0 前言

 

  地熱能是一種新型的替代性能源, 是“熱、礦、水”三位一體的資源, 也是潔凈的可再生的環保型能源, 可廣泛應用于發電、供熱供暖、醫療保健、溫泉洗浴、種植養殖、旅游等。山東省是一個地熱資源比較豐富的省份, 其地熱資源總的特點是熱儲分布廣、類型多、埋藏深度適中、熱流體儲量大、利用價值高,溫度以中低溫為主, 開發利用條件較好。地熱熱儲類型全省可劃分為魯西地熱區裂隙巖溶型熱儲(水溫在43 ～ 70 ℃, 已有16口采熱井)、魯西北地熱區孔隙型熱儲(水溫40 ～ 98 ℃, 已有17口采熱井)、魯東地熱區裂隙型熱儲(水溫47 ～ 89 ℃, 已有14口采熱井)。

 

  10多年來, 我院對裂隙巖溶型、孔隙型、裂隙型地熱井進行鉆井工藝技術研究, 形成了較完善的鉆井工藝技術, 本文以山東地區3種類型的地熱熱儲為模型, 在地熱井鉆井工藝技術方面進行論述, 以供借鑒。

 

  1 裂隙巖溶型地熱井

 

  1. 1 地質條件

 

  裂隙巖溶型地熱井熱儲層為奧陶系灰巖, 主要分布在魯西地區(濟南、聊城), 熱儲層埋深為350 ～1800m。主要地層為第四系、第三系、二疊系、石炭系、奧陶系, 由于受構造的影響, 第三系、二疊系、石炭系有缺失現象。

 

  該類型地熱井地層多變、巖性復雜, 易坍塌、吸水膨脹、縮徑、漏失, 成井難度大、井內事故率高。

 

  1. 2 鉆井設備及鉆具

 

  1. 2. 1 設備

 

  鉆機:TSJ -2000E、TSJ - 1000型;鉆塔:AS27 -70型;泥漿泵:TBW - 1200 /7B 型;空壓機:VWW JD-9. 1 /15、SW - 5 /40 -A型;泥漿攪拌機:NJ600型。

 

  1. 2. 2 鉆具

 

  鉆鋌:?121、146、178 mm;鉆桿:?89 mm;雙壁主動鉆桿;雙壁鉆桿:SHB127 /75;鉆頭:?430 mm 組合牙輪鉆頭, ?311 mm 鋼齒(鑲齒)牙輪鉆頭, ?215mm /?152 mm 鑲齒牙輪鉆頭, ?311 mm /?215 mm聚晶-金剛石復合片(PDC)鉆頭。

 

  1. 3 井身結構(見圖1)

 

  1. 4 鉆井工藝

 

  1. 4. 1 第四系(0 ～ 110m 段)

 

  采用?430 mm 組合牙輪鉆頭, 鉆遇粘土層下?377 mm ×7 mm 表管, 長度110 m, 水泥固井;正循環泥漿鉆進。

 

  1. 4. 2 第四系、第三系、二疊系(110 ～ 1000m段)鉆孔口徑311 mm, 鉆遇二疊系底板砂巖下

 

  ?244.5 mm ×10 mm技術套管(泵管)并固井;第四系、第三系采用?311 mm 鋼齒牙輪鉆頭, 二疊系(泥巖、泥質砂巖)采用?311mmPDC 鉆頭;鉆具結構:

 

  ?311 mm 牙輪(PDC )鉆頭+?178 mm /?146 mm /?121mm鉆鋌+?89 mm 鉆桿+主動鉆桿;沖洗液

 

  采用膨潤土(5%) +CMC (0.4%) +KHm (0.3%)+Na2CO3 (0.3%)泥漿, 正循環鉆進。

 

  1. 4. 3 二疊系、石炭系、奧陶系(頂板)

 

