我院近年來主要承攬地熱井施工工程, 但所鉆遇的地層大都是第四系、第三系地層, 而且相對較淺, 孔深都在2000 m內。2007 年4月, 受河北省霸州市萬泉地熱井開發有限責任公司委托, 我院在河北霸州南孟施工地熱井一眼, 目的是通過鉆探手段探明該區地熱田情況及地熱利用價值, 設計井深3600 m, 實際施工深度3440 m即達到了設計要求。

 

  該井是我院首次進行深孔基巖地熱井施工。通過5個月的施工, 圓滿地完成了施工任務, 受到了甲方的好評。

 

  該井出水量達到140 m3 /h, 出口水溫達到104℃, 是華北地熱田至今為止出水溫度最高的一口地熱井。該井施工工藝的成功實施, 不僅對我院今后的地熱井施工開創了一條新路, 同時對整個華北地區地熱井的施工都具有一定的指導意義。

 

  1 地質概況

 

  該井在地質構造上位于:牛駝鎮凸起南側牛東斷層與霸縣凹陷接觸的斷階帶西段斷塊的南孟潛山東部傾沒部位。該斷階帶在區域構造上, 新生界構造層歸屬于霸縣凹陷, 前第三系構造層則依附于牛駝鎮凸起。本井鉆遇地層情況如下。

 

  0 ～ 400 m為新生界第四系平原組:棕黃色粘土層與砂礫層不等厚互層, 性松軟, 可鉆性好。

 

  400 ～ 1300 m為新生界上第三系明化鎮組:上

 

  段為灰、淺灰色細～中砂巖與灰黃、棕紅色泥巖等厚或略等厚互層, 性較松軟, 半固結狀態;下段以棕紅色泥巖為主夾灰色或灰黃細～ 中、粗砂巖, 含礫砂巖;底部為含礫砂巖, 與下伏沙河街組呈角度不整合接觸。

 

  1300 ～ 1650 m為新生界下第三系沙三界:上段為灰色泥巖夾灰色薄層粉～細砂巖, 以粉砂巖為主,具有正旋回特征;中段為頂部黃、棕紅色泥巖發育,夾薄層粉～細砂巖, 中下段灰色泥巖與灰白、灰色粉～細砂巖互層, 其間夾薄煤層;下段主要為灰色泥巖, 夾有薄層白云巖或油頁巖, 與下伏地層呈整合接觸。

 

  1650 ～ 2000 m為新生界下第三系沙四界:上段為灰、褐灰色泥巖與灰色粉砂巖不等厚互層, 其間偶夾黑色玄武巖;中段以灰、紫紅色泥巖為主夾薄層粉～細砂巖;下段為紫紅、灰色泥巖與灰、灰白色砂巖不等厚互層, 底部砂巖含礫巖, 與下伏奧陶系呈角度不整合接觸。

 

  2000 ～ 2150 m為下古生界奧陶系灰巖:上部巖性為褐灰、深灰色白云巖;下部為深灰、灰、褐色灰巖, 常含泥質, 頂部為侵蝕面和風化淋濾, 縫洞發育,與下伏地層為整合接觸。

 

  2150 ～ 2900 m為下古生界寒武系:上部以褐色灰巖為主夾薄層泥灰巖, 底部出現棕黃色泥頁巖;上部毛莊組為紫紅泥巖夾紫紅色、灰鮞色灰巖;中部饅頭組為棕紅、紫紅、灰黃色泥巖夾褐、深灰、灰色泥質灰巖、白云巖;下部府君山組為褐色白云巖及灰巖,與下伏地層為平行不整合接觸。

 

  2900 ～ 3000 m為中上元古界青白口系:上部景兒峪組為紫色泥灰巖;中部長龍山組為灰白、紫色石英砂巖, 淺灰綠色海綠石砂巖及紫紅、灰綠、深灰色泥巖;下部下馬嶺組為深灰色頁巖及紫色泥巖。

 

