地热钻井

长裸眼地热钻井及静压反循环投砾技术在某超深地热井的应用

  摘 要:开封市地热资源丰富,热储层埋藏深,地质条件复杂,钻探施工难度大。某1800m超深地热井,采用了长裸眼钻井及静压反循环投砾技术进行了钻探施工,取得了良好效果。对采用的工艺方法及效果进行了阐述,提出了建议和结论。
 
  关键词:开封地热地质结构;超深地热井;长裸眼强力钻进;静压反循环投砾技术.
 
  1概述.
 
  开封市地处河南省东部,受多个断裂构造的影响,市区范围内深部地热资源极为丰富。目前市区内开凿地热井已超过60余眼,开凿深度大多在1100~1200m,水温在45℃~55℃之间,水量40~50m3/h,主要用于洗浴及生活热水。由于近十几年来对这一区段的含水层过量集中开采,已导致部分地热井水位大幅度下降,水量大幅度变小。为合理利用宝贵的地热资源,目前市区范围内地热井规划深度必须在1500m以上。钻井深度的增加,提高了地热钻井施工难度,传统的成井工艺遇到了很大的挑战,必须采用更加可靠的成井技术进行地热井的施工,以确保地热井的工程质量。
 
  2 工程概况.
 
  已建的开封开元名都大酒店地处开封新区郑开大道近邻,为一座五星级豪华宾馆。为充分利用地热资源,计划开凿一眼超深地热井以满足宾馆的集中供热生活热水需求。地热井设计深度1800m,要求单井出水量不小于50t/h,水温不小于65℃。
 
  3 地质概况.
 
  开封市位于济源开封断陷带,区域内主要有郑州—兰考断裂、新乡—商丘断裂、长垣断裂等3大断裂带。本工程位于上述断裂围限的开封断凸内,距郑州—兰考断裂约7km。新近系地层是主要开采的储水层,上部被第四系覆盖,厚度约350m。本工程钻探目的层为新近系的明化镇组(Nm)地层,地热井钻遇地层从上至下为新近系的石英细砂岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩等地层以及第四系的粘性土与松散砂层等地层。
 
  钻遇地层特点是第四系地层松散易垮塌,护壁困难,新近系地层较硬且处于几大断裂带内,地质条件复杂,钻进困难,同时钻探需大跨度长距离裸眼钻进,易导致孔内事故发生。
 
  4 钻井结构设计.
 
  该井为开封市区第一眼超深地热井,根据该区地质特点,为提高施工效率,简化成井结构,采用2级钻孔结构进行钻进成井:一开0~250m采用?394mm牙轮钻头钻进下入?273mm石油套管,二开至终孔采用?245mm牙轮钻进下入?177.8mm石油套管及同径梯形丝滤水管。采用钻至设计深度后一次提吊下管法进行下管。
 
  5 钻探方法及工艺措施.
 
  根据设计要求及该地区地质特征,该井使用GZ-2000型钻机,配备BW2000/7B型往复式泥浆泵正循环回转钻进进行施工。由于设计采用一次下管工艺,钻探需长距离裸眼钻进,为保证成孔质量,采用喷射式钢齿牙轮钻头、宝塔式钻铤结构强力加压等钻进工艺提高施工效率,缩短钻孔时间,采用合理的钻探技术参数保证钻探质量及钻孔垂直度符合设计要求,采用合理的泥浆工艺维护钻孔孔壁安全。
 
  具体工艺措施主要包括:(1)开孔下入孔口保护管,下入深度30m,并固定牢靠;(2)开孔轻压慢转,确保开孔垂直;(3)钻进过程中,每 200m测斜一次,发现孔斜及时纠斜;(4)采用宝塔式结构配备钻具,正常钻进钻铤配重不少于100m,总重量不少于50t,以实现强压力钻进;(5)采用合理的钻探工艺参数:钻压6~25t,69西部探矿工程2014年第7期泵量2000L/min,合适的转速;(6)尽量采用强压力、高转速、吊打的方法钻进;(7)在缩卡地层钻进时,采用“两短一长”的起下钻措施,即正常钻进2次加杆短起后,进行一次长的短起钻,把2次短起钻孔段进行疏通;(8)经常监测泵压,及时更换牙轮钻头喷嘴;(9)采用合理的泥浆工艺确保长距离裸眼钻进的安全护壁及携渣需求:泥浆采用不分散低固相淡水泥浆,采用优质膨润土配置基浆,用NaCO3、水解聚丙烯酰胺(PHP)调整泥浆性能。泥浆性能保持在:密度 1.05~1.10g/cm3,粘度20~25s,失水量15~20mL/30min,含砂量小于5%,pH值9~10,钻进过程及时测试维护等。
 
  通过以上工艺措施,确保了钻探质量。该井钻进过程中没出现孔壁坍塌现象,孔内事故也仅仅出现了一次脱钻事故并很快得到了处理。钻进效率大大提高,该井从开钻至终孔钻深1840m,仅用了23d时间,纯钻效率平均达到了3.0m/h以上。终孔孔斜度2.1°,满足设计要求。
 
  6 成井技术及工艺措施.
 
