李奇龍

(貴州地質(zhì)工程勘察院，貴州貴陽550008)

貴州地熱鉆探施工技術實踐

李奇龍*

(貴州地質(zhì)工程勘察院，貴州貴陽550008)

根據(jù)現(xiàn)場鉆探施工實踐，介紹了地熱井鉆探施工中一整套鉆探施工技術，包括了井身設計、鉆井工藝、抽水試驗、事故預防與處理等內(nèi)容，重點介紹了鉆井工藝與事故處理。為以后貴州區(qū)域地熱井的鉆探施工提供了參考。

地熱開發(fā)；鉆井工藝；事故處理

自2006年第一口地熱井施工以來，我院已經(jīng)成功在貴州鉆探施工了8口地熱井。經(jīng)過7年的發(fā)展，我院的地熱鉆探施工技術已經(jīng)比較成熟，鉆井設備、設計、工藝、事故處理等方面都累積了豐富的經(jīng)驗。本文從地熱鉆探中涉及的各個方面進行技術經(jīng)驗的總結，為地熱開發(fā)利用提供技術支撐。

1　施工設備

地熱施工主要設備配套見表1。

表1　地熱鉆探主要設備

2　井身設計

井身設計必須以地質(zhì)設計為基礎，要有利于取全、取準地質(zhì)工程資料和滿足地熱開發(fā)為前提條件，綜合考慮鉆孔深度、地層特性、鉆進方法、成井結構以及施工設備的能力，符合“安全、合理、經(jīng)濟、實用”的設計原則。

2.1井身設計的方法

（1）確定井身結構尺寸通常按照從內(nèi)到外依次合理的級配進行設計。對于地熱開發(fā)井，首先根據(jù)合同要求的水量確定開采套管（有眼管）的尺寸，再確定上一級的生產(chǎn)套管的尺寸，最后確定表層套管及井眼的尺寸，同時要注意預留處理事故需要的空間。井身設計不宜過于復雜一般不超過三開，以便于施工操作。

（2）套管與井眼之間的間隙要合適，間隙過大不經(jīng)濟，過小則會導致下套管遇阻。一般我們選擇范圍在9.5～12.7mm之間。目前國內(nèi)外鉆頭與套管的尺寸已經(jīng)規(guī)范化，我們只需要根據(jù)井身設計選擇合理的搭配即可。

（3）鉆頭與套管之間的間隙也要合適。過大不經(jīng)濟，過小會造成下鉆困難后續(xù)鉆進損壞套管。推薦間隙范圍在5.0～11.0mm內(nèi)。

2.2貴州常用的井身結構

表2　貴州常用的井身結構

常用井身結構見表2，一開一般就20m左右，用來阻擋地表的松散粘土及引流泥漿到泥漿凈化系統(tǒng)，實際上只有三開。

3　鉆探施工工藝

3.1鉆頭的選擇與使用

3.1.1鉆頭的選擇

因為在地熱井施工中主要采用回轉(zhuǎn)鉆進的方法，一般選用三牙輪鉆頭。地熱井基本都是直井，因此選用不移軸的牙輪鉆頭類型；研磨性強的地層選用具有保徑齒的鑲齒牙輪鉆頭類型；牙輪鉆頭的可鉆性級別要與所鉆遇的巖石可鉆性保持一致；在軟硬交錯的復雜地層，應按照較硬的巖石來選擇牙輪鉆頭。

在貴州區(qū)域，一般在中硬巖層選用HJT537G型號的牙輪鉆頭，遇到堅硬巖層通常選用HJT637GG型號的牙輪鉆頭。

3.1.2鉆頭的使用

（1）新鉆頭入井前一定要檢查是否有損傷的痕跡，水眼是否通暢，水眼中塑料蓋是否取出，水眼安裝是否合理。

（2）舊鉆頭入井前一定要核實使用時間，不宜超過廠家推薦的使用時間。同時還需要檢查鉆頭的牙齒是否完好，軸承間隙是否過大，軸承潤滑油是否足夠，手動轉(zhuǎn)動牙輪是否松動或咬死。牙輪松動或互相咬死的鉆頭都不能再使用。

