伍曉龍，杜垚森，王慶曉

（中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000）

1 概況

為緊密結合京津冀一體化經(jīng)濟社會發(fā)展需求，以緩解大氣污染現(xiàn)狀、實現(xiàn)節(jié)能減排為目標，面向宏觀決策與工程應用需求，為京津冀地區(qū)冬季供暖提供清潔能源支撐，中國地質調查局在冀中坳陷地區(qū)開展了深部碳酸鹽巖熱儲調查評價，探測該區(qū)域深部碳酸鹽巖熱儲層的結構特征，查明地熱流體的水熱循環(huán)條件，明確深部地熱成因機制；開展深部碳酸鹽巖熱儲改造與地熱資源開發(fā)利用相關技術研究，實現(xiàn)深部碳酸鹽巖熱儲資源量的分層評價，形成沉積盆地區(qū)深部碳酸鹽熱儲勘查開發(fā)技術支撐體系，為冀中坳陷區(qū)深部碳酸鹽巖熱儲地熱資源開發(fā)利用提供示范，助力實現(xiàn)我國北方地區(qū)冬季清潔供暖規(guī)劃目標。

JZ04 井是中國地質科學院勘探技術研究所承擔的地調項目“冀中坳陷深部碳酸鹽巖熱儲調查評價”在冀中坳陷區(qū)域中部施工的一口地熱勘探井。該井位于河北省保定市博野縣城東北部，設計井深4000 m，直井，目的層為薊縣系霧迷山組。主要鉆井目的為揭穿高陽低凸起中南部新生界地層，揭露中－新元古界碳酸鹽巖地層，獲取深部熱儲層厚度、溫度、巖性、滲透性、出水量等參數(shù)，為深部地熱資源評價工作提供基礎資料，為查明博野潛山區(qū)碳酸鹽巖地層分布情況及高陽－博野斷裂空間展布，結合安國、蠡縣等地區(qū)的碳酸鹽巖地熱井數(shù)據(jù)，研究高陽低凸起中南部碳酸鹽巖儲層分布特征，提供實鉆數(shù)據(jù)。

2 鉆遇地層預測

JZ04 井工作區(qū)位于冀中坳陷中部，處于高陽低凸起上，高陽低凸起西靠保定坳陷，北接牛駝鎮(zhèn)凸起，東鄰蠡縣斜坡，東南面深澤低凸起、深縣凹陷、無極藁城低凸起接壤，是保定凹陷和蠡縣斜坡之間的北北東向條形低凸起，凸起基底構造走向北北東，傾向西北，由元古宇、古生界地層組成。

本井綜合區(qū)域資料與周邊地區(qū)鉆井錄井巖屑及物探測井資料，根據(jù)博野縣境內(nèi)揭露碳酸鹽巖地層深鉆鉆遇地層情況，結合區(qū)域物探成果，推測出JZ04 井鉆遇地層（自上而下）見表1。

表1 JZ04 井鉆遇地層預測Table 1 Predicted formation at Well JZ04

3 鉆井工程設計

3.1 井身結構設計

根據(jù)本項目地質設計中地層分層及分組段巖性簡述，結合周邊臨井資料，JZ04 井設計［1-4］為三開結構（見圖1），為了確保施工順利鉆至目的層，完成施工任務，防止因井內(nèi)事故或者其他地層因素導致施工困難，又設計了備用的四開井身結構（見圖2）。

圖1 JZ04 井井身結構Fig.1 Drilling structure of Well JZ04

圖2 JZ04 井備用井身結構Fig.2 Backup structure of Well JZ04

井身結構設計說明：

開孔段采用?660 mm 刮刀鉆頭鉆進50～80 m，下入?508 mm 表層套管，采用水泥固井，固井水泥上返至井口，主要用來封隔第四系表層粘土層，建立井口，確保井壁穩(wěn)定。

一開鉆透第四系、新近系地層，進入古近系沙河街組，約1400 m。采用?444.5 mm 鉆頭鉆至井深約1400 m（進入沙河街組），下?339.7 mm 套管，封隔表層松軟、易垮塌地層，滿足下入水泵、保護地表水及井控裝置安裝的要求。