  3000 ～ 3600 m為中上元古界薊縣系:鐵嶺組,

 

  上部灰、深灰色白云巖, 下部夾薄層灰、綠色頁巖, 底夾薄層灰色石英砂巖;洪水莊組, 灰色白云巖, 硅質白云巖, 頂、底部有薄層灰色頁巖;霧迷山組, 灰、褐灰、灰白色白云巖及硅質白云巖, 灰質白云巖;楊莊組, 棕紅、紫紅色白云巖及泥灰巖。

 

  2 鉆井設計

 

  2.1 井身結構

 

  2.2 技術指標及質量要求

 

  3 施工設備及鉆具組合

 

  施工主要設備有:3000 m鉆機1臺, ZJ170/41-K型鉆塔1 副, 3NB-1300D型鉆井泵1 臺,PZ12V190B型柴油機2臺, UF3561 -6 m3型自動壓風機2臺, 40 m3鉆井液儲備罐2 個, 鉆壓指重表1臺, 45 MPa鉆井泵壓表1個。

 

  4 鉆井液技術

 

  4.1 鉆井液體系及性能

 

  4.2 鉆井液維護要點

 

  4.2.1 一開(0 ～ 355 m)

 

  地層膠結疏松, 井徑大, 鉆屑攜帶困難, 鉆井液體系為高粘度膨潤土漿。配制預水化膨潤土漿(密度1.10kg/L)。用預水化膨潤土泥漿開鉆, 鉆進中根據井下實際情況, 不斷補充提粘劑, 保持鉆井液具有較強的攜帶和懸浮能力, 滿足大井眼鉆進需要。

 

  鉆至設計深度后, 要進行充分的循環和通井, 在確認井眼干凈、無沉砂和無井壁坍塌后方能起鉆, 以確保下套管和固井的順利施工。

 

  4.2.2 二開(355 ～ 2005 m)

 

  將一開鉆井液用清水和膠液沖稀至膨潤土含量<40 g/L, 根據需要加入各種處理劑, 調整至設計性能。開鉆將鉆水泥塞所污染的鉆井液放掉或加入純堿清除鈣離子, 其余鉆井液地面凈化處理后, 作正常使用。鉆進中及時補充配制濃度為1%的高分子聚合物膠液, 盡量不單獨加清水, 增強鉆井液的抑制性。利用NPAN調整鉆井液粘度, 調節流變性, 利用PAM抑制頁巖、巖屑分散, 合理控制濾失、加足防塌劑, 確保井眼穩定;鉆井中隨時儲備與井眼內性能相同的鉆井液, 以備井下復雜情況應急用。

 

  4.2.3 三開(2005 ～ 3002 m)

 

  由于本段所鉆遇的地層易垮塌, 做好防塌工作。

 

  具體做法是:加足濾失劑和防塌劑, 確保井壁穩定。

 

  控制好鉆井液的pH值在8 ～ 9, 可以減弱高堿性對泥巖的強水化作用。適當提高鉆井液的礦化度, 使之與泥頁巖的礦化度相當或稍高, 減少滲透壓, 降低井壁周圍泥頁巖的含水量和孔隙壓力, 使泥頁巖強度增加。可在鉆井液中加入各種堵塞劑, 如氧化瀝青、淀粉等, 以減少或防止滲透作用和毛細管作用,降低濾液向井壁巖石的滲透速度。如泥漿性能保持完好, 仍出現地層垮塌, 可提高鉆井液密度, 以平衡地層應力。該段地層注意防漏, 具體做法:配合地質壓力檢測, 無特殊情況嚴格控制鉆井液密度, 盡可能實現壓力平衡鉆井。視井下地層情況可加入2% ～3%顆粒狀堵漏劑、3% ～ 5%的粗纖維類堵漏劑或復合堵漏劑, 以滿足防漏需要。若發生漏失, 應快速準確地分析確定漏失類型, 及時采取有效的堵漏技術和方法(橋接堵漏、凝膠堵漏、可酸化凝固型堵漏技術等), 降低或消除漏失, 恢復鉆進。

