地热井气举反循环钻进与成井技术探讨

1 地层情况 某地区地热埋藏较深,热储一般在400～1 000m,水温一般在35℃～60℃。覆盖层上部 为第四纪和第三纪、二叠纪、石炭纪地层,共同构成较好的热储覆盖层。热储层就位于下 伏的奥陶纪石灰岩中。第四系多为黄色河冲积层,以粉砂、粉细砂、粘质砂土、砂质粘土 及粘土为主;第三系主要为细砂岩、粘土岩;二叠系、石炭系多为泥岩、砂岩、页岩夹薄 层灰岩,该地层软硬互层,且多为水敏性地层,地层倾角较大,给钻进带来不利影响。以 往采用常规钻进,容易发生孔内事故,尤其是采用钢粒钻进,问题更加严重,不仅易发生 孔斜,而且由于钻进效率低,裸孔时间长,还易发生掉块甚至坍孔。近几年,采用气举反 循环钻进,并加强了护壁,采取了防斜措施,较好地解决了这一难题。 2 成井结构 根据区域地层特点,宜采用多级成井结构,多采用四级成井,如图1所示。 开孔,在较好的粘土层安放好孔口管后,第四系和第三系一般采用5450三牙轮钻头或 刮刀钻头进行常规全面钻进。钻穿第三系后,下入5325+5273井管并进行止水、固井;二 叠系、石炭系可采用5244.5三牙轮钻头,进行气举反循环钻进,一直到奥陶系灰岩后下入 5219井管,并进行止水、固井;奥陶系灰岩采用5190或5152三牙轮钻头,进行气举反循 环钻进至终孔,一般为裸孔。 3 设备、钻具选择 根据该地区地热埋深和钻井结构可选择钻进能力在600～2 000m之间的水井钻机,如: TSJ660/6、TSJ—1000、TSJ—2000等。其它主要配套设备、钻具可根据实际需要选择,一 般需配:泥浆泵BW600/301台;空压机1台,风压≥0.7MPa,风量5～6m3/min;双壁钻 具1套, 150m左右;单壁钻杆、系列钻铤及三牙轮钻头若干。 4 钻进工艺 4.1 第四系和第三系钻进工艺 4.1.1 开孔与孔口管的安放 开孔时采用5450多级翼片式刮刀钻头,

4.1.2 钻进 由于浅孔段应用气举反循环 效果不佳,加之亚粘土层和第三系粘土岩容 易发生阻塞,故一般不采用气举反循环钻进, 而采用正循环钻进。根据地层情况,选用5346 铣齿三牙轮钻头或5350刮刀钻头进行钻进。 遇第三系粘土岩或砾岩,糊钻严重或钻进困 难时,可换用5325筒式钻具(钻头外径 350mm)进行取心钻进。钻进过程中,应采用 钻铤加压,实现孔底加压,孔口提吊钻压平衡 钻进。钻进技术参数根据不同地层和钻头类 型而定,一般为:钻压12～20kN,转速70～ 140r/min,冲洗液量≥500L/min。 4.1.3 冲洗液 该地区第四系多以粘质砂 土、砂质粘土为主较稳定,而且粘土层和第三 系粘土岩都有较强的造浆作用,故一般采用 粗分散泥浆,如盐水泥浆。但在上部粉砂、粉 细砂较多的区域,应选用HPAM泥浆,起到 既保护孔壁,又能选择性絮凝的作用。其性能 要求:漏斗粘度22～25s,塑性粘度11mPa· s,密度1.05g/cm3,失水量<15ml/30min,泥 皮厚度<1mm,含砂率<4%, pH值为9。 4.2 二叠系、石炭系钻进 4.2.1 钻进方法及冲洗液 采用气举反循环钻进。该孔段地层软硬不均,可钻性3～6级, 选用钻头要适应不同地层特点,以减少提下钻次数,宜选用5244.5镶齿超顶复锥密封轴承 式三牙轮钻头。为防止该地层吸水膨胀、坍塌,冲洗液宜采用低固相或无固相泥浆,可采 用PHP—KHm泥浆。其性能:漏斗粘度17～19s,塑性粘度9mPa·s,视粘度11mPa·s, 动切力3Pa,密度1.01g/cm3,失水量<10ml/30min,泥皮厚度<0.6mm,含砂率<1%, pH 值为8。 若对区域地层较清楚,在该段地层较薄(一般不超过80m)的情况下,亦可在做好充分 准备的基础上采用清水钻进,集中力量快速穿过,马上下管的方法进行。根据地层含水量 小,漏失少的特点,采取孔口回灌冲洗液保持循环。如LC1井和XR—1井就是采用此方法 完成,而GK—1井则采用PHP—KHm泥浆完成。

