近10 多年來, 由于勘探和開發地熱的需要, 地熱井鉆鑿技術水平有較大提高。以前, 因為沒有大型的鉆鑿設備, 機具又很簡陋, 只能沿用打淺(冷)水井的工藝技術。所以成井深度淺, 出水量和水溫較低, 而且也無法進行深部地熱的勘探開發。地熱井的鉆鑿急需引進先進的工藝技術和機具, 以達到其口徑大、井深、出水量大和出水溫度高的要求。石油鉆井技術的引進, 為我們解決了這些難題。現在, 我們可以鉆井深近4000 m 、開孔口徑445 mm 、終孔口徑152 ～ 216 mm 、出水量達200 m3/h 、出水溫度超過95 ℃的地熱井, 使得我市近些年來出現了開發地熱的熱潮。為了避免水位逐年下降, 儲量減少, 保護地熱資源, 建立了開采-回灌的開發模式。推廣地熱對井技術(一采一灌), 即兩井井口相距較近(4 ～ 5m), 便于管理, 而井底相距較遠(800 ～ 1000 m), 以避免兩井相互干擾。因此, 定向斜井鉆鑿技術也被引用進來。

 

  由于開采不同的熱儲層, 地熱井可以有2 種基本類型:一是第三系(明化鎮組和館陶組熱儲層)地熱井;另一是基巖(奧陶系、寒武系、青夕口系龍山組和薊縣系霧迷山組熱儲層)地熱井。前者的開采層較為松散或半膠結, 需下過濾器成井;后者為基巖裂隙型, 采用先期裸眼完井技術。兩者的成井工藝有所不同。

 

  為了適應當前開發地熱的要求, 筆者認為還應在以下幾個方面進一步發展和提高地熱井的鉆鑿技術。首先應設計新型的鉆機、設備, 特別是適用于城市環境的鉆鑿設備, 占用場地較小, 便于運輸, 馬力較高, 而且具有較低的環境和噪聲污染。其次, 應有較為先進的機具, 達到高效、低耗、安全。有了新設備和先進的機具, 還要有一套可靠的工藝技術, 重點是:保護產層技術和成井工藝;能確保較高的鉆鑿成功率、高的出水量和出水溫度;避免或者是盡可能地降低鉆鑿施工的風險性。

 

  1  地熱井井身結構

 

  確定井身結構所考慮的主要因素是:欲開采熱儲層的層位特點和所鉆遇的地層情況(據已有地質資料進行預測), 即地質條件。

 

  由于第三系地層和開采熱儲層具有松散或半膠結的特點, 須下帶過濾器的井管來保護井壁, 使地熱水暢通地進入井內, 又要將非開采層有效地封隔。這類地熱井與第四系或第三系砂層成淺(冷)水井的井身結構相近, 但在成井工藝上有所不同。

 

  若在奧陶系熱儲層成井則為三開井, 如在薊縣系霧迷山組熱儲層成井為四開井。其成井工藝均為先期裸眼完井。

 

  以上2 種井身結構, 均采用了石油鉆井的鉆頭口徑和套管口徑系列。即:三牙輪鉆頭為 444.5 、311.1 、215.9 和152.4 mm 口徑系列;套管為339.7 、244.5 和177.8 mm 系列。

 

  2  地熱井鉆進

 

  2 .1  熱儲層種類和特點

 

  天津地區地熱田為上下疊置的2 套熱儲系統,即:上部為第三系陸相松散或半膠結碎屑巖地層;下部為古生界、元古界較堅硬的碳酸鹽巖地層。上部的熱儲層位于上第三系明化鎮組和館陶組地層。明化鎮上段為砂巖、含泥砂巖和泥巖不等厚互層, 具富水性;下段以泥巖為主, 也夾有細砂巖。館陶組由砂礫巖、砂巖和泥巖組成, 一般呈半膠結狀, 富水性好。

 

  此熱儲系統以館陶組為主要開采層位。下部的熱儲系統包括下古生界奧陶系中統和下統, 以灰巖、白云質灰巖、白云巖為主要富水層段。該層段中溶洞裂隙極為發育, 鉆井時易漏失。寒武系中的部分灰巖層段也有富含水層。青白口系龍山組的砂巖層段也是含水層。目前作為我們主要的開采層:中元古界薊縣系霧迷山組熱儲層, 以白云巖為主, 裂隙發育,易發生井漏, 巖石較硬且脆。

 

  2 .2  鉆頭的選用

 

  三牙輪鉆頭鉆大口徑地熱井具有很多優越性,因此是我們的首選。用三牙輪鉆頭鉆進, 配以鉆鋌加壓, 鉆進平穩, 鉆具的阻力矩小, 井眼圓滑規則, 鉆頭口徑形成系列, 種類較多可適用不同地層鉆進。

 

