張耀輝

(甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖734000)

1 工程概況

為開發(fā)利用地熱資源，甘肅有色工程勘察設計研究院在敦煌市城區(qū)伊塘湖地區(qū)開鑿地熱井一眼。委托我院完成該項目鉆探施工及成井工作。

工區(qū)位于敦煌市區(qū)敦煌賓館院內(nèi)，海拔約1100 m。深居內(nèi)陸，屬典型的大陸性干旱氣候，多年平均降雨量為39.9 mm，多年平均蒸發(fā)量為2452.17 mm，多年平均氣溫9.4℃。冰凍期11月～3月，最大凍土深度144 mm。

2 施工設備

投入施工的設備為:TSJ－1000B型鉆機，TBW－850/5A型泥漿泵，AS27/70t型鉆塔，以及相關附屬工機具。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)

如圖1所示，設計確定0～250 m為泵室段，此段井徑為346 mm，下入273 mm石油套管并固井;250～1000 m為主要含水層段，此段井徑250 mm，下入177.8 mm×8.05 m石油套管，其中250～700 m(或640 m)估計水溫比較低(預計13℃左右)，確定預計止水位置為700～640 m，依施工時取樣決定。700(或640)～1000 m為確定的熱水層井段。此段按照物探測井結(jié)果排列花管下入井內(nèi)。

按照設計鉆孔結(jié)構(gòu)，我們根據(jù)施工需要，在滿足設計要求的前提下，制定了圖2所示的施工順序鉆孔結(jié)構(gòu)圖［2］。

圖2 止水成井示意圖

第三階段為測井、下管、固井工作，測井是為合理排列花管作準備工作。

4 下管及固井

4.1 下管

4.1.1 下管前的工作

現(xiàn)場下管時，必須按照物探測井結(jié)果和水文地質(zhì)員根據(jù)巖心編錄兩者結(jié)合給出的下管數(shù)據(jù)，對所下入的井管進行排序，并量出長度，認真記錄。計算所下管的質(zhì)量，進行強度核算，確定設備提升能力是否滿足;在套管上焊接內(nèi)外止水盤;安裝遇水膨脹橡膠環(huán);安裝固井凡爾;正反絲接手等，作好下管的準備工作，采用吊卡提吊法下管。防止下管混亂，出現(xiàn)止水位置及花管位置出錯，造成不必要的損失。

4.1.2 換漿

下管前，對原孔內(nèi)使用的鉆進泥漿用稀泥漿進行頂替換漿，保證粘度達到22～25 s，密度為1.06～1.07 g/cm3。

4.2 固井

4.2.1 固井水泥及壓水量計算［3］

(1)孔徑346 mm，井深298 m井段固井水泥及壓水量計算

環(huán)空體積V:

式中:V環(huán)——一開鉆進后下管后形成的環(huán)狀間隙體積，m3;k——超徑系數(shù)，取值1.05;D——一開鉆頭直徑，m;d——一開鉆進孔段下入的套管外徑，m;h——一開固井段套管長度，m。

查鉆井手冊［1］知:100 kg水泥(干粉)配密度為1.8 g/cm3的水泥漿，用水量為53.1 kg，水泥漿體積為85.6 L，即0.0856 m3。水灰比為0.531。

則固井水泥:

式中:V水泥——一開井段固井水泥漿水泥用量，kg。

攪拌水泥用水為:

式中:V水——一開井段固井水泥漿攪拌水泥用水量，kg。

壓水量計算:

式中:V壓水——一開井段固井結(jié)束時的壓水量，m3;V管內(nèi)——一開井段固井結(jié)束時壓水在下入套管內(nèi)的量，m3;V地面管線——一開井段固井結(jié)束時壓水在地面管線內(nèi)的量，經(jīng)計算為1 m3;D——一開固井段下入套管的內(nèi)徑，m;h——一開固井段套管長度，m。

(2)孔徑250 mm，孔深298～640 m井段固井水泥及壓水量計算

環(huán)空體積:

式中:V環(huán)——二開固井段環(huán)狀間隙體積，m3;k——二開井段超徑系數(shù)，取值為1.05;D——二開固井段鉆頭直徑，m;d——二開固井段套管外徑，m;h——二開固井段套管長度，m。

查鉆井手冊［1］知:100 kg水泥(干粉)配密度為1.8 g/cm3的水泥漿，用水量為53.1 kg，水泥漿體積為85.6 L，即0.0856 m3。水灰比為0.531。

則固井水泥:

式中:V水泥——二開井段固井水泥漿水泥用量，kg。

拌水泥用水為:

式中:V水——二開井段固井水泥漿攪拌水泥用水量，kg。

壓水量計算:

式中:V壓水——二開井段固井結(jié)束時的壓水量，m3;V管內(nèi)——二開井段固井結(jié)束時壓水在下入套管內(nèi)的量，m3;V地面管線——二開井段固井結(jié)束時壓水在地面管線內(nèi)的量，經(jīng)計算為1 m3;D——二開固井段下入套管的內(nèi)徑，m;h——二開固井段套管長度，m。

4.2.2 固井現(xiàn)場操作

4.2.2.1 打前置液

打前置液的目的是進一步稀釋和分散鉆井泥漿，防止鉆井泥漿絮凝和膠凝，有效沖洗井壁及套管外壁上的泥漿和疏松泥餅，為水泥漿和它們間的膠結(jié)創(chuàng)造條件，因此，當井管下入并落實后，開泵送入稀泥漿，待稀泥漿循環(huán)正常后，打入前置液，其為2%～3%的氫氧化鈉堿水溶液，打入量為2 m3左右，對346 mm井徑形成約21 m厚的隔離帶，對250 mm井徑形成約41 m厚的隔離帶。

4.2.2.2 灌水泥漿

前置液打完后，按照前述計算好的數(shù)量壓入水泥漿，在壓水泥的過程中，要隨時對攪拌好的水泥漿取樣，監(jiān)測漿液密度，保證泵送入到井內(nèi)環(huán)的水泥漿的水灰比及水泥量符合設計要求，為保證灌注質(zhì)量，實際泵入的水泥漿比計算多3 m3左右，是保證漿頭漿尾的稀釋，這部分不參與凝固，漿頭要泵出凝固段外，漿尾不泵入凝固段。

4.2.2.3 壓水

水泥漿壓完后，馬上進行壓水，壓水量比計算量少壓1 m3是保證漿尾稀釋部分不被壓入凝固段。壓水完成后，用轉(zhuǎn)盤反開正反絲接手，提出孔內(nèi)下井管時下入的鉆桿。固井注漿完畢。

5 遇水膨脹橡膠圈的使用

考慮到水泥在井中是沉淀性凝固的特點，用水泥固井有可能在套管搭接處，產(chǎn)生空洞現(xiàn)象，也就是說沒有凝結(jié)的水泥漿，易產(chǎn)生冷水直接從搭接處進入井管內(nèi)，造成熱水溫度降低，因此，我們使用了遇水膨脹橡膠圈(見圖3)。其規(guī)格為238 mm×179 mm×30 mm(外徑×內(nèi)徑×厚度)，該遇水膨脹橡膠圈的特點是:浸入水中自動膨脹，無味無毒，耐高溫，無水自動復原，膨脹系數(shù)在遇水4 d之后能增大300倍，將其套在套管上放在搭接處(見圖4)，在它膨脹前，我們可以完成下管、灌水泥漿、掃磨灌漿托盤等需要做的一切工作，然后等它膨脹封水。