（3）新鉆頭在距離井底10～15m時，要先循環(huán)泥漿，再緩慢勻速下放到井底。鉆頭到底后，前30min逐步緩慢加壓，嚴禁加壓后才啟動轉(zhuǎn)盤。

（4）遇到跳鉆的地層，需要減小鉆壓勻速送鉆或換用其他非沖擊鉆頭類型。

3.2鉆進參數(shù)選擇

鉆進參數(shù)包括機械參數(shù)與水力參數(shù)，機械參數(shù)中有鉆壓、轉(zhuǎn)速等，水力參數(shù)中包括泵壓、排量等。

3.2.1鉆壓的選擇

在鉆井過程中，鉆頭牙齒在鉆壓的作用下吃入巖層，沖擊破碎和切削巖石，鉆壓的大小決定了吃入巖層的深度和巖石破碎的體積大小，因此鉆壓主要決定了機械鉆速的大小。鉆壓的大小主要由使用的鉆頭來確定，同時考慮地層特性、鉆柱強度、機械鉆速等因素。

目前我們使用?216mm牙輪鉆頭時，鉆壓在10～ 15t之間調(diào)節(jié)；使用?152mm牙輪鉆頭時，鉆壓在6～ 10t之間調(diào)節(jié)。

3.2.2轉(zhuǎn)速的選擇

轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)靈活性不是很大，因為鉆機的設定一般只有3個擋位調(diào)節(jié)，通常在30～80r/min之間調(diào)節(jié)。在軟和粘土地層我們可以選擇3擋，在中硬地層我們可以選擇2擋，在硬巖層我們可以選擇1擋。遇到實際問題，比如放鉆桿擺動、扭矩增大等我們可以合適調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速擋位。

3.2.3排量的選擇

排量決定了泥漿在孔內(nèi)的上返速度，而上返速度主要是泥漿攜砂能力的指標，所以選擇合適的排量也很重要。排量由泥漿泵所使用的缸套和沖數(shù)來決定。

一般情況下，我們只需要確定最小排量即可，施工中在最小排量基礎上根據(jù)實際攜砂效果調(diào)節(jié)排量。最小排量是指泥漿攜帶巖屑所需的最低排量，而攜帶巖屑的最低泥漿上返速度決定最小排量的大小。下面給出最小排量的經(jīng)驗公式：

式中；να——最低環(huán)空泥漿上返速度，m/s；

ρ——泥漿的密度，g/cm3；

dh——井徑，cm。

式中:dp——鉆具的直徑，cm。

在計算中，先根據(jù)公式（1）計算出να，然后代入公式（2）中就可以計算出最小排量?，F(xiàn)場的實際泥漿泵排量要求必須大于最小排量。

3.3泥漿

地熱鉆進中最常用的泥漿體系屬于水基低固相泥漿。主要由清水和膨潤土組成，包括纖維素、聚丙酰胺、腐殖酸鉀、潤滑劑、堵漏劑等添加劑。膨潤土要選用鈉基膨潤土，因為鈉基膨潤土的造漿率高，保證泥漿粘度的同時不會造成泥漿濃度偏高，從而減小泥餅厚度減少卡鉆的發(fā)生。

泥漿的參數(shù)中，一般要求粘度保持在25～32s之間。添加劑按地層特性添加，常用的纖維素和聚丙酰胺按照3%添加合適，可以絮凝巖屑增加泥漿的攜沙能力。泥漿比重控制在1.05～1.15g/cm3之間，泥漿比重不宜偏大。泥漿的含砂量控制在3%之內(nèi)，一定要重視控制含砂量，含砂量偏高鉆頭造成鉆頭重復破碎降低了機械鉆速。泥漿的失水量控制在18mL之內(nèi)，失水量偏高會在井壁形成較厚的泥餅，嚴重時會造成卡鉆事故。

