天津地区基岩地热定向井施工工艺探讨

天津地区地热资源丰富,为有效地保护资源,实施地热产业的可持续发展,天津市人民政府 管理部门要求在开发利用过程中,开凿两口地热井,一口作为生产井,另一口为回灌井。受城市用地面积 的制约,多以定向“双井”成井。本文重点对定向井施工工艺进行分析研究,提出相应技术措施,以保证 优质成井。 关键词回灌开发,定向对井,成井工艺,技术对策,高效优质 1前言 能源的可持续开发利用是人类在新世纪里面临的最大问题之一。地热资源是一种新兴的 环保型能源,如何在利用的同时最大限度地保护地热资源,使其更好的持续利用是需要解决 的问题。 天津市地热资源丰富,钻井工程是地热开发的第一重要手段。在开发利用时,天津市政 府从科学合理开发利用地热资源的高度要求“回灌开发”的利用模式,可有效地保护地热资 源。

回灌开发地热资源是在同一施工地点开凿两口或两口以上地热井,一口作为开采井,另 一口作为回灌井,高温地热水经由换热器进行热交换,热能被合理利用而作为地热能的载 体—降温后的地热尾水,则被回灌人地下。为防止开采与回灌井地热流体短时间内相互干扰,要求井底距离应在800m左右。受城市用地面积的限制,多以定向“对井”的方式成 井。这就需要有定向井施工技术的支持。 天津地区地质条件复杂,给基岩定向地热“对井”的施工带来很大难度,对基岩定向井 施工工艺进行分析研究,保证施工的优质、高效和安全很有必要。作者就2004年组织设计 施工的天津市东丽区华明镇SR19D、SR20D地热定向井施工工艺进行分析研究。 2地层及岩性 该“对井”通过钻井、岩屑录井及测井解释,先后钻遇了第四系平原组,上第三系明化 镇组、馆陶组,古生界寒武系,上元古界青白口系景儿峪组、龙山组,中元古界蓟县系雾迷 山组(目的层)(见表1)。 表1地层及岩性 地层划分!深度/m}岩性 第四系平原组 第三系明化镇组 第三系馆陶组 寒武系 青白口系景儿峪组 青白口系龙山组 蓟县系雾迷山组 398 1120 1255 1610 1840 1910 2538(未穿) 猫土、砂层、砂质猫土 砂岩、泥岩 泥岩、砂岩 泥质灰岩、泥页岩、泥岩、灰岩 泥质灰岩、灰岩 泥岩、石英砂岩 白云岩 3定向井工艺 3.1定向工具的选择该“对井”定向井段为中31lmm井眼,选用73/4即纳维钻具、2.50 · 254·或2o弯接头、高压循环头、8’’无磁钻挺等定向工具,测量仪器定向井段采用有线随钻测斜 仪,增斜和稳斜井段采用自浮式电子测斜仪。 3.2定向井设计 (l)井身结构设计。根据钻井所在区域地质情况和地热钻井技术特点,设计为四开井, 井身结构及套管程序为:一开钻头直径为势444.5mm,套管直径势339.7mm,下深400m;二 开钻头直径为势3llmm,套管直径价244.smm,进人基岩Zm左右封闭松散软地层;三开钻 头直径为协215.gmm,套管直径价177.smm,进人取水目的层雾迷山组白云岩Zm左右下管; 所有套管必须符合美国石油协会指定的API标准。四开钻头直径为协152.4mm,裸眼成井。 井身结构见表2。 表2井身结构 井身结构 一开 二开 三开 四开 深度/m 402 1260 1916 2538 井径/mm 444.5 311 215.9 152.4 套管直径/mm 339.7 244.5 177.8 152.4 备注 水泥固至地表 穿鞋戴帽固井 穿鞋戴帽固井 裸眼完井 (2)井身剖面的设计。根据施工井地层特点和井身结构设计为四段制井身剖面,即直井 段、增斜井段、稳斜井段、自然降斜井段。 (3)造斜点的确定。造斜点的选择是定向井能否成功的关键因素之一。一方面定向施工 要求造斜点岩石的硬度应能起到对造斜钻具的支撑作用,另一方面又要把造斜点选择在尽可 能浅的地层中,以利于用尽量小的井斜达到理想的成井水平位移,如何选好造斜点就很关 键。SR19D、SRZOD的设计造斜点在500一soom范围内,当钻进到soom时从上返的岩屑 判断地层结构松散,如造斜容易给下一步施工带来难度,频繁的起下钻容易使井壁拉出“键 槽”,造成事故隐患,在该“对井”施工中继续往深部钻进,并密切关注地层情况,最终将 SR19D造斜点定在820m(SR20D造斜点定在765m)的第三系胶结较好的泥岩中,随后适 当加大井斜角施工,较好地预防了“键槽卡钻”,同时使终孔达到了理想的水平位移和闭合 方位。 (4)设计方位角、水平位移、造斜率和最大井斜角。根据钻井深度和地质构造情况,以 及地层情况设计SR19D井方位角为1350,水平位移为4oom,SRZoD井方位角为3150,水 平位移为400m,井眼曲率为12。/10Om以内,最大井斜角210。 3.3定向井施工工艺措施和注意事项 (1)直井段采用塔式钻具结构,严格按规定参数钻进,井斜角控制在1度以内。 (2)定向造斜井段选在第三系软地层,采用有线随钻定向速度较快,但造斜率一般应控 制在15。/IOom以内,采用2.50弯接头一般50~70m可达到8o井斜,完成定向工作。在定向 造斜时,还考虑了转盘增斜阶段使用的牙轮钻头钻进时方位多向顺时针方向漂移,即右手漂 移规律,因此该井在定向造斜过程中比设计方位提前6“一10。

