山东地区地热井钻井工艺技术

  0 前言

 

  地热能是一种新型的替代性能源, 是“热、矿、水”三位一体的资源, 也是洁净的可再生的环保型能源, 可广泛应用于发电、供热供暖、医疗保健、温泉洗浴、种植养殖、旅游等。山东省是一个地热资源比较丰富的省份, 其地热资源总的特点是热储分布广、类型多、埋藏深度适中、热流体储量大、利用价值高,温度以中低温为主, 开发利用条件较好。地热热储类型全省可划分为鲁西地热区裂隙岩溶型热储(水温在43 ～ 70 ℃, 已有16口采热井)、鲁西北地热区孔隙型热储(水温40 ～ 98 ℃, 已有17口采热井)、鲁东地热区裂隙型热储(水温47 ～ 89 ℃, 已有14口采热井)。

 

  10多年来, 我院对裂隙岩溶型、孔隙型、裂隙型地热井进行钻井工艺技术研究, 形成了较完善的钻井工艺技术, 本文以山东地区3种类型的地热热储为模型, 在地热井钻井工艺技术方面进行论述, 以供借鉴。

 

  1 裂隙岩溶型地热井

 

  1. 1 地质条件

 

  裂隙岩溶型地热井热储层为奥陶系灰岩, 主要分布在鲁西地区(济南、聊城), 热储层埋深为350 ～1800m。主要地层为第四系、第三系、二叠系、石炭系、奥陶系, 由于受构造的影响, 第三系、二叠系、石炭系有缺失现象。

 

  该类型地热井地层多变、岩性复杂, 易坍塌、吸水膨胀、缩径、漏失, 成井难度大、井内事故率高。

 

  1. 2 钻井设备及钻具

 

  1. 2. 1 设备

 

  钻机:TSJ -2000E、TSJ - 1000型;钻塔:AS27 -70型;泥浆泵:TBW - 1200 /7B 型;空压机:VWW JD-9. 1 /15、SW - 5 /40 -A型;泥浆搅拌机:NJ600型。

 

  1. 2. 2 钻具

 

  钻铤:?121、146、178 mm;钻杆:?89 mm;双壁主动钻杆;双壁钻杆:SHB127 /75;钻头:?430 mm 组合牙轮钻头, ?311 mm 钢齿(镶齿)牙轮钻头, ?215mm /?152 mm 镶齿牙轮钻头, ?311 mm /?215 mm聚晶-金刚石复合片(PDC)钻头。

 

  1. 3 井身结构(见图1)

 

  1. 4 钻井工艺

 

  1. 4. 1 第四系(0 ～ 110m 段)

 

  采用?430 mm 组合牙轮钻头, 钻遇粘土层下?377 mm ×7 mm 表管, 长度110 m, 水泥固井;正循环泥浆钻进。

 

  1. 4. 2 第四系、第三系、二叠系(110 ～ 1000m段)钻孔口径311 mm, 钻遇二叠系底板砂岩下

 

  ?244.5 mm ×10 mm技术套管(泵管)并固井;第四系、第三系采用?311 mm 钢齿牙轮钻头, 二叠系(泥岩、泥质砂岩)采用?311mmPDC 钻头;钻具结构:

 

  ?311 mm 牙轮(PDC )钻头+?178 mm /?146 mm /?121mm钻铤+?89 mm 钻杆+主动钻杆;冲洗液

 

  采用膨润土(5%) +CMC (0.4%) +KHm (0.3%)+Na2CO3 (0.3%)泥浆, 正循环钻进。

 

  1. 4. 3 二叠系、石炭系、奥陶系(顶板)

 

  该段是此类型地热井施工难点, 地层复杂、易塌孔。钻孔口径215 mm;应用压力平衡、?215 mm镶齿牙轮钻头正循环泥浆钻进, 快速穿过, 采用177.8mm ×9.19mm 技术套管隔离。

 

  1. 4. 4 奥陶系地层

 

  该层为钻进的目的层, 岩性以石灰岩为主, 地层裂隙发育, 严重漏失, 该段应用气举反循环钻进工艺。钻孔口径152 mm。

 

  1. 4. 4. 1 钻具结构

 

  ?152mm镶齿牙轮钻头+?146 mm /?121 mm

 

  钻铤+?89 mm 钻杆+SHB127 /75双壁钻杆+主动(双壁)钻杆。

 

  1. 4. 4. 2 钻进规程

 

  压力40 ～ 60 kN ;转速37 ～ 84 r /m in。

 

  1. 4. 4. 3 气举反循环的主要参数

 

  沉没系数(浸水比)φ=0.78 ～ 0.99;风压P =1.2 ～ 3.5MPa;风量Q =3.5 ～ 4.0 m3 /m in;尾管长度Lw =(10 ～ 15)H(H 为空气混合室沉入深度)。

 

  1. 4. 4. 4 循环介质

 

  气举反循环采用清水作为循环介质。

 

  2 孔隙型地热井

 

  2. 1 地质条件

 

  孔隙型地热井热储以新近系明化镇组(Nm)、馆陶组(N g)、古近系东营组(Ed)、沙河街组(Es)为主。钻遇地层为第四系(Q)、新近系(N )、古近系(E)。该类型地热井地层简单, 孔壁不稳定, 易吸水膨胀、易缩径、含油气, 成井有一定难度。

 

  2. 2 钻井设备及钻具

 

  2. 2. 1 设备

 

  钻机、钻塔、泥浆泵、泥浆搅拌机同裂隙岩溶型地热井;钻井液振动筛:ZS1500 型;防井喷设备(用于含油气地区):2FZ35 ×35型。

 

  2. 2. 2 钻具

 

