張杰豐，陳岳，王紹民，張德龍，郭強(qiáng)，楊鵬

(1.河北省煤田地質(zhì)局第四地質(zhì)隊(duì),河北宣化 075100；2.北京探礦工程研究所,北京 100083)

0 引言

隨著2022年冬季奧運(yùn)會(huì)的成功申辦，張家口市崇禮區(qū)迎來跨越式發(fā)展。到2020年，奧運(yùn)村、崇禮區(qū)、主要風(fēng)景區(qū)和周邊農(nóng)村將作為可再生能源示范區(qū)全部采用可再生能源。在崇禮旅游區(qū)氣、電價(jià)格昂貴且供熱管道修建困難的情況下，地?zé)豳Y源作為清潔能源以價(jià)格低廉和應(yīng)用便捷等優(yōu)點(diǎn)得到空前需求，為崇禮區(qū)冬奧會(huì)場館及周邊地區(qū)的地?zé)豳Y源開發(fā)利用起到巨大的推動(dòng)作用。

以冬奧會(huì)為契機(jī)，通過實(shí)施張家口地區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)，ZK01-2井獲取地?zé)豳Y源和與地?zé)嵯嚓P(guān)的地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地溫變化、熱儲(chǔ)特征、地?zé)崃黧w化學(xué)特征，取得代表性計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行地?zé)豳Y源計(jì)算與評(píng)價(jià)，服務(wù)于冬奧會(huì)場館及周邊地?zé)豳Y源的開發(fā)利用[1-3]。

1 ZK01-2井概況

ZK01-2井是部署在河北省張家口市崇禮區(qū)太子城北三道溝村南的一口地?zé)峥碧骄?，井型為直井，目的層為中太古界崇禮群片麻巖斷裂破碎帶，設(shè)計(jì)井深1500.00 m。2020年7月15日開鉆，2020年11月11日鉆達(dá)井深1504.88 m，按設(shè)計(jì)完鉆。該井未鉆穿燕山早期花崗巖地層，鉆探過程中未見崇禮群片麻巖，表明片麻巖熱儲(chǔ)層埋深超出預(yù)測(cè)深度。該井最大井斜4.7°，位于1330 m處，測(cè)井顯示孔底溫度29.17 ℃，抽水最高井口溫度22 ℃。抽水1次，施工過程中共取心19回次，取心進(jìn)尺41.67 m，巖心長35.73 m，巖心收獲率85.75%，撈取巖屑472包。ZK01-2井設(shè)計(jì)和實(shí)鉆地層如表1所示，井身結(jié)構(gòu)及套管程序如圖1和表2所示[1]。

表1 ZK01-2井設(shè)計(jì)與實(shí)鉆地層

表2 完鉆井身結(jié)構(gòu)及套管程序

圖1 ZK01-2完井井身結(jié)構(gòu)

2 鉆孔設(shè)計(jì)及質(zhì)量要求

ZK01-2井參照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615-2010)、《鉆井井身質(zhì)量控制規(guī)范SY/T 5088-2017》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。井口移動(dòng)范圍100 m，全井段最大井斜≤5°，全角變化率≤4°/30 m，井底水平位移≤50 m[2-3]。

鉆孔根據(jù)鉆探深度和目的合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)，各開次深度視鉆井具體情況確定，變徑區(qū)域的套管重疊段要有足夠強(qiáng)度。鉆孔主要質(zhì)量要求包括：①全井井身質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，泵室段保持垂直；②井眼軌跡平滑，井內(nèi)干凈、無落物；③依據(jù)鉆遇巖層合理確定鉆探工藝技術(shù)，有效優(yōu)化鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，縮短鉆井周期；④鉆進(jìn)過程中，每100～150 m測(cè)一次井斜，易傾斜井段要加密測(cè)量點(diǎn)數(shù)，及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)、鉆具組合與施工措施等，防止井斜超標(biāo)。

3 主要鉆探設(shè)備及鉆具

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、方便性和有效性等因素，根據(jù)最大鉆具和套管重量，考慮附帶一定的安全系數(shù)，選用GZ-2600鉆機(jī)。