4　下管與固井

4.1下套管注意事項

（1）下套管之前如果有過停工，必須帶鉆頭起下鉆一趟，保證能夠順利完成下套管工作。

（2）開工之前檢查浮鞋浮箍的密封效果是否完好，以保證后面的固井效果。

（3）下套管作業(yè)時注意控制下放速度，套管內(nèi)20s/根，裸眼井段控制在30s/根，平穩(wěn)操作防止過大的激動壓力壓漏地層。

（4）下套管過程中，每下完30根套管需灌漿一次，灌漿同時上下來回活動幾次套管，嚴禁長時間靜止，防止套管粘卡。

4.2固井

地熱井中的固井通過水泥的強度將套管與井壁之間進行封固，使井壁與套管之間不能出水竄水從而保證目的層的出水溫度與水質(zhì)質(zhì)量。

下完套管固井前必須一直保持循環(huán)泥漿,保證固井通道通暢。一般固井水泥選用普通的硅酸鹽水泥即可，如果井內(nèi)溫度達到60℃以上選用油井用水泥。通常要求水泥漿密度要求1.75g/m3以上，套管內(nèi)水泥塞高度不少于10m，候凝不少于24h。替漿完成后，碰壓檢測固井質(zhì)量，壓力15MPa在5min內(nèi)無明顯下降說明達到固井目的。

現(xiàn)場的干水泥用量一般利用水泥漿的密度來，水泥漿的用量應為套管和井壁之間環(huán)空容積與套管內(nèi)預留水泥塞高度的容積之和。

干水泥用量理論公式：

T=V×ρ干水泥（ρ水泥漿－ρ水）/（ρ干水泥－ρ水）

式中：ρ干水泥——干水泥密度，g/m3，一般取3.15；

ρ水泥漿——水泥漿密度，g/m3；

ρ水——水的密度，g/m3；

V——水泥漿體積，m3；

T——干水泥質(zhì)量，t。

5　抽水試驗

抽水試驗一般采用穩(wěn)定流抽水試驗，一般要求進行3次不同水位降深的抽水，以確定Q-s間的關系，要求各次降深的抽水連續(xù)進行；對于富水性較差的含水層或非開采含水層，可只做一次最大降深的抽水試驗。最大出水量，可根據(jù)同一含水層中已有水井的出水量推測，或根據(jù)含水層的經(jīng)驗滲透系數(shù)值和設計水位降深值估算，也可根據(jù)洗井時的水量來確定。抽水開始后的第5、10、15、20、25、30min各測1次，以后每隔30min或60min測1次。穩(wěn)定延續(xù)時間必須從抽水孔的水位和流量均達到穩(wěn)定后計算起。根據(jù)相關規(guī)范：卵石、圓礫和粗砂含水層8h；中砂、細砂和粉砂含水層16h；基巖含水層為24h。

6　鉆井事故預防及處理

6.1鉆井事故預防

（1）鉆井液維護處理要嚴格按設計要求加足處理劑，以保證井眼暢通，井壁穩(wěn)定和井下安全。

（2）深井段起鉆前一定要維護處理好鉆井液性能，并充分循環(huán)干凈后再起鉆。起鉆時必須及時灌滿鉆井液。

（3）起鉆遇阻時，應立即接方鉆桿循環(huán)、活動、倒劃眼。必要時可配一定量高粘切的稠漿打入井內(nèi)攜砂洗井，不得大噸位強提硬拔。

（4）下鉆距井底前3～5個單根，必須接方鉆桿循環(huán)劃眼到底，不得強行將鉆具硬下入沉砂、水泥混漿或小井眼中。

（5）因生產(chǎn)水供不上導致泥漿量不足時，不得存在僥幸心理，湊合維持鉆進，應立即果斷起鉆。

（6）因某種原因需暫時停鉆，要開泵循環(huán)，勤活動鉆具，靜止時間不得超過3min?；顒鱼@具時幅度要大，方法要得當，并不能在一個位置長時間循環(huán)鉆井液。若井下不正常,應果斷起鉆。