 

  堵漏方法及措施:

 

  (1)循環堵漏。發現井漏停止鉆進, 采用小排量、低泵壓循環觀察, 同時往鉆井液中加入堵漏材料(堵漏材料含量3% ～ 5%), 停止漏失后恢復鉆進。

 

  (2)靜止堵漏。循環堵漏無效, 發生裂縫性漏失, 鉆井液失返時采用此法。起鉆前配堵漏鉆井液(粘度為滴流, 堵漏材料含量8% ～ 10%), 小排量泵入漏層后, 即起鉆靜止, 靜止一段時間后, 分段下鉆循環, 停止漏失后恢復鉆進。

 

  (3)清水強穿。井口鉆井液失返, 利用鉆屑和堵漏劑堵漏。

 

  (4)上述堵漏措施無效, 堵漏過程中鉆井液無返出, 可采用水泥堵漏。使用振動篩、除砂器等與鉆井泵同步運轉, 嚴格控制鉆井液中劣質固相含量和低密度固相, 維持鉆井液膨潤土含量在30 ～ 45 g/L。

 

  4.2.4 四開(3002 ～ 3600 m)

 

  由于該井段為目的層, 且該井段地層較穩定, 為保護產層, 故采用清水鉆井。

 

  5 鉆頭及鉆井參數設計

 

  5.1 鉆頭設計

 

  5.2 鉆井參數設計

 

  鉆壓:一開鉆壓≤70 kN, 二開鉆壓≤150 kN, 三開鉆壓≤130 kN, 四開鉆壓≤100 kN。

 

  轉速:60 ～ 120 r/min, 如遇憋鉆、跳鉆時換低表4 各井段所用鉆頭型號序號尺寸/mm 型號井段/m 進尺/m1 444.5 H126 0 ～ 355 3552 311.1 HAT126 355 ～ 1300 945

 

  3 311.1 HAT437、HAT517 1300 ～ 2002 702

 

  4 244.5 HJT527、HJT617、HJT637 2002 ～ 3002 10005 152.4 HJT527、HJT617、HJT637 3002 ～ 3600 600速。

 

  流量:采用最大流量41.52 L/s。

 

  泵壓:通過調節三牙輪鉆頭噴嘴, 將泵壓控制在10 ～ 15 MPa。

 

  6 固井工藝

 

  6.1 表層套管固井

 

  套管串結構:浮鞋+套管1根+浮箍(內插座)+套管串。

 

  注水泥方案:普通42.5R硅酸鹽水泥, 水泥漿密度1.8 g/cm3 , 水泥返出地面。采用鉆井液開鉆,內插法固井。內插管坐封要平衡, 密封要可靠, 密封插頭下井前要涂抹黃油。施工結束后, 如果井口水泥漿面下沉, 必須注水泥漿補充。

 

  6.2 二開固井

 

  套管串結構(由下至上):浮鞋+套管2根+浮箍+套管串+3 根套管+5 根套管(加3 組套管扶正器以保證套管居中, 保障固井效果)+變徑反絲接頭+鉆桿。采用G級水泥, 水泥漿密度1.8 g/cm3 (根據實鉆測定及測井得出的地層壓力, 可調節水泥漿密度, 確保水泥漿返高達到設計要求)。水泥漿自由水控制量<3.5 mL, 失水量<150 mL, 水泥漿返高為500 m, 套管重疊段封固不少于30 m。

 

  稠化時間≥施工總時間+3 h。

 

  施工程序:循環鉆井液※注水泥漿※替水泥漿※候凝。

 

  6.3 三開固井

 

  套管串結構(由下至上):浮鞋+套管2根+浮箍+套管串+變徑反絲接頭+鉆桿。采用G級水泥, 水泥漿密度1.8 g/cm3 (根據實鉆測定及測井得出的地層壓力, 可調節水泥漿密度, 確保水泥漿返高達到設計要求)。水泥漿自由水控制量<3.5 mL,失水量<150 mL, 水泥漿返高為500 m, 套管重疊段封固不少于30 m。稠化時間≥施工總時間+3 h。