GZ-2600鉆機(jī)為轉(zhuǎn)盤式機(jī)械傳動(dòng)鉆機(jī)，最大鉆深1800 m(127 mm鉆桿)，最大鉆柱質(zhì)量57 t，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速43 r/min、63 r/min、93 r/min、156 r/min，轉(zhuǎn)盤最大輸出扭矩是30 kN·m、22 kN·m、16 kN·m、9 kN·m，最大鉤載1050 kN。配備兩臺(tái)Y280M-4型電動(dòng)機(jī)，備用一臺(tái)12V135型柴油機(jī)。配備一臺(tái)3NB-1300型泥漿泵，全套三級(jí)固控設(shè)備，可以滿足不同鉆進(jìn)過程中泵量和泵壓的需求。

4 鉆井工藝

本井為地?zé)峥碧骄?，缺少深部地層?shí)鉆資料，鉆探過程中鉆遇不可預(yù)見性因素較多，鉆井施工中一定要重視安全生產(chǎn)。根據(jù)以往地質(zhì)資料及相鄰井鉆井?dāng)?shù)據(jù)，ZK01-2井實(shí)施正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，二開采用螺桿+液動(dòng)沖擊器鉆進(jìn)，在鉆遇地層漏失嚴(yán)重且?guī)r屑無法排除時(shí)，根據(jù)實(shí)鉆情況采用清水“頂漏鉆進(jìn)”及按照要求取心鉆進(jìn)、提速鉆進(jìn)等鉆進(jìn)工藝施工，保證工程質(zhì)量[4-5]。

4.1 導(dǎo)管段井段(0～18.00 m)

導(dǎo)管段為第四系地層，以亞砂土和砂礫巖為主。本井段采用直徑444.5 mm三牙輪鉆頭鉆進(jìn)鉆穿第四系風(fēng)化段進(jìn)入完整基巖2 m，下入直徑339.7 mm表層導(dǎo)向護(hù)壁套管，進(jìn)行水泥固井，隔離地表疏松層及風(fēng)化層。

4.2 一開井段(18.00～489.42 m)

一開鉆遇地層是燕山早期二長花崗巖，主要成分為斜長石、鉀長石及少量的石英和云母，巖石硬度高、可鉆性差，機(jī)械鉆效低。采用直徑311.2 mm三牙輪鉆頭配合塔式鐘擺鉆具組合進(jìn)行鉆進(jìn)，同時(shí)進(jìn)行各項(xiàng)錄井，鉆進(jìn)至489.42 m后進(jìn)行測(cè)井作業(yè)和固井作業(yè)，下入J55鋼級(jí)244.5 mm×8.94 mm套管，下入深度488.64 m。一開采取巖屑樣236包，通過測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析，井斜角1°～1.5°，最大井斜所在深度為243.00 m，最大井斜所在方位為316.8°，平均井徑325.4 mm，井徑擴(kuò)大率4.8%～12.4%，施工過程滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4.3 二開井段(489.42～1504.88 m)

二開采用直徑215.9 mm三牙輪鉆頭和PDC取心鉆頭及其配套鉆具鉆進(jìn)，同時(shí)進(jìn)行各項(xiàng)錄井工作及階段性取心作業(yè)，鉆進(jìn)至1504.88 m完鉆，并進(jìn)行二開綜合測(cè)井、超聲成像測(cè)井及綜合抽水試驗(yàn)。二開鉆遇地層相對(duì)穩(wěn)定，為二長花崗巖，完鉆后井底取心，巖性仍為二長花崗巖。二開總進(jìn)尺1015.46 m，采取巖屑236包，通過終孔測(cè)井資料分析，二開平均井徑擴(kuò)大率為10.9%，最大井斜(4.7°)位于1330 m處，方位為130.5°，最大水平位移為47 m，位于井底，井底東西位移為東偏42.5 m，井底南北位移為南偏-20.1 m，井底閉合方位為115.3°，井底溫度29.17 ℃，全部施工過程滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4.4 取心鉆進(jìn)