二開鉆透古近系地層，鉆進至孔店組底部，約鉆進1700 m。采用?311.2 mm 鉆頭鉆至井深約3100 m（進入孔店組），下?244.5 mm 套管，封隔孔店組及以上地層。

三開鉆入薊縣系霧迷山組，約900 m，采用? 215.9 mm 鉆頭鉆至井深4000 m，下?177.8 mm 濾水管或裸眼完井，保證出水量。

預留四開?152.4 mm 口徑，應對施工中不可預見的問題。

3.2 鉆井設備選擇

本井設計鉆深4000 m，依據(jù)鉆機負荷的選擇原則、井控配套等的要求，同時考慮到井深的不確定性，選擇的鉆機設備負荷能力及配置能夠滿足5000 m 鉆井的需要，施工選擇鉆深能力為ZJ50 型石油鉆機［5］。鉆機底座高度7 m，完全滿足安裝井控設備的需求。配套2 臺3NB-F1600 型泥漿泵，其排量和固控系統(tǒng)最大處理量完全可滿足深孔排渣和對鉆井液凈化、維護鉆井液性能的需求。設備配置見表2。

表2 ZJ50 鉆機及其主要設備配置Table 2 ZJ50 drilling rig and main complete equipment

3.3 鉆具組合設計

本井涉及全面鉆進和取心鉆進2 種方式，鉆具組合為全面鉆進鉆具組合和取心鉆進鉆具組合，其中如果三開或四開地層穩(wěn)定，孔壁漏失嚴重可以采用氣舉反循環(huán)鉆具，組合方式見表3。

表3 鉆具組合Table 3 Drilling stem

3.4 鉆井液設計

根據(jù)地熱井鉆井特點和JZ04 井預測鉆遇地層情況和鉆井要求，本著有利于環(huán)境保護、有利于地質資料錄取、保證安全快速鉆井、利于儲層保護的原則，選擇合理的鉆井液，保證鉆井液具有良好的防塌、防漏、抗高溫、潤滑性和儲層保護特性等性能［6］。本井蓋層可根據(jù)地層情況采用不同密度、粘度、失水率的鉆井液作為沖洗液，鉆遇熱儲層后宜采用清水或無固相稀鉆井液作為沖洗液?？紤]熱儲層保護要求，在保證孔壁穩(wěn)定的前提下，采用近平衡鉆進，以防堵塞和污染熱儲層［7］。

開孔段由于地層松軟成巖性差，采用普通高坂含鉆井液，鉆井液主要配方：6%～8%鈉膨潤土＋0.2%～0.3%Na2CO3（土 量）＋0.1%～0.2%HVCMC。鉆井液性能參數(shù)：密度1.1～1.25 g/cm3，粘度30～50 s，失水量8～10 mL/30 min（上部地層成巖性差，疏松，含有砂巖，泥質膠結差）?？捎行Х乐挂蚋采w層粘土層井壁穩(wěn)定性差，造成井壁漏失、坍塌等。

一開井段井眼直徑和鉆深較大，主要以粘土、泥砂巖為主，采用坂土漿轉聚合物防塌鉆井液，鉆井液主要配方：4%～6%膨潤土漿＋0.2%～0.3%Na2CO3＋0.1%～0.2% NaOH ＋0.2%～0.3% HV-CMC ＋0.2%～0.3%KPAM＋NaOH＋防塌劑＋重晶石粉。鉆井液性能參數(shù)：密度1.1～1.15 g/cm3，粘度35～45 s，失水量6～10 mL/30 min。可以使鉆井液具有足夠的懸浮、攜巖和護壁能力，有效抑制中下部地層泥巖的水化分散，防止鉆頭泥包和井壁坍塌。

二開井段采用聚合物防塌鉆井液，鉆井液主要配方：一開漿稀釋后＋0.5%～0.8%NH4HPAN＋0.3%～0.4%＋KPAM＋0.3%～0.5% 降濾失劑＋防塌劑（一般使用瀝青）＋0.1%～0.2%NaOH＋重晶石粉。鉆井液性能參數(shù)：密度1.06～1.15 g/cm3，粘度35～65 s，失水量6～8 mL/30 min。使鉆井液可以控制鉆屑分散，有較高的攜巖能力和抑制性，另外根據(jù)地層變化和地層實鉆情況及時調整鉆井液性能。