  選用鉆頭時, 應先了解所鉆地層的性質, 收集有關鉆頭使用的經驗, 并結合具體情況, 綜合考慮。使所選擇的鉆頭機械鉆速快, 下井時間較長, 外徑不易磨損。總之, 既要效率高, 又要使所鉆出的井眼圓滑、規則, 經濟又合理。

 

  2 .3  鉆具組合

 

  鉆具組合合理與否會直接影響鉆進效率和井眼質量。因此, 鉆具組合是鉆進工藝規程中的“硬件” ,具有舉足輕重的作用。目前, 我們優選復合式鉆具組合, 使用不同直徑的鉆鋌, 實現用鉆鋌加壓, 使全套井下鉆具鉆進穩定, 以提高鉆進效率和確保井眼的正確軌跡。現在所選用的鉆具組合中, 常用的鉆鋌口徑有: 228.6 、203.2 、177.8 、159.0 和120.65mm 。根據所用鉆頭的類型(銑齒或是鑲齒)和口徑大小, 配以2 ～ 3 種直徑的鉆鋌及相應的長度, 組成合理的鉆具組合, 就會獲得明顯的鉆進效果。

 

  2 .4  鉆進規程參數

 

  鉆進規程參數是鉆進工藝規程中的“軟件” 。牙輪鉆進時不僅要根據地層情況施以足夠的鉆壓達到有效地破碎巖石, 同時還要考慮鉆壓的大小和轉速的快慢對鉆頭的牙輪軸承和牙齒的影響, 使鉆頭在井下有最長的工作壽命。所選用的鉆壓以每厘米鉆頭直徑5.25 ～ 10.42 kN , 轉速35 ～ 65 r/min 較合適。

 

  2 .5  地熱井鉆井液

 

  2 .5 .1  地熱井鉆井液的影響因素

 

  (1)地層壓力梯度。它是在設計鉆井液性能時考慮的重要因素。特別是在熱儲層鉆進時, 避免產生井漏, 或者造成堵塞、封閉開采層的情況, 致使洗井困難, 出水量偏低。

 

  (2)地溫梯度。溫度對鉆井液性能直接造成影響。高溫會使鉆井液性能惡化, 使泥漿增稠、加速其化學反應, 使某些處理劑降解和變性。因此在設計地熱井鉆井液時高溫因素不可忽視。

 

  (3)地層和熱儲層性質。在第四系和第三系地層鉆進時, 鉆井液應具有良好的護壁性能和攜帶巖粉的能力, 盡可能地降低地層的造漿性、增粘性, 控制鉆井液的固相含量。在鉆進第三系熱儲層時應考慮保護產層、避免影響產層出水量的措施。而在某些易發生井漏的熱儲層段則應設法降低鉆井液的密度, 盡可能減少井漏的發生。

 

  (4)鉆井較深, 裸眼井段較長。這要求鉆井液的性能不會造成井壁坍塌, 不縮徑, 盡可能小的漏失并具有高的機械鉆速, 有利于提高產水量。

 

  (5)從鉆井液的角度來考慮所采用的井身結構是否合理。因有鉆井或者說是套管的幾級口徑變化, 影響了鉆井液的上返速度。如果泵量不能滿足要求時, 可能會使井下巖屑較多, 排除不凈, 易發生井下事故。

 

  (6)定向斜井對鉆井液提出了新的要求。特別是在鉆井液的潤滑性, 攜帶巖屑能力, 以及減少井下鉆具粘鉆事故上多加考慮。

 

  2 .5 .2  鉆井液性能指標

 

  (1)第四系井段:密度1.03 ～ 1.08 kg/L ;粘度20 ～ 25 s ;失水量≯15 mL ;pH 值8 ～ 10 。

 

  (2)上第三系井段:密度1.06 ～ 1.10 kg/L ;粘度20 ～ 30 s ;失水量≯10 mL ;含砂量≯5 ‰;初切力0 ～ 1.0 Pa ;終切力1.0 ～ 2.0 Pa ;pH 值9 ～ 12 。

 

  (3)基巖井段:密度1.06 ～ 1.10 kg/L ;粘度25～ 30 s ;含砂量≯5 ‰;失水量≯10 ～ 15 mL ;初切力0 ～ 1.0 Pa ;終切力1.0 ～ 2.0 Pa ;pH 值8.5 ～ 10 。

 

  3  地熱井成井工藝

 

  3 .1  套管和下套管作業

 

  地熱井成井選用石油套管。其優點是:口徑形成系列, 可與鉆頭口徑配套使用;有多種壁厚和鋼級, 可根據井下具體情況選用;采用絲扣連接, 方便下套管作業;有配套的下套管工具和附件, 操作簡便。套管口徑按井身結構的要求選用。套管的壁厚和鋼級是按絲扣的最小抗拉強度、套管的抗擠強度和抗內壓強度來綜合考慮, 根據井下泥漿密度按套管抗擠可下深度選用。常用的套管附件有:引鞋、浮箍浮鞋、旋流短節、彈性扶正器等。