（7）因設備突發(fā)性故障需停鉆修理，應根據(jù)實際情況，將鉆具起至安全井段或全部起出。若無法起鉆，應盡量設法活動鉆具或開泵循環(huán)；實在無法循環(huán)活動時，應將鉆具懸重壓在井底。

6.2鉆井事故處理

鉆井事故處理最常見的有卡鉆處理，落物打撈。

6.2.1卡鉆處理

卡鉆事故中最常見的是粘吸卡鉆。粘吸卡鉆的主要原因是井壁上存在粘滯系數(shù)大的泥餅，且井內(nèi)液柱壓力與地層壓力之間存在正壓差，一旦停止循環(huán)，不活動鉆具，則一部分鉆具貼到井壁上與泥餅接觸，靜止一段時間后就會造成卡鉆。其特征是機械鉆速逐漸降低，轉(zhuǎn)盤扭矩逐漸增大；泵壓有所上升；上提鉆頭有阻力；起鉆時，阻力隨著井陘不同變化；起鉆時，井口環(huán)形空間的液面下降，或下降很慢，或隨鉆具的上起而外溢。

粘吸卡鉆的處理一般分為以下幾個步驟：

（1）加大井內(nèi)沖洗液的循環(huán)排量，同時大幅度活動鉆具。一旦發(fā)生卡鉆事故，一定要保證泥漿循環(huán)的通道通暢。如果是泥漿的原因造成粘吸卡鉆，可以采用清水將井內(nèi)泥漿進行置換。同時適當?shù)纳舷禄顒鱼@具，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，嚴禁大噸位強提硬拔。

（2）卡點位置的計算?？c公式為：

H=K×L/P，K=21F=0.164934（D2-d2）

式中：H——卡點深度，m；

L——鉆桿連續(xù)提升平均伸長，cm；

P——鉆桿連續(xù)提升時平均拉力，t；

K——計算系數(shù),無因次；

D、d——管柱外、內(nèi)徑，mm。

根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，一般卡點多發(fā)生在井內(nèi)的粗徑部分，比如較粗的鉆鋌位置。

（3）如果換用清水活動鉆具還不能解卡，可以采用置換泥漿使用專門解卡液。我們做過試驗，分別用柴油、堿液、稀鹽酸、清水和泥漿浸泡井內(nèi)取出的泥餅，發(fā)現(xiàn)稀鹽酸的效果最好。后面幾次的解卡實踐也證明了稀鹽酸的稀釋泥餅效果很好。具體施工中，將合適用量的稀鹽酸用清水頂替到卡點位置，浸泡時間一般12h以上，一般都能實現(xiàn)解卡。

6.2.2落物打撈

常見的落物打撈工具有公錐、母錐和可退式卡瓦打撈筒。在實踐中我們發(fā)現(xiàn)可退式卡瓦打撈筒比公錐母錐都好用打撈效果更好一些。因為公錐母錐需要造扣而往往造扣比較困難技術上也不好操作；如果魚頭不規(guī)整，還需要下入磨鐵鉆頭修整魚頭；下部鉆具如果重量很大容易脫落。而可退式卡瓦打撈筒不存在這些缺點，所以重點介紹可退式卡瓦打撈筒的原理與操作。

可退式卡瓦打撈筒是從落魚外徑抓撈落魚的打撈工具。它可以打撈鉆鋌、鉆桿、油管、接頭、接箍和其它井用管子。該系列工具功能完備，有密封結構，抓住落魚后能進行泥漿循環(huán)。若抓住的落魚被卡也,能很容易退出來。還帶有銑鞋，能有效地修理魚頂裂口、飛邊，便于落魚順利進入撈筒。如果需要增大網(wǎng)撈面積可連接加大引鞋，魚頂偏倚井壁時可使用壁鉤，抓撈部位距魚頂太遠可增接加長節(jié)。

