井斜所在方位为316.8°，平均井径325.4 mm，井径扩大率4.8%～12.4%，施工过程满足设计及规范要求。

4.3 二开井段(489.42～1504.88 m)

二开采用直径215.9 mm三牙轮钻头和PDC取心钻头及其配套钻具钻进，同时进行各项录井工作及阶段性取心作业，钻进至1504.88 m完钻，并进行二开综合测井、超声成像测井及综合抽水试验。二开钻遇地层相对稳定，为二长花岗岩，完钻后井底取心，岩性仍为二长花岗岩。二开总进尺1015.46 m，采取岩屑236包，通过终孔测井资料分析，二开平均井径扩大率为10.9%，最大井斜(4.7°)位于1330 m处，方位为130.5°，最大水平位移为47 m，位于井底，井底东西位移为东偏42.5 m，井底南北位移为南偏-20.1 m，井底闭合方位为115.3°，井底温度29.17 ℃，全部施工过程满足设计及规范要求。

4.4 取心钻进

根据钻井设计要求，ZK01-2井取心时严格测量和选配取心工具，钻进中送钻平稳，不停泵、不停钻，根据钻压、泵压和扭矩变化准确判断岩性层位。除第四系地层外，全井定深取心，每钻进100 m至少取心一个回次，岩心长度不少于4 m，地层发生变化时应及时取心，同一地层至少取心3筒(地层顶部、中部、底部各取1筒)，一般地层完整岩心采取率平均不少于80%，风化或破碎基岩岩心采取率平均不少于50%，岩心直径不小于70 mm，取心率达不到要求时增加取心钻进回次直至满足取心长度要求。采用提钻取心钻进工艺进行取心作业，共取心19回次，取心进尺41.67 m，岩心长度35.73 m，平均岩心采取率85.75%[6]。图2为所取岩心，取心情况统计见表3。

表3 ZK01-2井取心情况统计表

图2 ZK01-2井岩心(井深1308.83～1312.60 m)

5 钻具组合及钻井参数

ZK01-2采用满眼式钻具组合和塔式钻具组合结构，可有效地缓解钻具应力集中，增加钻具回转的稳定性，防止井斜。

导管段钻具组合：直径444.5 mm三牙轮钻头+直径203.2 mm 钻铤+直径127 mm钻杆。

一开钻具组合：①直径311.2 mm三牙轮钻头+直径203 mm钻铤+直径178 mm钻铤+直径127 mm钻杆+方钻杆，②直径311.2 mm三牙轮钻头+7LZ203*7Y TH-6螺杆+直径203 mm钻铤+转换接头+直径177.8 mm钻铤+直径127 mm钻杆+方钻杆，一开取心钻具组合：直径215.9 mm PDC取心钻头+川8-3取心工具+直径178 mm钻铤+直径127 mm钻杆+方钻杆。

二开钻具组合：①直径215.9 mm三牙轮钻头+直径178 mm钻铤+直径159 mm钻铤+直径127 mm 钻杆+方钻杆，②直径215.9 mm三牙轮钻头+7LZ172*7Y TH-6螺杆+直径178 mm钻铤+411*4A10转换接头+直径159 mm钻铤+NC46/NC50+直径127 mm钻杆+方钻杆，③直径215.9mm三牙轮钻头+直径172mm射流冲击器+直径178mm钻铤+NC50/NC46+Φ159 mm钻铤+NC46/NC50+直径127 mm钻杆+方钻杆，④直径215.9 mm KS1652PDC钻头+储能提速器+直径178 mm钻铤+NC50/NC46+直径159 mm钻铤+NC46/NC50+直径127 mm钻杆+方钻杆；二开取心钻具组合：直径215.9 mm PDC取心钻头+川8-3取心工具+直径178 mm钻铤+直径159 mm钻铤+直径127 mm钻杆+方钻杆。

根据地层岩性特征，全井钻进过程中钻头选型及钻进参数见表4。

表4 全面钻进参数一览表

6 钻井液

根据本井地层岩性特点及保护取水段含水层不受损坏，采用低密度、低滤失的优质聚合物低固相钻井液体系钻进。

6.1 表套段钻井液

因该井段钻遇地层为第四系亚砂土和砂砾层，成岩性差，且易垮塌，故此段钻井液主要以携带岩屑、稳定井壁为主。采用预水化膨润土钻井液，开钻前按配方配制新浆45 m3，新浆要充分预水化，性能调整到设计要求方可开钻，必须保持钻井液较高的黏度。钻穿第四系后大排量冲孔，保持井底干净，确保表套顺利下入。

6.2 一开、二开段钻井液

一开、二开钻遇地层均是燕山早期二长花岗岩地层，采用将采用低密度、低滤失优质聚合物低固相钻井液体系钻进，钻井液的黏度维持在30～50 s、密度1.05～1.10 g/cm3，确保井壁相对完整，钻井液主要参数见表5。

表5 钻井液参数

7 主要施工技术

7.1 清水“顶漏钻进”