  該段是此類型地熱井施工難點, 地層復雜、易塌孔。鉆孔口徑215 mm;應用壓力平衡、?215 mm鑲齒牙輪鉆頭正循環泥漿鉆進, 快速穿過, 采用177.8mm ×9.19mm 技術套管隔離。

 

  1. 4. 4 奧陶系地層

 

  該層為鉆進的目的層, 巖性以石灰巖為主, 地層裂隙發育, 嚴重漏失, 該段應用氣舉反循環鉆進工藝。鉆孔口徑152 mm。

 

  1. 4. 4. 1 鉆具結構

 

  ?152mm鑲齒牙輪鉆頭+?146 mm /?121 mm

 

  鉆鋌+?89 mm 鉆桿+SHB127 /75雙壁鉆桿+主動(雙壁)鉆桿。

 

  1. 4. 4. 2 鉆進規程

 

  壓力40 ～ 60 kN ;轉速37 ～ 84 r /m in。

 

  1. 4. 4. 3 氣舉反循環的主要參數

 

  沉沒系數(浸水比)φ=0.78 ～ 0.99;風壓P =1.2 ～ 3.5MPa;風量Q =3.5 ～ 4.0 m3 /m in;尾管長度Lw =(10 ～ 15)H(H 為空氣混合室沉入深度)。

 

  1. 4. 4. 4 循環介質

 

  氣舉反循環采用清水作為循環介質。

 

  2 孔隙型地熱井

 

  2. 1 地質條件

 

  孔隙型地熱井熱儲以新近系明化鎮組(Nm)、館陶組(N g)、古近系東營組(Ed)、沙河街組(Es)為主。鉆遇地層為第四系(Q)、新近系(N )、古近系(E)。該類型地熱井地層簡單, 孔壁不穩定, 易吸水膨脹、易縮徑、含油氣, 成井有一定難度。

 

  2. 2 鉆井設備及鉆具

 

  2. 2. 1 設備

 

  鉆機、鉆塔、泥漿泵、泥漿攪拌機同裂隙巖溶型地熱井;鉆井液振動篩:ZS1500 型;防井噴設備(用于含油氣地區):2FZ35 ×35型。

 

  2. 2. 2 鉆具

 

  鉆鋌、鉆桿同裂隙巖溶型地熱井;鉆頭:?430mm 組合牙輪鉆頭, ?311 mm /?245 mm /?215 mm鋼齒牙輪鉆頭。

 

  2. 3 井身結構

 

  2. 4 鉆井工藝

 

  2. 4. 1 鉆進工藝

 

  2. 4. 1. 1 第四系(0 ～ 120 m段)

 

  采用?430 mm 組合牙輪鉆頭, 穿過砂層, 鉆遇穩定粘土層下?377 mm ×8 mm 表管, 長度120 m,水泥固井;正循環泥漿鉆進。含油氣地區安裝防井噴設備。

 

  2. 4. 1. 2 第四系(120 ～ 240 m段)

 

  應用?311mm鋼齒牙輪鉆頭正循環泥漿鉆進。

 

  2. 4. 1. 3 240m ～設計井深(1000 ～ 2000 m)該井段以第四系(Q)、新近系明化鎮組(Nm)、館陶組(Ng)、古近系東營組(Ed)、沙河街組為主。

 

  鉆具結構:?245 mm 鋼齒牙輪鉆頭+?178 mm

 

  (?146 mm)鉆鋌+?89 mm 鉆桿+機上鉆桿;鉆進規程:鉆壓50 ～ 70 kN, 轉速37 ～ 84 r /m in, 泵量1200 L /m in;沖洗液:800 m 以淺應用膨潤土(5%)+CMC(0.4%) +N a2 CO3 (0.3%)泥漿, 800 m以深采用膨潤土(5%) +Na2CO3 (0.3%) +CMC(0.4%) +KHm(0.4%)泥漿。

 

  2. 4. 2 成井工藝

 

  2. 4. 2. 1 測井

 