 

  施工程序:循環鉆井液※注水泥漿※替水泥漿※候凝。

 

  6.4 套管柱設計

 

  7 鉆井技術措施

 

  7.1 防卡

 

  (1)加強活動鉆具, 井內鉆具靜止時間≯3 min。

 

  上下活動鉆具范圍應在2根以上。

 

  (2)使用抑制性泥漿, 并配合使用好降失水劑,以改善鉆井液及濾餅的潤滑性, 降低鉆井液失水量,保證形成的濾餅薄而致密。

 

  (3)保持良好的鉆井液性能, 加強鉆井液凈化,降低固相含量, 盡量作到平衡地層壓力鉆進, 是防止壓差卡鉆的根本途徑。

 

  (4)最大限度的減少鉆井液液柱壓力, 減少鉆具與井壁上濾餅的接觸面積, 盡量縮短鉆具在井下靜止的時間, 一定要不停的活動鉆具。

 

  (5)最大限度的降低鉆井液中的無用固相含量, 改善鉆井液固相顆粒級配。維持鉆井液具有好的流變性, 提高井壁的承壓能力。

 

  (6)所有下井鉆具必須按規定認真進行檢查,凡不合格的鉆具禁止下井使用。

 

  (7)起鉆前處理好鉆井液, 大排量循環洗井, 循環兩周以上方可起鉆。下鉆不應一次到底, 應分段開泵循環正常后再下。

 

  (8)鉆進中發現泵壓升高、懸重下降、鉆井液返出減少、接單根打倒車等現象, 應停止鉆進或接單根, 上提鉆具到正常井段后, 采用沖、通、劃的辦法,使井眼恢復正常后方可繼續作業。

 

  (9)短起下鉆井段應超過所鉆井段長度, 防縮徑卡鉆。

 

  (10)鉆進中發現泵壓下降, 必須停鉆找出原因。如果在地面上找不出問題, 應起鉆檢查鉆具。

 

  (11)鉆進中發現鉆時變慢、憋鉆、泵壓升高、上提鉆具阻卡, 應立即停鉆, 處理鉆井液改善性能。同時, 上下長距離活動鉆具, 并高速旋轉甩動, 加大循環排量, 以消除鉆頭或穩定器的泥包。

 

  (12)在井口上作業, 必須預防工具、螺栓、鉗牙等物品落入井內。空井時, 可用鉆頭盒蓋住井口。

 

  7.2 防斜

 

  (1)對所有設備進行二開前檢查驗收, 認真進行高壓試運轉0.5 h以上, 運轉平穩、不刺、不漏方可開鉆。

 

  (2)表層鉆進中, 平衡好水龍帶, 使其不擺不跳。

 

  (3)要輕壓吊打, 井斜<1°, 井斜過大須糾斜。

 

  (4)在檢修保養設備或處理鉆井液時, 應保持大幅度活動鉆具并循環鉆井液。但不可大排量長時間停在一處轉動循環, 避免沖大井眼造成井斜。

 

  (5)換用新鉆頭時, 不可一次下鉆到底。在接近井底時, 小排量開泵, 一擋啟動轉盤, 慢慢下到井底, 再用30 ～ 50 kN的鉆壓磨合鉆頭約0.5 h后, 逐漸加壓至正常鉆壓鉆進。

 

  (6)設備安裝按規定要求達到平、正、穩、固、牢。校正天車中心、轉盤中心及井口中心三者處于同一鉛垂線上, 最大允許偏差≯10 mm。

 

  (7)指重表、記錄儀、泵壓表必須靈敏、準確、好用。

 

  7.3 防漏

 

  (1)在鉆進過程中, 調整好鉆井液性能, 在井下條件允許的情況下, 鉆井液密度盡量小, 保持近平衡壓力鉆井。

 