目的是利用右手漂移规律在 钻达目的层时中靶精度更高。 (3)转盘钻增斜井段,每钻进30m要测斜一次,根据轨迹测量情况调节钻压和转速, 以控制增斜速度和方位,井眼轨迹要圆滑,钻至最大井斜角21“可以进行稳斜钻进。 (4)斜井段700一13oom为中3llmm大井眼,钻井过程中井岩屑较多,要求泥浆泵排量 要大,并根据井内情况和岩屑返出情况,每钻进100~200m进行一次短提下钻,以清理下 255井壁的“岩屑床”,起钻时要观察井口,防止出现“抽吸”,必要时接方钻杆循环。 (5)稳斜井段,按照设计要求采用三只扶正器稳斜钻具结构,就可满足第三系地层 巾3nmm井段稳斜要求,每钻进50m要测斜一次,根据轨迹测量情况调节钻压和转速,控 制增斜速度和方位,可以达到按所需轨迹施工的目的。而基岩地层价2巧.gmm井段稳斜时, 情况相对较复杂,由于地层岩石塑性小、刚性较大,因此钻井过程中受岩层倾角和走向影 响,非常容易出现降斜和跑方位情况,在设计和施工过程中采用四只扶正器的稳斜钻具结构 有利于方位稳定,并要根据测量井斜和方位情况及时调整钻具结构,如采用微增结构或增斜 结构进行稳斜,SR19D井遇到稳斜稳不住情况,利用增斜钻具稳斜较理想。 (6)若方位和井斜确实难以控制时,建议采取不下动力钻具扭方位和增斜的措施, 丸15.gmm井段成井时要下人价177.smm套管,易造成井内事故,甚至井内环空间隙较小, 若扭方位造成井眼“狗腿度”较大,则会导致套管下人度增大,造成地热钻井失败。成岩较 高、岩性较硬定向井轨迹受地层影响较大,在施工中可以根据“对井”施工的第一口井的情 况,分析地层的造斜规律指导第二口井施工,如第一口井降斜严重,第二口井则可能不降甚 至增斜(因“对井”方位相反或基本相反),方位也有一定规律,若第一口井位移过小,第 二口井可更改设计加大位移,最终使两口井实现理想的井底距离,满足地热“对井”实现采 水和回灌的需要。 (7)四开价152.4mm井段为工作的目的层中元古界蓟县系雾迷山组主要岩性是白云岩, 裂隙发育、漏失严重,采用自然降斜钻具结构。 4泥浆调配 泥浆调配是定向施工的又一难点,定向井对钻井液的要求很高,要求泥浆能够起到非常 好的润滑钻具、冷却钻头、维护井壁的作用,这样才能减小井下危险,保证施工安全顺利地 进行。