 

  下套管作業時有專用工具, 如:套管吊卡, 旋繩,手動大鉗及液壓大鉗。這些工具為下套管作業提供了方便條件。下管之前要用原徑鉆頭通井, 以保證順利下管到位。同時要檢查套管體、壁厚和絲扣是否符合設計要求, 還要擦洗絲扣、用通徑規通徑, 以保證下管后下井工具(如:鉆頭)能順利通過套管。

 

  認真丈量套管長度和根數, 確定套管附件所放位置。

 

  下套管作業完成后, 應立即進行水泥固井。

 

  3 .2  水泥固井作業

 

  水泥固井是用水泥漿封閉套管的外環空間。可封隔非開采層, 起到止水作用, 并能固定套管。常用油井水泥(75 ℃, G 級), 平均水泥漿密度≮1.85kg/L 。采用鉆桿注漿方式將水泥漿從套管外環空上返至預定高度, 管內預留一定高度的水泥塞。注水泥漿后須經24 ～ 48 h 待干候凝, 再下鉆掃水泥塞。如無預留水泥塞則說明替漿量不準, 套管下端部位無水泥漿封固。未達到止水目的, 也易造成套管脫扣事故。

 

  3 .3  洗井

 

  洗井是在完井后將井下殘留的巖屑和泥漿泥皮徹底清洗干凈, 使產水段疏通。一般先用清水沖孔,然后用空壓機氣舉洗井。風管下深450 ～ 600 m , 洗井時間48 h 左右, 視洗井效果而定。達到水清砂凈即可停止。洗井時可注意觀察出水情況和水溫。如果估計達到預期指標就可轉入抽水試驗。

 

  3 .4  抽水試驗

 

  現在常用潛水電泵進行抽水試驗。下泵前應觀測井下水位, 以決定下泵深度。在用泵抽水的開始階段也是洗井工序的延續, 可以觀察是否達到水清砂凈, 以及水量、水位和水溫的變化情況。對該地熱井的出水指標有個概略估計。待抽水穩定后即進入抽水試驗階段。抽水試驗是確定該地熱井出水指標的唯一方法。一般按要求抽2 個落程(降深), 取得2 組數據。畫出抽水試驗曲線。在停止抽水后要立即觀測熱水水位(即熱水頭值)。

 

  3 .5  增產措施

 

  抽水試驗所取得的數據未達到預期指標時, 應分析原因, 采取增產措施。對于帶過濾器成井的地熱井可采用射孔加長取水段的方法, 對于裸眼成井的地熱井采用酸化壓裂的措施, 通常都能收到較好的效果。

 

  4  地熱定向井技術

 

  井眼軌跡控制技術是定向井施工中的關鍵, 它是使實際鉆鑿的井眼按照設計的軌跡鉆達目標靶區的綜合性技術。井眼軌跡控制貫穿鉆井的全過程,包括:優化鉆具組合, 優選鉆井參數, 以及先進的導向鉆井系統和計算機技術等。目前所鉆的地熱定向井多采用5 段制。直井段多為450 m , 最大井斜角為15°～ 20°, 井底水平位移500 m 左右(靶區半徑50 m), 鉆井深度多為2500 ～ 3000 m(斜深)。在直井段鉆進之后, 一般在450 m 處作為造斜點進行造斜鉆進。選用1.5°彎接頭、無磁鉆鋌、螺桿動力鉆具進行造斜, 單點定向, 每鉆一定深度后進行單點測斜。在達到8°以上的井斜角后可用增斜鉆具鉆進。

 

  此時應用合理的鉆具組合, 嚴格控制鉆進參數, 均勻送鉆, 使井眼曲率變化平緩, 軌跡圓滑, 避免出現“狗腿”彎, 并及時測斜, 掌握井斜和方位的變化, 以便及時調整鉆進參數, 使井斜和方位滿足設計要求。穩斜井段, 較多鉆遇方位漂移嚴重的地層。此時, 應慎重考慮該井段的鉆進安全問題, 避免為調整方位而出現井下鉆具事故。降斜井段, 一般位于開采層井段。此時, 應簡化鉆具結構, 避免在發生井漏時造成井下事故。此井段鉆進能達到井底的位移要求即可。

 

  地熱定向井是適應當前回灌要求, 保護地熱資源, 又便于地面管理的一種鉆井方式。目前, 隨著“開采-回灌”模式的推廣, 地熱定向井將成為開采地熱的主要鉆井方式。因此, 地熱定向井鉆井工藝技術應作為一項課題進行深入的研討, 以便達到高效、經濟、安全。