丁同領(lǐng)，高 翯

(河南省地礦局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，河南鄭州 453000)

武漢－1超深地熱井鉆井成井工藝

丁同領(lǐng)，高 翯

(河南省地礦局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，河南鄭州 453000)

根據(jù)設(shè)計要求及地質(zhì)特征，武漢－1超深井采用回轉(zhuǎn)鉆進、泥漿泵正循環(huán)、牙輪鉆頭鉆進、鉆鋌給壓鉆進工藝，采用合理的鉆探技術(shù)參數(shù)保證地熱井結(jié)構(gòu)及垂直度符合設(shè)計要求，并對泥漿進行降密度、提粘、提切并加入適量堵漏劑的方法堵漏，取得了良好效果。抽水試驗說明該井出水能力較強，熱儲層含水層富水性較好，且水溫不受氣溫影響，在井流試驗過程中水溫損失所占比例較小，證明了本井的鉆井和成井技術(shù)是合理的。介紹了武漢－1井的鉆井成井工藝及抽水試驗成果。

鉆井;井身結(jié)構(gòu);堵漏;抽水試驗;水質(zhì)評價

地熱資源作為一種新興的綠色能源，應(yīng)用廣泛，易于開發(fā)，費用低廉，無環(huán)境污染，具有其他能源無法比擬的優(yōu)越性。地熱資源的開發(fā)利用，將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢，對于實現(xiàn)經(jīng)濟快速發(fā)展和生態(tài)良性循環(huán)具有重要意義。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和世界性能源的日趨緊張，地熱作為一種可供人們開發(fā)利用并有著巨大發(fā)展前景的新興能源，有著巨大的經(jīng)濟開發(fā)潛力。

1 地質(zhì)概況

武漢地區(qū)的地熱資源以溫熱水、熱水地熱田(或泉)為主，目前開發(fā)利用程度相對較低，許多地熱資源未得到充分利用。武漢－1(WH－1)井位于武漢市江夏區(qū)五里界鎮(zhèn)介子山莊內(nèi)，屬于探采結(jié)合井。設(shè)計井深1500 m，開孔直徑≮300 mm，終孔直徑≮150 mm，因該井屬于探采結(jié)合井，設(shè)計出水量≮20 m3h。此區(qū)域的地熱儲層為二疊系－石炭系石灰?guī)r，含水層以灰?guī)r為主，砂巖次之。由于目的層二疊系大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組、棲霞組，石炭系船山組、黃龍組石灰?guī)r目標熱儲層位上移，出水溫度較低。

2 鉆井施工

2.1 施工要求及規(guī)范

由于地熱井長期處于高溫狀態(tài)，和普通水井相比，必須嚴格控制套管程序，嚴格進行固井、止水，否則涼水進入井內(nèi)，會導致水溫下降，即串水現(xiàn)象的發(fā)生。固井采用耐高溫水泥，還要防止串水可能帶來的事故。地熱水含有多種化學物質(zhì)，加之溫度較高，因此對鉆具、管材腐蝕特別嚴重。因此應(yīng)選用強度高，熱膨脹率小，耐酸、鹽腐蝕的管材，或采用石油鉆桿和套管［1］。

WH－1井使用GZ－2000型鉆機施工。根據(jù)設(shè)計要求及該地區(qū)地質(zhì)特征，采用回轉(zhuǎn)鉆進、泥漿泵正循環(huán)、牙輪鉆頭鉆進、鉆鋌給壓鉆進工藝，采用合理的鉆探技術(shù)參數(shù)保證地熱井結(jié)構(gòu)及垂直度符合設(shè)計要求。

前100 m鉆進過程中，要求每50 m測孔斜一次，200 m以深采用施工中裸眼測井，終孔后采用物探測井，小于或等于100 m井段孔斜度不得超過1°，大于100 m的井段每100 m頂角偏斜遞增速度不得超過1.5°。鉆孔大部分采用無心鉆進，全孔巖屑錄井，并做好編錄工作。巖屑錄井間距為5 m，對熱儲層、蓋層及其他重要的有代表性的巖層必須進行分段取心。

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

在水井結(jié)構(gòu)設(shè)計上，國內(nèi)為防止細顆粒地層的涌砂問題和增加單井出水量，一般把鉆孔的開孔直徑設(shè)計定為550～1000 mm，終孔直徑250～450 mm，在實際水井結(jié)構(gòu)設(shè)計時會單純地增加井徑和填礫厚度來增加出水量。這樣的結(jié)果就是增加了設(shè)備的負荷和鉆井成本，同時也降低了鉆井效率。通過對不同水源地不同地層的鉆孔資料統(tǒng)計分析可發(fā)現(xiàn)，不同地層的鉆孔口徑對出水量的影響是不同的，不成正比直線關(guān)系。粗顆粒地層中，在300～700 mm之間單位涌水量隨鉆孔口徑增加而增大，且鉆孔口徑越大，單位涌水量增加越明顯;而在細顆粒地層中鉆孔口徑與單位涌水量關(guān)系不大［2］。