  该井钻至终孔经冲孔换浆后进行了井内物探测井,得出测井曲线4条,包括视电阻率梯度、自然电位、自然伽马、井温及井斜等。经参数解译划分含水层,确定可利用含水层为1600m以下累计含水层130m,岩性主要为石英质细砂岩,排管后进行成井
 
  成井工艺是指探井、破壁换浆、安装井管、填砾、封闭以及洗井抽水试验、采集水样等工序的总称。而破壁换浆、安装井管、投填砾料、止水封闭是关键工序,直接影响成井质量。该井采用了以下重点工艺措施:
 
  (1)采用组合式高压射流破壁器进行破壁。破壁器自行设计加工而成,结构上上部为钢丝刷,下部为射流器,整体随钻具下入孔内,开动泥浆泵在利用含水层段反复提拉钻具,对泥皮进行彻底破坏,破壁结束后,清孔换浆直至达到下管要求。
 
  (2)安装井管采用提吊下管法。地热水含有多种化学物质,加之温度较高,因此对钻具、管材腐蚀特别严重。因此应选用强度高、热膨胀率小、耐酸、盐腐蚀的管材,或采用石油钻杆和套管。本工程采用石油套管作为井壁管。
 
  将排序后的井壁管丝扣连接依次下入井孔内,为确保连接质量,涂抹丝扣油进行密封。滤水管采用梯形丝滤水管,在滤水管连接段的上中下部位加设5组扶正器,使滤水管居中,确保投填滤料均匀分布。井壁管下至预定位置后进行固定,随后进行换浆及投填砾料的工序。
 
  (3)静压反循环投砾技术的应用。在以往的地热井施工中,投填砾料一直采用动水投砾法,由于砾料在上返水的冲击下,下沉过程中沉降速度慢,滤料容易分选,导致大的滤料在下部,小的滤料在上部,形成分层现象,影响滤水效果,导致井孔涌砂。考虑到该地热井投砾深度更深,投放难度更大,采用了静压反循环投砾技术。具体做法是:
 
  首先井壁管下至到位后,下入钻具至孔底,在孔口位置用密封板进行密封,开动泥浆泵进行管外全孔换浆,将泥浆换至粘度小于17s、含砂量小于2%时,上提钻具,解除孔口密封,进行井管内的冲孔换浆,井管内泥浆换至清水后,即可停泵投砾。
 
  将筛选清洗过的直径1~3mm混合优质石英砂砾料(依据滤水管缠丝间距、含水层岩性而选定)集中堆放于钻场近处备用,数量以预先计算量为准。
 
  静压反循环投砾工艺的关键是在投砾初期形成管内与管外的自循环。为达到此目的,在首次投砾时采用铲车一次投入孔内砾料2~3m3,使孔口形成一个松散的“滤料柱”。该“滤料柱”如同一个“活塞”一样迫使井管壁外泥浆下沉,这样就在井管内外形成一个压差。这个压差促使井管壁外泥浆通过下部滤水管进入井管内上涌,然后由井口回流到井壁外下泄,这样随着首次滤料柱的不断下沉,带动了管内外的泥浆不断流动,反循环条件形成,这时可连续地由3~4人围绕井口不停地投入砾料,随着砾料的不断投入,管内外的压差愈来愈大,反循环形成的流量也愈来愈大,流速愈来愈高,这样砾料在循环液的带动下迅速沉至滤水管的位置。由于砾料是随着循环液同步下沉的,因此避免了砾料的分层现象,同时砾料到位迅速,到位后比较密实,形成的滤层更加稳定,滤砂效果更好。该井投砾量约25m3,40min投砾结束。
 
  (4)止水封闭。投砾结束等待井内外反循环停止后立即进行止水。首先投入直径 2~3cm 干净砾石1.5~2.0m3,压实上部砾料,随后投入4m3半风干蘸机油粘土球(直径2~3cm)进行止水,停待40min进行碎石围填至井口。为防止不同含水层窜层污染,按照前述止水方法对不同含水层进行了4次粘土球隔水止水。
 
  7 效果.
 
  该井固井结束后,立即下入潜水泵进行了洗井
 
  开抽后6h即达到水清砂净,水位稳定,证明该井成井效果好,洗井容易。其后按常规进行了抽水试验、取样化验。最终确定该井水质为Cl-Na型医疗矿泉水,矿化分段压裂改造技术的扩展应用来说,意义非常重大;同时,对于克拉美丽气田的开发治理,提供了一种较好的完井及增产技术措施。滴403井在钻井项目管理运作上,运用了“钻完井集成项目一体化管理制度”,服务承包商主要承担的工作内容为施工方案论证与设计、各种资源组织与调动、现场生产管理与技术决策和完井技术总结与评估等系列内容;而在现场管理方面,采用了钻井技术总监负责制;在实际项目运作过程中,又结合了现场的各种具体情况,围绕“安全、优质、高效、低耗”灵活组织生产;实践证明,这种组织方式不仅保证了该井的成功,而且大大减轻了甲方的管理负担和风险。