根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)要求，ZK01-2井取心時(shí)嚴(yán)格測(cè)量和選配取心工具，鉆進(jìn)中送鉆平穩(wěn)，不停泵、不停鉆，根據(jù)鉆壓、泵壓和扭矩變化準(zhǔn)確判斷巖性層位。除第四系地層外，全井定深取心，每鉆進(jìn)100 m至少取心一個(gè)回次，巖心長度不少于4 m，地層發(fā)生變化時(shí)應(yīng)及時(shí)取心，同一地層至少取心3筒(地層頂部、中部、底部各取1筒)，一般地層完整巖心采取率平均不少于80%，風(fēng)化或破碎基巖巖心采取率平均不少于50%，巖心直徑不小于70 mm，取心率達(dá)不到要求時(shí)增加取心鉆進(jìn)回次直至滿足取心長度要求。采用提鉆取心鉆進(jìn)工藝進(jìn)行取心作業(yè)，共取心19回次，取心進(jìn)尺41.67 m，巖心長度35.73 m，平均巖心采取率85.75%[6]。圖2為所取巖心，取心情況統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 ZK01-2井取心情況統(tǒng)計(jì)表

圖2 ZK01-2井巖心(井深1308.83～1312.60 m)

5 鉆具組合及鉆井參數(shù)

ZK01-2采用滿眼式鉆具組合和塔式鉆具組合結(jié)構(gòu)，可有效地緩解鉆具應(yīng)力集中，增加鉆具回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，防止井斜。

導(dǎo)管段鉆具組合：直徑444.5 mm三牙輪鉆頭+直徑203.2 mm 鉆鋌+直徑127 mm鉆桿。

一開鉆具組合：①直徑311.2 mm三牙輪鉆頭+直徑203 mm鉆鋌+直徑178 mm鉆鋌+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿，②直徑311.2 mm三牙輪鉆頭+7LZ203*7Y TH-6螺桿+直徑203 mm鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+直徑177.8 mm鉆鋌+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿，一開取心鉆具組合：直徑215.9 mm PDC取心鉆頭+川8-3取心工具+直徑178 mm鉆鋌+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿。

二開鉆具組合：①直徑215.9 mm三牙輪鉆頭+直徑178 mm鉆鋌+直徑159 mm鉆鋌+直徑127 mm 鉆桿+方鉆桿，②直徑215.9 mm三牙輪鉆頭+7LZ172*7Y TH-6螺桿+直徑178 mm鉆鋌+411*4A10轉(zhuǎn)換接頭+直徑159 mm鉆鋌+NC46/NC50+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿，③直徑215.9mm三牙輪鉆頭+直徑172mm射流沖擊器+直徑178mm鉆鋌+NC50/NC46+Φ159 mm鉆鋌+NC46/NC50+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿，④直徑215.9 mm KS1652PDC鉆頭+儲(chǔ)能提速器+直徑178 mm鉆鋌+NC50/NC46+直徑159 mm鉆鋌+NC46/NC50+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿；二開取心鉆具組合：直徑215.9 mm PDC取心鉆頭+川8-3取心工具+直徑178 mm鉆鋌+直徑159 mm鉆鋌+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿。

根據(jù)地層巖性特征，全井鉆進(jìn)過程中鉆頭選型及鉆進(jìn)參數(shù)見表4。

表4 全面鉆進(jìn)參數(shù)一覽表

6 鉆井液

根據(jù)本井地層巖性特點(diǎn)及保護(hù)取水段含水層不受損壞，采用低密度、低濾失的優(yōu)質(zhì)聚合物低固相鉆井液體系鉆進(jìn)。

6.1 表套段鉆井液

因該井段鉆遇地層為第四系亞砂土和砂礫層，成巖性差，且易垮塌，故此段鉆井液主要以攜帶巖屑、穩(wěn)定井壁為主。采用預(yù)水化膨潤土鉆井液，開鉆前按配方配制新漿45 m3，新漿要充分預(yù)水化，性能調(diào)整到設(shè)計(jì)要求方可開鉆，必須保持鉆井液較高的黏度。鉆穿第四系后大排量沖孔，保持井底干凈，確保表套順利下入。