WH－1井所處地層巖性以致密砂巖、泥巖和灰?guī)r為主，單位涌水量不會因鉆孔口徑的增大而增大。因此，該井不需要通過增加井徑和填礫厚度來增加涌水量。為了降低鉆進成本并結(jié)合地層特性和牙輪鉆進工藝特點，WH－1井一開使用445 mm鑲齒牙輪鉆頭鉆進，鉆進至孔深43.84 m處，下入377 mm無縫石油套管，下入深度0～43.84 m，并采用42.5R優(yōu)質(zhì)水泥2.4 t進行固井，水泥漿上返至地面，保壓、凝固72 h以上。二開使用311 mm鑲齒牙輪鉆頭鉆進，鉆進至孔深504.99 m處，因地層變化較大未見下部目標層位，故變徑繼續(xù)鉆探。三開井眼使用216 mm鑲齒牙輪鉆頭鉆進，鉆進至孔深1951.04 m，達到本次地熱井勘探任務(wù)深度，終孔層位為志留系泥巖層。

2.3 鉆探技術(shù)

本井采用鑲齒牙輪鉆頭進行鉆進。牙輪鉆頭是單雙齒交替產(chǎn)生鉆頭軸向往復(fù)而形成沖擊動載而碎巖的。當鉆壓充足能夠使牙輪齒有效地“吃入”地層時，使巖石形成體積破碎而提高機械鉆速。如鉆壓過大，鉆速快、孔內(nèi)沉渣多、吸附泥皮厚;鉆壓小則鉆速慢、成井周期長、上部井壁裸露時間長而受到機械液動破壞程度嚴重［3］。因此保證合理穩(wěn)定的鉆壓值可以穩(wěn)定鉆具、減少井內(nèi)事故、實現(xiàn)高效鉆井、降低單位進尺鉆頭成本。本井鉆進過程中，鉆壓值P(kN)取(4～10)D(D為鉆頭直徑，mm)。地層較硬、鉆井較深時取上限值;地層較軟、鉆進較淺時取下限值。主動鉆桿的轉(zhuǎn)速n(r/min)取(6～12)D。對完整、均質(zhì)、較軟的地層取上限值;硬地層取中值;非均質(zhì)、較硬地層取下限值。泵量Q(L/min)取180D。

WH－1井開孔5 m即鉆至基巖層，由于開孔口徑大，巖層致密、硬度高，普遍達到7級以上，鉆進速度緩慢;變徑311 mm以后遇到多個漏失段，投入大量時間和精力進行堵漏，堵漏時在增大泥漿粘度和動切力、降低泥漿密度的同時，還在泥漿中加入橋接堵漏劑;變徑216 mm后一直至完孔，整體以砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，致密、硬度高，效率緩慢，中間數(shù)次加深，工期較長。泥漿所用材料為膨潤土、Na－CMC、PAM、Na2CO3，泥漿性能指標為:粘度22～24 s，密度1.05～1.10 g/cm3，pH值8～9，含砂量＜4%，失水量為15～18 mL/30 min。整個鉆進過程中，泥漿溫度變化不大，整體漏失情況500 m以淺明顯，其中在115～123、168.72～169.62、205.96～211.80、216.10～221.00、320.80～332.97、388.58～392.18 m處漏失明顯，裂隙發(fā)育。

3 物探測井

3.1 測井方法

本次測井工作使用儀器為TYSC－Ⅲ型數(shù)字測井儀，此儀器為高精度數(shù)字化多功能測井儀器。共采集參數(shù)5個，得出測井曲線4條，包括視電阻率梯度、自然電位、自然伽馬、井溫及井斜等。采樣間隔5 cm，實際測井深度為1950.20 m。

3.2 測井成果解釋

通過對野外曲線的整理，應(yīng)用相應(yīng)的軟件繪制了數(shù)字測井綜合成果圖。由此得出，該井518.8 m以淺含水層巖性以灰?guī)r為主，砂巖次之，含水層單層厚度一般為8 m左右，最厚30.2 m，總厚度113.2 m;非含水層巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。518.8 m以深含水層巖性以細粒砂巖、中粒砂巖為主，最大單層厚度33.7 m，總厚度300 m;非含水層巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主?？椎诇y井溫度為53.6℃，最大井斜為2.2°。

4 洗井及抽水試驗

4.1 洗井

成井工藝是指探井、換漿、安裝井管、填礫、封閉以及洗井、抽水試驗、采集水樣等工序的總稱，因此洗井是成井工藝的一個承前啟后的關(guān)鍵工序［4］。WH－1井終孔后孔底溫度53.60℃，采用優(yōu)質(zhì)工藝對套管固井，從而保證了出水溫度達到良好的效果。在終孔電測工作完成以后，開始了后期的洗井工作，先用清水替清井內(nèi)泥漿，后采用焦磷酸鈉洗凈液分兩次浸泡含水段，并同時采用自制毛刷刷洗井壁，自制噴水器沖洗裸孔段砂巖井壁，清水替清拉活塞洗井，以降低裂隙段的堵塞程度，經(jīng)過物理方法和化學方法洗井，本井達到了理想的出水效果。