三開或四開在井壁穩(wěn)定的情況下，使用清水鉆進。如井壁不穩(wěn)，改用泥漿正循環(huán)施工，溫度＞80 ℃時，常規(guī)聚合物抗溫能力有限，此時可采用聚磺鉆井液。鉆井液主要配方：基漿＋0.05%～0.08%KPAM＋0.5%～0.8%NH4HPAN＋2%～3%陽離子乳化瀝青（或磺化瀝青）＋1%～3%SMC＋1%～3%SMP-1＋0.5%～1%SMT＋1%～3%潤滑劑。鉆井液性能參數(shù)：密度1.02～1.1 g/cm3，粘度30～45 s，失水量不做特殊要求。保證鉆井液在高溫條件下性能穩(wěn)定，增強鉆井液的封堵能力和抑制性，提高鉆井液的封堵、潤滑能力，確保井壁的穩(wěn)定［8-9］。

3.5 固井設計

本井固井主要目的是為了封隔易坍塌、易漏失的復雜地層，鞏固所鉆過的井眼，保證鉆井順暢，提供安裝井口裝置的基礎，封隔非必須的油、氣、水層等。

根據(jù)鉆孔井身結構設計情況，一開設計井深1000 m，考慮地熱井特點，采用P.O42.5 或P.S.A42.5 水泥體系，固井方式為內(nèi)管柱法固井，水泥返高至地面；二開設計鉆井長度2100 m，下入懸掛套管，采用G 級水泥漿體系，考慮鉆井長度較大及固井設備能力和地層可承壓情況，采用“穿鞋帶帽”方式固井，即懸掛套管底部向上固井約700 m，頂部往下固井約500 m，這樣可以減小固井水泥對地層的壓力，防止壓漏地層，降低固井成本。若鉆遇復雜情況，改為四開結構，三開套管根據(jù)鉆井情況，下入懸掛套管后，采用G 級水泥漿體系，使用尾管固井法，水泥返高至懸掛套管頂部。每一開次固井完成后水泥凝固48～72 h，進行下一開次鉆井［10］。

3.6 井控設計

根據(jù)地質設計提示，本井需配置一套壓力為35 MPa 的井口壓力控制裝置，確保出現(xiàn)意外情況時可實現(xiàn)關閉井口、放噴等功能以避免風險。井控設備配置標準：井口雙閘板液壓防噴器、鉆井四通、套管頭、節(jié)流-壓井管匯、遠程遙控及蓄能器裝置。鉆井井口裝置、井控管匯的配套與安裝應符合行業(yè)標準《鉆井井控裝置組合配套、安裝調試與維護》（SY/T 5964－2006）的規(guī)定要求［11-14］。

3.7 儲層保護措施

3.7.1鉆井液固相控制

根據(jù)地質設計要求，三開井段若井壁穩(wěn)定，盡量采用清水鉆進，若地層漏失嚴重或者井壁穩(wěn)定性差，未使用清水鉆進，鉆井液體系中需嚴格加強固相控制，利用四級固控充分清除劣質固相，防止其進入熱儲層通道造成固相污染。在鉆至目的層霧迷山組后，采用低固相鉆井液，嚴格控制鉆井液性能，防止污染水層。確保后續(xù)抽水試驗數(shù)據(jù)的準確性。

