长沙黄花国际机场扩建项目地热井钻井技术分析

长沙黄花国际机场T3航站楼规划配套的中深层地热能源站,采用“取热不取水”技术为T3航站楼配套能源中心提供“地热+复合供能”服务。通过已实施完成的地热探采结合井,进行地热钻井技术分析,为后期的地热井钻井提供经验指导,保障钻井工程顺利实施。通过区域地质特征、地热地质条件分析以及钻井工艺、钻井液工艺、钻探辅助工艺设计总结,为后期规划的地热井群建设提供技术参数指导。

1 地质特征

1.1 区域地质特征

1)地层。研究区发育中生代至新生代沉积序列。 晚白垩世期间,区域构造活动以持续沉降为特征,形成陆相断陷盆地内的残余丘陵地貌,堆积了以粉砂质泥岩、钙质砂岩为主的红色碎屑岩系(最大累积厚度达 620m),构成后期冲积阶地的基底岩层。至古近纪—新近纪期间,地壳历经多期次间歇性隆升,差异升降活动显著增强,构造形迹以高角度正断层系为主导。在此背景下,湘江流域发育五级阶梯状地貌,而浏阳河沿岸则保留两级阶地,均属流水侵蚀与构造抬升耦合作用的产物。2)构造。本探采结合井位于湘东北断隆带南部。本带最显著的特征是强烈隆起,主要出露冷家溪群浅变质碎屑岩。南部长沙地区出露上古生界,其底部跳马涧组与冷家溪群或板溪群角度不整合接触, 该区褶皱和断裂相对较少。3)水文地质。长沙黄花国际机场坐落于长沙市主城区以东约24km处,隶属于黄花镇,地貌单元属浏阳河与捞刀河两大水系的分水岭区域。从水文地质条件来看,该区地表径流发育程度较低,第四系松散层持水性差,民间素有“干鱼脑壳” 之称谓。场址周边基岩出露为白垩纪陆相沉积形成的厚层红色泥质砂岩与钙质粉砂岩互层,地层产状近水平(倾角<5°),构造形迹以稀疏节理为主,区域性断裂带不发育。

1.2 钻遇地层分布

钻遇地层分布情况如表1所示。

1.3 地热地质条件

1)盖层。拟建能源中心位于北东向断裂与北西向断裂交汇位置。与F10断层最近平面距离约230m,与 F12断层最近平面距离约750m,据物探成果未见明显高阻异常,推测在3000m勘查深度范围内不存在隐伏岩浆岩岩体。但北东向断裂切割深度较大,存在多期活动,沉积盆地北缘出露有燕山晚期花岗岩,因此沿北东向断层深部不排除存在花岗岩的可能性。

2)储热层。工作区位于黄花向斜东南翼,向斜沉积了巨厚层红色碎屑岩。其基底为冷家溪群板岩,整体呈北端埋深浅、南端埋深大特征。工作区北部靠近沉积盆地中心,红层厚度1 700~2300m。据物探成果推测,岩层倾角7.6°,倾向北西。研究层位属下白垩统神皇山组下部层位,岩性主体为块状至厚层状灰质砾岩层,属冲积扇-辫状河沉积体系产物,具钙质-泥质混合胶结特征。砾岩碎屑组分以板岩岩屑为主导(占比60%~70%),次为灰岩砾石(占比20%~25%)。区域沉积基底为中元古代冷家溪群板岩,在早白垩世裂陷盆地形成前,长期暴露于表生风化作用,形成古风化壳,厚度具显著空间异质性,与古地形起伏呈正相关, 反映了前白垩纪古地貌对沉积基底改造的控制效应。

2 地热井钻探施工

2.1 钻井工艺设计

采用ZJ40型钻机,其设备负荷能力及配置满足 4000m井深(根据实钻地热参数确定完钻井深)钻井的需求。井架总高度为42 m,满足机场限高的要求。

井身结构设计数据如表2所示。

2.2 钻井液工艺

钻进过程中,采用高黏纤维素、增黏剂、聚丙烯酰胺、腐殖酸钾配制胶液,及时补充烧碱确保pH值为 8~9,保持钻井液具有良好的流变性、较强的抑制能力和护壁防塌能力;在取心钻进过程中,控制好钻井液处理剂的添加速度及配比,确保钻井液的稳定性和润滑性能,避免钻井液因性能有较大波动而影响取心钻进。根据实际钻遇地层调节钻井液的黏度,确保钻井液的携砂能力满足要求。

2.3 钻探辅助工艺

1)定向钻进。在施工过程中,750m之前采用单点井底测斜,750m以后采用定向钻进实时控斜。前期阶段由于追求进尺进度,井深750m处单点测斜的井斜达到17°,后期采用随钻测斜纠斜。定向钻进技术在钻井施工中工艺已经成熟,能够较好地控井斜、节约成本、保障工期,避免后期因井斜过大或纠斜产生狗腿度而引发钻井事故。