钻进参数选择 ¹钻压:根据不同地层情况,钻压一般控制在60～90kN为宜。受设备提升能力限制, 可能所配钻铤不能满足钻压要求,但此时采用的钻压也不能超过钻铤总重量的2/3,以防孔 斜。 º转速:采用中速,即60～100r/min钻进即可,不能盲目使用高速,以防产生剧烈振 2006年 动,发生孔内事故。 »风压:根据孔深、静水位和“钻屑能力”及空压机额定压力等确定。该地区一般应 用范围在0.5～1.0MPa即可。 ¼风量: 4～6m3/min。 ½沉没比:采用0.84～0.92。 4.3 奥陶系钻进 钻进方法与二叠系、石炭系基本相同,即继续采用气举反循环钻进。只是冲洗液一般 采用清水钻进。根据该地区地下水位浅,一般自流的特点,孔内出水量满足循环要求时,不 再回灌。多采用5190或5152镶齿密封轴承式三牙轮钻头钻进至终孔。 主要钻进参数:¹钻压: 50～70kN;º转速: 60～100r/min;»风压: 0.6～1.1MPa; ¼风量: 4～6m3/min;½沉没比:采用0.85～0.93。 5 主要技术措施 5.1 防斜保直 在易斜地层进行深井钻进,防斜措施非常重要。除基础牢固、安装周正、水平、“三点 一线”外,还必须采取以下措施。 (1)保证开孔垂直,开孔操作要轻压、慢转,严格控制进尺速度,保证开孔“绝对”垂 直。 (2)优化钻具组合,无论是第四系还是基岩钻进,其钻具组合要形成钻铤“塔式”结 构加压和扶正器导正,实现孔底(钻铤)加压,孔口提吊平衡钻进,控制钻压,使中和点 在钻铤上部2/3处,有效防止孔斜的发生。 (3)及时测斜,除按规范要求进行测斜外,必要时还要增加测斜次数,以监控孔斜情 况,及时采取措施,确保钻孔垂直。

优化选择钻进参数 根据孔深、地层、水位和所采用的设备情况等优化选择钻进参数。气举反循环钻进决 定效率的可分两类参数,一类是“钻屑参数”,主要有钻压、转速;另一类是“排屑参数”, 主要有风压、风量、沉没比等。在特定的设备、钻具条件下,对某一地层的钻屑参数是容 易确定的,而排屑参数则需要根据实际情况选择。为取得最佳的技术经济效果,选择的参 数应使排屑能力适当高于钻屑能力。通过应用微机选择参数发现。 气举反循环具有较强的排屑能力。对于一般排屑参数来说,在孔不太深(300m以浅) 的情况下,对应的排屑能力一般在十几米到几十米之间,这是目前基岩大口径钻进钻屑能 力所难以达到的。在此情况下,重点是提高钻屑能力,而不必采取大沉没比、高风压,否 则就会造成浪费。 气举反循环排屑能力不是不变的。除决定于上述排屑参数外,还与双壁钻具、水位等 有关。对同一组排屑参数来讲,随着孔深的增加,排屑能力就要下降,因此必须调整排屑 参数使之满足钻屑能力的要求。主要是选择好沉没比和使用的风压范围,以充分利用设备、 钻具能力,达到最佳经济技术效果。 在施工中,我们在应用微机选择参数的基础上,根据实际进行优化选择,针对该地区 地层、水位的特点以及设备能力的相对不足,主要采取了以下措施。

¹在硬岩钻进中尽量增加钻铤加压,提高钻屑能力。根据设备提升能力不足的情况,我 们采取最大限度地增加钻铤,增大钻压,提高钻屑能力,取得了良好的效果。 º尽量采取大沉没比,并控制“倒杆”距离。在空压机额定工作压力较低时,在同样 压力范围内,尽量采取大沉没比,以提高排屑能力,减少动力消耗,最大限度地发挥现有 设备能力进行深孔钻进。到目前为止,采用0.7MPa空压机钻进至905m。 »开钻前、下钻后要保证足够长的水流上返时间,以防堵钻事故的发生。特别是进行 深孔钻进,开钻前要等上返水流稳定正常后,方可开始正常钻进;停钻后,要待岩屑排尽 后,方可停止送风。 5.3 止水固井措施 主要采用下入井管并在井管外全孔段压注水泥浆进行止水固井。钻穿第四系、第三系, 下入5273井管后,一般可采用两种方法止水固井。一种是密闭管口压入水泥浆法,另一种 是逆止阀压入水泥浆法。选用密闭管口压浆法的前提是孔内不漏水,且井管要焊接牢固、严 密。钻穿二叠系、石炭系,下入5219管时,一般采用“飞管”的形式,但必须保证该井管 与上部井管有足够的重叠长度(一般大于20m即可),以保证止水固井质量。止水固井方法 采用逆止阀压入水泥浆法。 6 结 论 ¹应用气举反循环钻进可大幅度提高钻进效率,在该地区深孔大口径砂岩、页岩、灰 岩地层钻进中,平均时效达到1.2m,最高时效达到6m,平均台效达到421m/台月,比常规 钢粒钻进提高1.5倍以上。 º能有效地防止孔斜,通过优化钻具组合,采用钻铤“塔式”结构加压,实现钻压平 衡钻进,可有效地防止孔斜。实践证明即使在易斜地层钻进,也未发生孔斜现象,钻孔顶 角弯曲度始终在设计和规范要求的范围内。甚至在已发生严重孔斜的钻孔中(原采用钢粒 钻进),采用该工艺,有效地控制了孔斜,使顶角弯曲度逐渐减小,避免了钻孔报废。