3.7.2操作要求

（1）開泵和起下鉆要平穩(wěn)操作，避免因壓力“激動”導致井漏、井塌、卡鉆或抽吸誘噴等復雜事故而造成熱儲層損害。

（2）鉆井液密度執(zhí)行設計下限，實鉆過程中根據(jù)現(xiàn)場實際情況和錄井壓力監(jiān)測調整。

（3）嚴格控制濾失量，防止鉆井液濾液進入熱儲層，造成熱儲層污染。

（4）進入目的層前，重泥漿和加重材料儲備按地熱井控制要求執(zhí)行，使用酸溶性加重材料。

（5）嚴格坐崗制度，防止因漏失鉆井液及巖屑污染水層。

（6）儲層段禁止使用重晶石、瀝青類、磺化類等會造成儲層堵塞的材料。

4 施工難點和保障措施

（1）鉆井區(qū)域地質條件復雜，導致井身質量控制困難。施工過程中應當密切注意地層變化情況，及時調整鉆井參數(shù)和鉆井液性能，確保井壁穩(wěn)定，施工安全［15］。

（2）該區(qū)地熱資源較豐富，井底溫度高，鉆井液、水泥漿性能維護難度大。根據(jù)地層和鄰井資料顯示，推斷本井井底溫度最高可達到150 ℃以上，高溫下鉆井液和水泥漿的性能會變差，因此，應選用抗高溫的鉆井液和水泥漿，并制定合理的維護處理措施，以保證鉆井液和水泥漿性能穩(wěn)定。

（3）井漏可能性大。根據(jù)附近鄰井資料顯示，該井在進入霧迷山組時會發(fā)生井漏危險，鉆井過程中必須密切注意液位變化，及時調整鉆井液隨鉆堵漏性能，確保施工安全［16］。

（4）井涌可能性大。鄰井資料顯示，該區(qū)域地熱井完井后為自流井，應注意防范發(fā)生溢流、井涌、井噴等有關工程情況，隨時做好關井準備，確保施工安全。

（5）固井難度大，固井質量難以保證。本井一開、二開鉆井深度大，口徑大，套管與井壁環(huán)狀間隙大，對固井泵壓要求高，但泵壓過高容易壓漏地層，施工時根據(jù)實際情況，固井前選擇合適的固井方式。

（6）施工風險大。根據(jù)現(xiàn)有資料，在高陽低凸起石油勘探過程中，曾鉆獲工業(yè)油氣，為了防患于未然，要求鉆井過程中密切監(jiān)測天然氣，同時施工單位做好鉆遇可燃氣體預案。

5 工程實施情況

本井施工過程中基本按照該設計進行，施工過程較順利，目前，已圓滿完成整個鉆井工作，采用三開結構完鉆，實際完鉆井深4016.25 m。其中一開采用?444.5 mm 鉆頭，完成鉆進井段0～1018.62 m，300 m 最大井斜為0.78°，該井段最大井斜為1.78°，完鉆井斜1.58°，平均井徑為480 mm，平均井徑擴大率為8%；二開采用?311.1 mm 鉆頭，完成鉆進井段1018.62～3152.56 m，最大井斜為2.06°，平均井徑為323.92 mm，平均井徑擴大率為4.1%。三開采用? 216 mm 鉆頭，完成鉆進井段3152.56～4016.25 m，最大井斜5.9°，完鉆井斜2.4°，平均井徑為226.15 mm，平均井徑擴大率為4.7%。整個鉆井周期歷時133 d，平均鉆效達1.26 m/h，各開次井徑擴大率均小于10%，最大井斜均小于6°，一開、二開采用“穿鞋帶帽”方式固井，固井質量合格，各完井參數(shù)均符合設計要求。

6 結論及建議

（1）本設計主要基于鉆孔地質設計、鄰井資料和相關物探資料，能夠對施工提供指導方向，符合地熱井設計要求。

（2）本井設計井深4000 m，地層資料準確性欠佳，采用三開結構完鉆，施工難度大。

（3）本井設計井深較大，施工過程通過及時調整鉆具組合，控制井斜，確保了順利鉆達目的層。

（4）一開、二開裸眼段較長，鉆井液體系選擇合理，井壁穩(wěn)定性保護較好，防止了鉆井事故發(fā)生，確保套管順利下入。

（5）實鉆表明，鉆井工程設計對施工具有直接指導作用，在編寫設計時，需要盡可能查找相關地質資料，為工程提供地質依據(jù)，合理地選用鉆井設備和鉆井參數(shù)，完善施工應急預案，是保證施工成功的關鍵。