侧斜钻进。在2 383.77 m段出现钻具掉落打捞失败的情况下进行了侧斜钻进。在固井段1900~2048m 处完成侧钻工程,根据返出岩屑判断钻孔下段开始进入新眼轨迹。侧斜钻进施工工艺是保证完井的重要技术手段。

3)录井工程。施工全过程进行综合录井,包括工程参数录井、气测录井、岩屑录井等,这对钻进施工具有指导和辅助作用,做出了多次工程参数示警,避免了事故的发生。2 382.00~2 383.77 m段(旧钻眼已固封)泵压从10 MPa快速下降至7 MPa,悬重由 774.8 kN降至745.0 kN,示警后起钻发现钻具断裂脱落,2 445.00~2 446.28 m段泵压由12 MPa突降至 10MPa,钻压下降,示警后起钻发现钻具刺漏。工程参数中泥钻井液的井口出口温度对预测井底实际地热温度有重要参考价值。气测录井未发现异常。岩屑录井对地层划分及钻具组合选用有重大意义。

3 井温成果汇总

根据井口钻井液温度的监测参数(实时数据每米记录1次)及完井后的测井井温数据,长沙黄花国际机场探采结合井的井底地热温度监测成果较好。测定井温的传感器分别安装在出井口的泥浆罐和入井口的泥浆罐,前期根据实测值进行传感器标定,同时在各个阶段应用温度计实测值对传感器进行校正,不同电导参数对应不同温度值。根据随钻井温监测,以钻井液出口温度数据得到如图1所示的井口井温监测图。从图1可发现本井井温随深度加大呈不断上升趋势, 不过由于钻井液在循环过程中受各方面因素影响,随钻井温监测数据仅存在参考意义。

对比测井各深度点井温，1000m之前井口井温与测井井温相差不大，1000m之后钻井液循环至井口的温度损失在10℃以上。随着深度的增大，测井井温与井口井温的温差增大，对比图如图2所示。

4 总结与展望

4.1 施工经验总结

中深层地热开发中,井深2500~3000m段如果地热资源较好,高温对钻井液材料性能会造成一定的影响。本井施工过程中出现了正常钻进钻井液携砂能力较弱,而划眼过程中钻井液携砂能力较强的问题。 钻井液材料的组分配比一定要考虑到高温的影响。钻井液材料的高温失效不仅导致携砂能力弱,还会造成护壁能力减弱,一旦出现遇水膨胀的岩层,护壁能力减弱导致岩层浸水膨胀、井径缩小。井径缩小会给施工带来各种问题,例如起下钻卡钻、井眼塌孔、划眼造成大肚子,更有可能产生新的井眼轨迹。

二开井身结构在中深层及深层地热井中有较多不足之处。如果二开钻进施工中发生事故,则停钻裸眼状态下的风险较高,容易发生孔内事故。

钻进施工全过程应控制井斜,避免出现带狗腿度的轨迹井眼。狗腿度对后期施工影响很大。在本井施工中,750~800m段带狗腿度的井段在下钻过程中出现多次卡钻,钻进过程中该井段多次划眼,在后期下套管之前进行了多趟通井作业。

应加强劳动纪律,定岗定责。一旦出现异常情况及时报告,工程参数出现异常要第一时间报告给司钻及井队长,避免事故的发生及恶化。

要及时结合钻遇地层岩屑分析及钻时参数调整钻具组合及工程参数。对各类事故要有专项处置预案。 在2048m处发生1次埋钻憋泵事故,及时采用了钻具组合上端加震击器的措施,在应用震击器的30min内, 钻井液循环系统恢复,最终提钻成功。

4.2 地热成果展望

根据测井结果,井底2 510 m处地温达到81℃, 该井区域具备较好的地热资源潜力,地热应用前景良好。根据岩性热物性试验结果,井下热储层岩石物性导热性良好。根据实测数据进行不同工况下换热的数值模拟,单井供热产能良好。后期进行同心管换热测试工作,期望取得理想的试验成果,为全面推进湖南省中深层地热勘查开发和综合利用,以及后续生产井施工奠定良好的工作基础和技术支撑。

5 结束语

通过对长沙黄花国际机场扩建项目地热探采结合井的施工实践与数据分析,系统总结了该区域中深层地热钻井的关键技术。研究表明,针对白垩系红层及板溪群地层特征,优化井身结构与钻井液高温性能是保障深部钻探顺利实施的核心;随钻测斜与综合录井技术在复杂工况下的精准应用,有效规避了井斜失控与工程事故风险。实测结果显示,完井深度2510m处地温达81℃,证实了该区域具备优良的地热资源潜力和开发价值。本项目形成的成套钻井工艺与温控监测数据,不仅验证了“取热不取水”技术路线的可行性, 也为中南地区同类中深层地热资源的规模化勘查与高效利用提供了重要的理论依据与技术支撑。