圖3 遇水膨脹橡膠圈

圖4 套在套管上的遇水膨脹橡膠圈

6 注漿凡爾(浮箍)的使用

兩次固井都用注漿凡爾(浮箍)，其規(guī)格與所下套管相配，為石油系統(tǒng)固井定型產(chǎn)品［5］，固井所用泵為BW850型泥漿泵。在346 mm孔徑中注漿比較簡單，注漿凡爾(浮箍)連接在井口就可以直接注漿了。在250 mm孔徑中注漿相對就要復雜，必須將注漿凡爾(浮箍)連接在孔深639 m處(因確定的止水位置640 m)。外止水盤位置為641 m，內(nèi)止水盤位置為640.5 m，外止水盤低于注漿凡爾(浮箍)2 m。是考慮到出漿管口盡可能離外止水盤遠一點，在此空間中有沉淀的稠泥漿封隔水泥漿，防止水泥漿在注漿時下竄注入不需要注入的含水地段，同時在下完管后，有意識地停工12 h，讓泥漿顆粒充分沉淀，確保泥漿沉淀后的封堵效果。保證選定的止水位置不因工藝的問題而改變或受影響。

7 洗井

由于需要洗井的井段在640～1000 m處(熱水段)，下入的濾水管為177.8 mm×8.05 m，其內(nèi)徑為161.7 mm，下管過程中，正反接手、浮箍、內(nèi)止水盤等處的影響，其最小直徑為155 mm，所以，下管前通過在鉆桿上制造的鋼絲刷，對該段井壁泥皮進行了破壞，并通過稀泥漿攜帶到井口外，為下管后的洗井工作打下了基礎;下管后，通過自制的鉆桿射流器，向井管噴射清水和8‰～10‰焦磷酸鈉水溶液，鉆桿射流器的制作是在1 m長的短鉆桿上，間隔20 mm，呈梅花形鉆5 mm孔眼共673個，其面積為鉆桿內(nèi)徑的1/3，在泵量為850 L/min、泵壓為0.5 MPa下，流速達11 m/s。在焦磷酸鈉噴入后靜止24 h達到浸泡的目的。浸泡時間足夠后，用鉆桿活塞通過升降系統(tǒng)提升和下降，制造井內(nèi)抽吸和壓力“激動”，達到洗井的目的，活塞直徑為145 mm，相距1.5 m兩個點安裝，活塞抽拉2天后，泵送粘度20 s左右的稀泥漿循環(huán)，將井內(nèi)通過洗井洗出的細砂和泥皮排出井外，直到循環(huán)到呈混水，沒有明顯的細砂和泥皮，下泵試抽，起初抽出的水為混水，約6 h后水質(zhì)明顯變清，繼續(xù)抽約24 h，達到水清砂盡，開始抽水試驗確定水量及水位。抽水試驗結(jié)果表明，靜止水位埋深27.41 m，單井出水量53.676 m3/h，水溫38℃。

8 結(jié)語

(1)通過引入新型材料遇水膨脹橡膠，解決了套管搭接處的止水問題，并在640 m變徑處也可以使用膨脹橡膠止水，代替了海帶等傳統(tǒng)的止水材料，止水效果可靠，簡便。

(2)用鉆進泥漿泵固井永久止水，改變了以往石油系統(tǒng)專用固井設備固井的作法，作為止水是滿足要求的，節(jié)省了費用，降低了成本。在水泥用量和固井部位相同的情況下，請專業(yè)固井隊固井一次，費用約8萬元左右。用自己的鉆進設備泥漿泵和攪拌機，固井一次只是占用了一個班的施工時間而已，止水效果完全可以滿足要求。

(3)鉆進過程中，使用了扶正器，并在換徑處使用扶正和導向，控制了井斜，下管很順利。其井斜在開孔和換徑50 m后重點進行了監(jiān)測，符合要求，鉆進至設計井深后，STX－1型陀螺測斜儀測斜結(jié)果見表1。

表1 DR3井斜測斜結(jié)果

［1］黃衛(wèi)東，付帆，胡繼良，等.多功能復合劑在伊墉湖礦區(qū)ZK11－1孔的應用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5).

［2］劉文新，張長茂，鮑洪智，等.YR－3井井身結(jié)構(gòu)設計及固井技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(6).

［3］宋濤，陳志海，張樹寶，等.唐山曹妃島大酒店縮徑軟層地熱深井設計與施工［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(7).

［4］丁同領，高翯.武漢－1超深地熱井鉆井成井工藝［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(8).

［5］趙金洲，張桂林.鉆井技術(shù)手冊(第二版)［M］.北京:中國石化出版社，2011.