2020年10月2日15:00二开钻进至井深973.25 m(钻具组合是：215.9 mm三牙轮钻头0.25 m+172 mm螺杆7.39 m+178 mm钻铤44.74 m+411/4A10接头0.28+159 mm钻铤93.01 m+4A11/410接头0.32+127mm钻杆852.91 m)。层位是燕山早期，岩性是二长花岗岩。总池体积45 m3下降至30 m3，现场判断为渗漏(钻井液密度1.08 g/cm3，黏度27 s，滤失量9 mL，pH=8)，边钻进边加强坐岗观察。于19:00钻进至井深980.00 m，经当班坐岗人员测量共漏失钻井液35 m3，钻井液为返出井口，遂停止钻进起钻，21:30起钻钻至导管内，次日01:00静止观察无漏失并配置堵漏钻井液30 m3。2020年10月3日11:30调整钻具组合(215.9 mm三牙轮钻头0.25 m+430/410接头0.6 m+178 mm钻铤44.74 m+411/4A10接头0.28+159 mm钻铤74.52 m+4A11/410接头0.32+127 mm钻杆470.61 m)，再次配置堵漏钻井液15 m3，开钻后泥浆未返出地面堵漏失败，开始清水顶漏钻进[7]。

7.2 多种联合钻井工艺

666.1～685.1 m直井段应用储能冲击器一套(钻具组合是：215.9 mm KS1652PDC钻头0.35 m+储能提速器1.05 m+178 mm钻铤44.74 m+NC50/NC46接头0.28 m+159 mm钻铤74.52 m+NC46/NC50接头0.32 m+127 mm钻杆546.70 m)，进尺19.00 m，工具入井工作时间37.50 h，其中纯钻时间14.00 h，平均机械钻速1.36 m/h，同比提高36%，初期低钻压、低钻速参数下钻速1.50 m/h，突破了金刚石钻头花岗岩使用禁区，为同类地层钻井提速提供了一种可选技术手段。

821.67～905.17 m直井段应用172 mm液动冲击器一套[8](钻具组合：215.9 mm三牙轮钻头0.25 m+冲击器2.66 m+178 mm钻铤44.74 m+NC50/NC46接头0.28 m+159 mm钻铤93.01 m+NC46/NC50接头0.32 m+127 mm钻杆690.38 m)，进尺83.50 m，工具入井工作时间93.14 h，其中纯钻时间77.90 h，循环时间12.24 h，划眼时间3.00 h，平均机械钻速1.1 m/h，同比上部井段(758.68～819.67 m，平均机械钻速0.82 m/h)提高30.7%，单只钻头进尺同比增加36.9%，整个钻进过程地层未发生改变，井壁无坍塌掉块等复杂事故发生，起钻后井口测试冲击器正常工作。

8 钻井效率分析

通过施工统计，0～1504.88 m施工总时间为2889.26 h，纯钻时间为1654.59 h，占总作业时间的57.27%；测井时间为76.50 h，占总作业时间的2.65%；下管及固井107.83 h，占总作业时间的3.73%；抽水试验时间91.00 h，占总作业时间的3.15%；辅助时间(事故处理、设备修理、停工等)为959.34h，占总作业时间的33.20%[9]。

9 结论及建议

9.1 结论

(1)查明了1500 m以浅地层层序及岩性，钻探过程中未钻穿燕山早期花岗岩地层，未见中太古界崇礼群片麻岩，表明片中太古界崇礼群片麻岩储层埋深超出预测深度，该地热勘探孔地层岩性及层序为今后本地区的施工提供了基本的参考资料。

(2)针对不同地层配置、调整相应性能的钻井液，防止崩塌、缩径等情况的发生。

(3)钻遇易缩径地层时，及时短暂提钻，提至无缩径或轻微缩径的地层后再下钻扫孔，预防地层严重缩径造成起钻困难。

(4)钻遇地层裂隙较发育时，易遇水崩解掉块且地层可钻性极差，钻头磨损严重，进尺缓慢。通过调整钻井液性能，平衡地层压力，防止掉块，调整钻井液黏度、加大钻铤重量等方法提高钻进效率。

(5)一开二开钻进时，使用低密度、低固相钻井液，保证钻井液体系对钻井生产需求前提下，极大程度地降低对含水层污染，提高钻进效率。

(6)地层裂隙较发育段973.25 m出现严重漏失现象，清水钻进，岩屑不上返，应及时观察钻进情况，遇憋钻或憋泵等复杂情况，立即停止钻进。

9.2 建议

(1)导管段为第四系，以亚砂土和砂砾岩为主，钻井施工须注意防漏和防塌。

(2)施工地层为致密性二长花岗岩，研磨性强、可钻性差、施工工期较长，应根据钻遇地层实际情况，采用具有针对性的提速工具。

(3)二开裸眼井段长，其岩心是二长花岗岩，上部地层较为完整，重点是通过优化钻进参数提高机械钻速。在钻进过程中，要禁止大幅度调整泥浆性能，这样很容易引起井下复杂情况。下部地层破碎，且裂隙裂缝发育，重点做好防塌、防漏、防止卡钻等工作。

(4)破碎地层取心钻进过程中，容易出现取心筒堵塞，应对常规大口径取心筒内壁进行材质优化，提高取心效率。