  (2)鉆遇漏失井段前, 要提前準備好堵漏材料,

 

  按設計要求處理好鉆井液性能, 并準備隨時加入堵漏材料。

 

  (3)下鉆前要控制速度, 井深>500 m后要使用輔助剎車, 每下一柱不能少于30 s, 防止下鉆速度過快激動壓力過大壓漏地層。下鉆過程要分段循環鉆井液, 切不可一次下鉆到底再開泵循環。開泵要先小排量頂通后, 再恢復正常排量, 嚴禁開泵過猛壓漏地層。

 

  (4)認真執行坐崗制度, 專人觀察鉆井液液面的變化情況, 無論鉆進還是下鉆時, 發現井漏, 如果漏失量>5 m3 , 應立即起鉆, 并連續向井內灌入鉆井液, 同時做好堵漏準備。

 

  7.4 防坍塌

 

  (1)加足防塌抑制劑, 封堵材料, 改變鉆井液濾液性質, 減少鉆井液侵入量, 滿足對泥巖的有效抑制和封堵。

 

  (2)盡量縮短流體對易坍塌地層的浸泡時間,進一步改善鉆井液的高溫高壓濾失性和濾餅性能,加處理劑要均勻, 保持鉆井液性能穩定, 尤其是密度和粘切要相對穩定。

 

  (3)盡量減輕鉆具對井壁的碰撞和減輕壓力激動及抽吸;同時, 還應盡量減輕流體對井壁的沖刷。

 

  護絲, 打撈器將接近內管上端時, 應放慢下降速度,反復撈取內管無效時, 不得猛沖硬墩, 應提鉆查明原因。

 

  (2)在提升鋼絲繩打撈內管時, 應注意孔口鉆桿內是否有沖洗液涌出, 以判斷內管是否打撈上來。

 

  (3)鉆孔為干孔時不得直接投放內管, 應用打撈器將內管送入孔底或開泵以最大排量向鉆桿內泵入沖洗液后立即投放內管。

 

  (4)內管未到底前不準掃孔鉆進。

 

  (5)鉆桿折斷后, 不準下入打撈器撈取內管。

 

  (6)內管提上后, 如發現管內無巖心, 應立即提鉆處理。

 

  (7)打撈器上的鋼絲繩應綁結牢固, 并應裝安全繩, 當脫卡銷起過2.5 kN拉力時應能被剪斷, 從而使打撈器安全脫卡。

 

  (8)單動性能良好, 各部件之間的同心度要好,管材無傷裂, 絲扣要完好。

 

  (9)不得用管鉗擰卸鉆頭、擴孔器和內外管, 而應用多觸點鉗或擦式鉗, 同時還應注意鉗牙不得觸及鉆頭或擴孔器的胎塊部位。

 

  (10)退出巖心時, 要用橡膠錘、木錘敲打內管。

 

  不得用鐵錘直接敲打雙管的內外管。

 

  (11)雙管在移動時不能猛力拖拉或撞擊, 存放時要擺平, 不得重壓, 運送時要套裝, 裝卸時要輕放。

 

  4 結語

 

  使用JS75型繩索取心金剛石鉆進, 在直孔和斜孔鉆進施工中, 鉆孔頂角偏差<1°/100 m, 方位角偏差<1.5°/100 m, 巖礦心采取率達到95% ～ 100%,鉆進效率達到2 ～ 3 m/h。不僅能有效防止鉆孔彎曲度超差, 而且孔內事故大大減少, 滿足地質各方面的要求, 從而大大提高鉆孔質量。

 

  我隊在蔡家營鋅金礦為澳方進行鉆探施工中,很好地滿足了外方的要求, 不僅取得了很好的經濟效益和社會效益, 而且贏得了很好的國際聲譽。高標準地完成了地質對鉆探質量要求, 取得了質量好、效率高、成本低的成效。

 

  另外, 澳方人員認真的工作態度以及一絲不茍的工作精神給我們留下了深刻印象, 值得我們學習和借鑒。