首先，根據(jù)落魚尺寸選用適當撈筒，配相應尺寸的一種卡瓦和盤根等。視井身變化和井徑選定引鞋或加大引鞋，亦或壁鉤，確定落魚的抓撈部位是否需要連接加長節(jié)；卡瓦公稱打撈內(nèi)徑一般應小于魚頂打撈部位外徑1～3mm；根據(jù)實際情況，當需要增大網(wǎng)撈面積時，可選擇使用加大引鞋；當魚頂偏倚井壁時，可選擇使用壁勾；當打撈部位距魚頂較遠時，可選擇使用加長節(jié)。

下面是可退式卡瓦打撈筒的打撈操作過程：

（1）下鉆前計算好碰頂方入、銑鞋方入和打撈方入。

（2）將撈筒連接在撈柱上，大鉗不得夾卡在筒體上，以免損壞筒體，緊扣扭矩與撈柱相等。

（3）把可退式打撈筒下到距魚頂0.3～0.5m位置，開泵循環(huán)，沖洗魚頂周圍的沉積物。

（4）停泵，順時針間斷轉(zhuǎn)動并緩慢下放鉆具，試探魚頂。

（5）根據(jù)打撈方入及打撈鉆具懸重變化，判斷卡瓦已進入魚頂打撈部位后，停止轉(zhuǎn)動并施加3～5t的鉆壓，使落魚進入卡瓦。

（6）緩慢上提鉆具，根據(jù)懸重變化判斷是否撈獲。未撈獲時，可重復上述步驟。

（7）將落魚提離井底0.5～0.8m，猛剎車2～3次，證明落魚卡牢即可正常起鉆。

（8）在魚頂方入找不到魚頂時，如打撈鉆具長度校對無誤，可在可退式打撈筒上帶加大引鞋或壁鉤，亦可加肘節(jié)或彎鉆桿再撈。

（9）井內(nèi)如需要退出落魚，下放鉆柱，順時針方向旋轉(zhuǎn)鉆柱并慢慢上提，直到可退式打撈筒退出落魚為止。無法退出時，推薦用地面震擊器，用5～10t震擊力多次震擊。

（10）撈上落魚后，起鉆拆卸立柱時不能用轉(zhuǎn)盤卸扣。

（11）當落魚起出井口后不應在井口釋放，更不能在井口壓松可退式打撈筒,有可能時可在鉆臺上壓松落魚。

（12）從落魚上退出打撈筒，先卡住落魚，用鏈鉗卡住打撈筒，順時針轉(zhuǎn)動即可。

[1]陳平，等.鉆井與完井工程[M].石油工業(yè)出版社,2005.

[2]周開吉,郝俊芳.鉆井工程設計[M].石油大學出版社,1996.

[3]湯鳳林，等.巖心鉆探學[M].中國地質(zhì)大學出版社,1997.

[4] 烏效鳴，等.鉆井液與巖土工程漿液[M].中國地質(zhì)大學出版社,2002.

[5]王新純.鉆井施工工藝技術[M].石油工業(yè)出版社,2005.

[6]沈忠厚.油井設計基礎和計算[M].石油工業(yè)出版社,1988.

[7]許劉萬,任曉龍,王艷麗.我國地熱資源開發(fā)利用與鉆進技術[J].探礦工程(巖土鉆掘工程).

[8]朱家玲，等.地熱能開發(fā)與應用技術[M].化學工業(yè)出版社, 2006.

P634

B

1004-5716(2016)11-0024-04

2016-01-07

2016-01-07

李奇龍（1986-），男（漢族），四川巴中人，工程師，現(xiàn)從事地熱井、地下水、巖芯鉆探、煤層氣鉆探施工及管理工作。