  達到設計井深進行方位角、頂角、電阻率、井溫測井, 以確定熱儲層和井溫。

 

  2. 4. 2. 2 井(濾水)管

 

  泵管?244.5 mm ×10 mm, 長度240 m;井管

 

  ?177.8mm ×9.19mm;全焊式V 型(噴塑)纏絲濾

 

  水管?177.8 mm ×9.19 mm, 長度80 m;沉淀管

 

  ?177.8mm ×9.19mm, 長度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道以上橡膠圈止水。

 

  2. 4. 2. 5 洗井方法

 

  采用活塞洗井。

 

  2. 4. 3 技術措施

 

  2. 4. 3. 1 護壁措施

 

  (1)化學處理泥漿護壁;

 

  (2)壓力平衡護壁。

 

  2. 4. 3. 2 防縮徑措施

 

  孔內鉆具連續鉆進時間≯50 h。

 

  2. 4. 3. 3 防止粘附卡鉆措施

 

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

 

  (2)孔深超過800m, 鉆具在孔內靜止時間嚴禁

 

  超過3m in。

 

  3 裂隙型地熱井

 

  3. 1 地質條件

 

  裂隙型地熱井熱儲埋藏較淺, 覆蓋層為第四系

 

  沉積層, 一般小于50 m。熱儲層埋深一般為50 ～380m, 巖性主要有花崗巖、閃長巖、輝綠巖、花崗片麻巖、云母片麻巖、砂巖、大理巖等。

 

  3. 2 鉆井設備及鉆具

 

  3. 2. 1 設備

 

  鉆機:SPJ - 300型;泥漿泵:BW - 600 /30型;空壓機:HRP750型。

 

  3. 2. 2 鉆具

 

  鉆頭:?335 mm 硬質合金(鋼粒)鉆頭, JWD200

 

  - 225 型鉆頭, JWD200 型潛孔錘;鉆鋌:?178 mm;鉆桿:?127mm。

 

  3. 3 井身結構(見圖3)

 

  圖3 裂隙型地熱井井身結構

 

  3. 4 鉆井工藝

 

  3. 4. 1 第四系(0 ～ 50m)

 

  采用?335mm硬質合金(鋼粒)鉆頭, 鉆遇完整

 

  基巖(≮1.5m)下入?273 mm ×10 mm 井管, 水泥固井;正循環泥漿鉆進。

 

  3. 4. 2 基巖地層(50 ～ 380 m)

 

  采用潛孔錘鉆進, 水位以下采用潛孔錘泡沫劑鉆進。

 

  鉆具結構:?225 mm 潛孔鉆頭+?178 mm 鉆鋌+?127mm鉆桿+主動鉆桿。

 

  潛孔錘鉆進工藝參數:鉆壓25 ～ 35 kN, 轉速20～ 40 r /m in, 空氣壓力0.8 ～ 1.2MPa, 空氣上返速度16m /s, 潤滑注油量1 ～ 1.5 L /min。

 

  4 結語

 

  山東地區地熱井以裂隙巖溶型、孔隙型、裂隙型為主。裂隙巖溶型地熱井地層變化大、巖性復雜、縮徑、坍塌、漏失, 應采用正循環泥漿鉆進工藝和氣舉反循環鉆進工藝、牙輪鉆頭和PDC 鉆頭鉆進方法、化學處理泥漿和技術套管護壁技術等;孔隙型地熱井地層簡單、孔壁不穩定、易吸水膨脹、易縮徑、含油氣, 應采用正循環泥漿鉆進、化學處理泥漿護壁、橡膠圈止水、全焊式V 型(噴塑)纏絲濾水管等工藝方法;裂隙型地熱井熱儲層以花崗巖、閃長巖、輝綠巖、花崗片麻巖、云母片麻巖、砂巖、大理巖巖性為主, 巖石堅硬, 應采用潛孔錘鉆進工藝。