 (l)一开井段地层:第三系。 岩性:豁土、砂层、砂纸钻土、泥浆用拌土浆。 

(2)二开井段钻遇地层:第三系。 岩性:砂岩、泥岩、砂泥岩。 井眼尺寸:价3nmm;钻井液类型:聚合物防塌钻井液。 本井段难点:井壁稳定、大井眼携砂、润滑防卡。 ¹钻井液性能密度1.05一1.089/cm“、豁度35一385、API失水成smL、塑性乳度 7~10mPa·s、动切力3~6Pa、105切力0.5一1.oPa、10min切力1.0~3.OPa、pH值 8.5~9。 º二开钻水泥塞时,加人适量的纯碱,避免水泥对钻井液的污染。定向钻进前,加人 极压润滑剂、润滑防塌剂、胺盐等钻井液材料,保证钻井液性能稳定。 »上部地层机械钻速较快,及时排放沉砂,钻进过程中保证固控设备运转正常,降低 劣质固相对钻井液的污染。由于第三系明化镇组地层本身具有造浆性能,因此增加大分子抑 制剂的含量,保持钻井液具有低戮高切的特性,从而保证井眼清洁。 ¼根据机械钻速、进尺和钻井液性能的变化及时补充各种钻井液处理剂,保证钻井液 具有较好的流变参数和稳定性。 ½根据钻进时的实际情况及时采取短起下钻及其他工程措施。起下钻过程中控制速度, · 256·避免引起井下复杂。 ¾完钻前50m调整好钻井液各项性能,保证电测和下套管施工的顺利进行。

 (3)三开井段钻遇地层:古生界寒武系地层。岩性:泥质灰岩、泥叶岩、泥岩、灰 岩。井眼尺寸:价215.gmm。钻井液类型:抑制性防塌钻井液。本井段难点:泥岩防缩径、 井眼净化、润滑防卡、防漏。 ¹钻井液性能:密度1.10一1.159/e时、豁度35一485、”I失水镇12n1L、塑性勃度卜 15mPa·S、动切力5一SPa、105切力1.0~2.oPa、10而n切力2.0一4.oPa、pH值8.5~9。 º钻水泥塞时,加入适量的纯碱,避免水泥对钻井液的污染。钻进过程中,补充极压 润滑剂、防塌护壁剂、高温降滤失剂等钻井液材料,保证钻并液性能稳定。

本井段泥岩地层易缩径,造成井壁不稳定,加强钻井液的抗温性和性能稳定性,必 要时可提高钻井液密度平衡地层压力。失水应小于smL,茹度45~505,加入防塌护壁剂和 高温降滤失剂。并根据情况进行短起下钻,及时修复井眼,同时加强钻井液的造壁性能,减 少地层的吸水量和时间。 ¼根据钻进时的实际情况及时采取短起下钻及其他工程措施,保证施工安全顺利。起 下钻过程中控制速度,避免引起井下复杂。 

(4)四开井段清水钻进。 5根据地层情况采取的堵漏措施 SR19D、SR20D两井相距很近,但在施工中发现两井钻遇地层相差较大。尤以古生界 寒武系地层最为突出,SR19D井寒武系地层厚度为164m,其中府君山组地层缺失,井底没 有出现异常。SR20D井的寒武系地层厚度355m,其中府君山组地层厚78m。当钻进至 1526m时进尺开始加快为3m/min,当钻进至1534m时出现大漏,基本不返浆,上返的少量 岩屑中含有大量的风化的灰岩,滴酸起泡剧烈,作者果断采取了措施,甩掉三个扶正器,保 证了下面钻进没有发生重大井下事故,继续钻进,1558m再次出现大漏不返浆,提钻,实 施静止堵漏。3天的堵漏过程中,多次出现井下危险,但由于采取措施及时、妥当保证了生 产的安全进行,为后期的工作奠定了坚实的基础。经过对1526一156om上返岩屑的对比研 究,确定为下古生界寒武系府君山组地层,裂隙发育,为以后对该地层的研究提供了可靠的 现实依据。 

6结论 天津市地热资源十分丰富,作为可再生能源,它的勘探开发利用对天津市经济可持续发 展、人民生活的提高和环境改善具有十分重要的意义。定向井技术在地热井勘探开发中的应 用举足轻重,而天津地质地层情况十分复杂,因此相对一般意义上石油定向井技术工艺有较 大的区别。作者对SR19D、SRZoD定向井施工工艺的分析研究,对天津地质基岩定向井施 工乃至于华北地区基岩地热定向井施工具有指导意义。