4.2 抽水試驗

洗井工作結(jié)束后，在開始試驗以前一直進行間斷性抽水，實驗前測的靜水位埋深為16.25 m，抽水實驗持續(xù)7天。抽水試驗成果見表1。

表1 抽水試驗成果

用揚程為150 m、上水量為80 m3h的潛水泵進行抽水試驗，水位測量采用萬能表、導線及重錘，水量測量利用三角堰箱，進行了3個落程的抽水試驗，并繪制Q=f(s)、q=f(s)曲線，如圖1、圖2所示。

圖1 抽水試驗Q=f(s)曲線 圖2 抽水試驗q=f(s)曲線

從圖1、圖2曲線上可以看出:涌水量較快穩(wěn)定的同時，動水位也較快穩(wěn)定，涌水量增大，動水位相應(yīng)增大，未發(fā)現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，充分說明該井出水能力較強，熱儲層含水層富水性較好;Q=f(s)、q=f (s)曲線屬于正常曲線，說明本次井流試驗是成功的;由抽水實驗結(jié)果來看，水溫隨著涌水量或氣溫的變化而不發(fā)生變化，說明水溫不受氣溫影響，在井流試驗過程中水溫損失所占比例較小。

5 水質(zhì)評價

本井在抽水試驗結(jié)束前，采集了全分析、微量元素分析等井水樣品2個，進行了水質(zhì)評價。WH－1井地下熱礦水中陽離子主要有Na+、K+、Ca+、Mg+，其中Na+含量為5.20 mg/L，其毫克當量百分數(shù)為4.0%;K+含量為0.90 mg/L，其毫克當量百分數(shù)為0.40%;Ca+含量為83.73 mg/L，其毫克當量百分數(shù)為73.60%;Mg+含量為15.16 mg/L，其毫克當量百分數(shù)為22.00%。

WH－1井地下熱礦水中陰離子主要有HCO3－、CO32－、Cl－、SO42－，其中 HCO3－含量為333.72 mg/L，其毫克當量百分數(shù)為95%;CO32－含量微小;Cl－含量為3.58 mg/L，其毫克當量百分數(shù)為1.70%;SO42－含量為9.03 mg/L，其毫克當量百分數(shù)為3.3%。

本井目的層地下熱水pH值為7.30，屬于弱堿性水，其中還含有許多對人體有益的礦物質(zhì)及微量元素，綜合本井地熱水的水溫水質(zhì)特點，可用于洗浴和生活用水。

6 結(jié)語

(1)本井所處地層為致密巖層，鉆孔口徑不受涌水量的限制，選擇采用中小口徑牙輪鉆頭鉆進。

(2)鉆進過程中鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量的選取要符合減少事故、高效鉆進的原則;鉆進至100 m以后時遇到漏失地層，采取了對泥漿進行降密度、提粘、提切并加入適量堵漏劑的方法堵漏，效果良好。

(3)開采熱儲層為二疊系－石炭系石灰?guī)r裂隙構(gòu)造較發(fā)育的地層，上覆蓋層為三疊系灰?guī)r、泥巖地層，熱儲水層厚度為468.8 m。

(4)建議使用揚程在80 m、上水量為100 m3h的深井潛水泵用于開采使用，下泵深度＞40 m。

［1］彭新明，張勇，趙立新.北京地區(qū)地熱井鉆探工藝發(fā)展［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2004，31(8):56－59.

［2］盧予北.水井工程技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.探礦工程，1999，(2): 38－41.

［3］曾鐵軍.深層地熱水井鉆探工藝［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2000，28(1):60－63.

［4］柯柏林，丁連靖，周艷富，等.地熱井洗井及增產(chǎn)工藝技術(shù)探討［J］.城市地質(zhì)，2008，3(1):5－10.

［5］盧予北.鄭州市超深層地熱資源科學鉆探工程［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，32(7):43－47.

Drilling and Completion Technology for WH－1 Ultra-deep Geothermal Well

DING Tong-ling，GAO He(No.1 Hydrogeology and Engineering Geology Team，Henan Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development，Zhengzhou Henan 453000，China)

According to the design requirements and geological characteristics，rotary drilling，mud pump positive cycle，cone bit，pressure by drill collar processes were adopted in the construction of Well WH－1.The formation structure and spatial distribution of aquifer within logging depth were got through geophysical logging.Good plugging effect was obtained by mud density reduction，viscosity enhancing，mud thickening and adding an appropriate amount of blocking agent.The pumping test shows the good water yield ability，good water abundance in geothermal reservoir aquifer and the water temperature is not affected by air temperature.The water temperature loss is small in the well flow test，which proves that the drilling and completion technologies are rational.The paper introduced the Well WH－1 about its drilling and completion technologies as well as pumping test results.

well drilling;casing program;plugging;pumping test;water quality assessment

TE249

A

1672－7428(2012)08－0023－03

2012－02－28;

2012－05－11

丁同領(lǐng)(1966－)，男(漢族)，河南商丘人，河南省地礦局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊副總工程師、高級工程師，鉆探專業(yè)，碩士，從事地熱鉆井技術(shù)工作，河南省鄭州市鄭花路86號，sgydtl@163.com。