  钻铤、钻杆同裂隙岩溶型地热井;钻头:?430mm 组合牙轮钻头, ?311 mm /?245 mm /?215 mm钢齿牙轮钻头。

 

  2. 3 井身结构

 

  2. 4 钻井工艺

 

  2. 4. 1 钻进工艺

 

  2. 4. 1. 1 第四系(0 ～ 120 m段)

 

  采用?430 mm 组合牙轮钻头, 穿过砂层, 钻遇稳定粘土层下?377 mm ×8 mm 表管, 长度120 m,水泥固井;正循环泥浆钻进。含油气地区安装防井喷设备。

 

  2. 4. 1. 2 第四系(120 ～ 240 m段)

 

  应用?311mm钢齿牙轮钻头正循环泥浆钻进。

 

  2. 4. 1. 3 240m ～设计井深(1000 ～ 2000 m)该井段以第四系(Q)、新近系明化镇组(Nm)、馆陶组(Ng)、古近系东营组(Ed)、沙河街组为主。

 

  钻具结构:?245 mm 钢齿牙轮钻头+?178 mm

 

  (?146 mm)钻铤+?89 mm 钻杆+机上钻杆;钻进规程:钻压50 ～ 70 kN, 转速37 ～ 84 r /m in, 泵量1200 L /m in;冲洗液:800 m 以浅应用膨润土(5%)+CMC(0.4%) +N a2 CO3 (0.3%)泥浆, 800 m以深采用膨润土(5%) +Na2CO3 (0.3%) +CMC(0.4%) +KHm(0.4%)泥浆。

 

  2. 4. 2 成井工艺

 

  2. 4. 2. 1 测井

 

  达到设计井深进行方位角、顶角、电阻率、井温测井, 以确定热储层和井温。

 

  2. 4. 2. 2 井(滤水)管

 

  泵管?244.5 mm ×10 mm, 长度240 m;井管

 

  ?177.8mm ×9.19mm;全焊式V 型(喷塑)缠丝滤

 

  水管?177.8 mm ×9.19 mm, 长度80 m;沉淀管

 

  ?177.8mm ×9.19mm, 长度30 m。

 

  2. 4. 2. 3 下管方法

 

  采用浮力塞(板)法下管。

 

  2. 4. 2. 4 止水方法

 

  采用4道以上橡胶圈止水。

 

  2. 4. 2. 5 洗井方法

 

  采用活塞洗井。

 

  2. 4. 3 技术措施

 

  2. 4. 3. 1 护壁措施

 

  (1)化学处理泥浆护壁;

 

  (2)压力平衡护壁。

 

  2. 4. 3. 2 防缩径措施

 

  孔内钻具连续钻进时间≯50 h。

 

  2. 4. 3. 3 防止粘附卡钻措施

 

  (1)泥浆密度≯1.10 kg /L, 失水量≯15 mL /30m in, 漏斗粘度≯25 s, 泥皮厚度≯1 mm。

 

  (2)孔深超过800m, 钻具在孔内静止时间严禁

 

  超过3m in。

 

  3 裂隙型地热井

 

  3. 1 地质条件

 

  裂隙型地热井热储埋藏较浅, 覆盖层为第四系

 

  沉积层, 一般小于50 m。热储层埋深一般为50 ～380m, 岩性主要有花岗岩、闪长岩、辉绿岩、花岗片麻岩、云母片麻岩、砂岩、大理岩等。

 

  3. 2 钻井设备及钻具

 

  3. 2. 1 设备

 

  钻机:SPJ - 300型;泥浆泵:BW - 600 /30型;空压机:HRP750型。

 

  3. 2. 2 钻具

 

  钻头:?335 mm 硬质合金(钢粒)钻头, JWD200

 

  - 225 型钻头, JWD200 型潜孔锤;钻铤:?178 mm;钻杆:?127mm。

 

  3. 3 井身结构(见图3)

 

  图3 裂隙型地热井井身结构

 

  3. 4 钻井工艺

 

  3. 4. 1 第四系(0 ～ 50m)

 

  采用?335mm硬质合金(钢粒)钻头, 钻遇完整

 

  基岩(≮1.5m)下入?273 mm ×10 mm 井管, 水泥固井;正循环泥浆钻进。

 

  3. 4. 2 基岩地层(50 ～ 380 m)

 

  采用潜孔锤钻进, 水位以下采用潜孔锤泡沫剂钻进。

 

  钻具结构:?225 mm 潜孔钻头+?178 mm 钻铤+?127mm钻杆+主动钻杆。

 

  潜孔锤钻进工艺参数:钻压25 ～ 35 kN, 转速20～ 40 r /m in, 空气压力0.8 ～ 1.2MPa, 空气上返速度16m /s, 润滑注油量1 ～ 1.5 L /min。

 

  4 结语

 

  山东地区地热井以裂隙岩溶型、孔隙型、裂隙型为主。裂隙岩溶型地热井地层变化大、岩性复杂、缩径、坍塌、漏失, 应采用正循环泥浆钻进工艺和气举反循环钻进工艺、牙轮钻头和PDC 钻头钻进方法、化学处理泥浆和技术套管护壁技术等;孔隙型地热井地层简单、孔壁不稳定、易吸水膨胀、易缩径、含油气, 应采用正循环泥浆钻进、化学处理泥浆护壁、橡胶圈止水、全焊式V 型(喷塑)缠丝滤水管等工艺方法;裂隙型地热井热储层以花岗岩、闪长岩、辉绿岩、花岗片麻岩、云母片麻岩、砂岩、大理岩岩性为主, 岩石坚硬, 应采用潜孔锤钻进工艺。