6.2 一開、二開段鉆井液

一開、二開鉆遇地層均是燕山早期二長花崗巖地層，采用將采用低密度、低濾失優(yōu)質(zhì)聚合物低固相鉆井液體系鉆進(jìn)，鉆井液的黏度維持在30～50 s、密度1.05～1.10 g/cm3，確保井壁相對(duì)完整，鉆井液主要參數(shù)見表5。

表5 鉆井液參數(shù)

7 主要施工技術(shù)

7.1 清水“頂漏鉆進(jìn)”

2020年10月2日15:00二開鉆進(jìn)至井深973.25 m(鉆具組合是：215.9 mm三牙輪鉆頭0.25 m+172 mm螺桿7.39 m+178 mm鉆鋌44.74 m+411/4A10接頭0.28+159 mm鉆鋌93.01 m+4A11/410接頭0.32+127mm鉆桿852.91 m)。層位是燕山早期，巖性是二長花崗巖?？偝伢w積45 m3下降至30 m3，現(xiàn)場判斷為滲漏(鉆井液密度1.08 g/cm3，黏度27 s，濾失量9 mL，pH=8)，邊鉆進(jìn)邊加強(qiáng)坐崗觀察。于19:00鉆進(jìn)至井深980.00 m，經(jīng)當(dāng)班坐崗人員測(cè)量共漏失鉆井液35 m3，鉆井液為返出井口，遂停止鉆進(jìn)起鉆，21:30起鉆鉆至導(dǎo)管內(nèi)，次日01:00靜止觀察無漏失并配置堵漏鉆井液30 m3。2020年10月3日11:30調(diào)整鉆具組合(215.9 mm三牙輪鉆頭0.25 m+430/410接頭0.6 m+178 mm鉆鋌44.74 m+411/4A10接頭0.28+159 mm鉆鋌74.52 m+4A11/410接頭0.32+127 mm鉆桿470.61 m)，再次配置堵漏鉆井液15 m3，開鉆后泥漿未返出地面堵漏失敗，開始清水頂漏鉆進(jìn)[7]。

7.2 多種聯(lián)合鉆井工藝

666.1～685.1 m直井段應(yīng)用儲(chǔ)能沖擊器一套(鉆具組合是：215.9 mm KS1652PDC鉆頭0.35 m+儲(chǔ)能提速器1.05 m+178 mm鉆鋌44.74 m+NC50/NC46接頭0.28 m+159 mm鉆鋌74.52 m+NC46/NC50接頭0.32 m+127 mm鉆桿546.70 m)，進(jìn)尺19.00 m，工具入井工作時(shí)間37.50 h，其中純鉆時(shí)間14.00 h，平均機(jī)械鉆速1.36 m/h，同比提高36%，初期低鉆壓、低鉆速參數(shù)下鉆速1.50 m/h，突破了金剛石鉆頭花崗巖使用禁區(qū)，為同類地層鉆井提速提供了一種可選技術(shù)手段。

821.67～905.17 m直井段應(yīng)用172 mm液動(dòng)沖擊器一套[8](鉆具組合：215.9 mm三牙輪鉆頭0.25 m+沖擊器2.66 m+178 mm鉆鋌44.74 m+NC50/NC46接頭0.28 m+159 mm鉆鋌93.01 m+NC46/NC50接頭0.32 m+127 mm鉆桿690.38 m)，進(jìn)尺83.50 m，工具入井工作時(shí)間93.14 h，其中純鉆時(shí)間77.90 h，循環(huán)時(shí)間12.24 h，劃眼時(shí)間3.00 h，平均機(jī)械鉆速1.1 m/h，同比上部井段(758.68～819.67 m，平均機(jī)械鉆速0.82 m/h)提高30.7%，單只鉆頭進(jìn)尺同比增加36.9%，整個(gè)鉆進(jìn)過程地層未發(fā)生改變，井壁無坍塌掉塊等復(fù)雜事故發(fā)生，起鉆后井口測(cè)試沖擊器正常工作。

8 鉆井效率分析

通過施工統(tǒng)計(jì)，0～1504.88 m施工總時(shí)間為2889.26 h，純鉆時(shí)間為1654.59 h，占總作業(yè)時(shí)間的57.27%；測(cè)井時(shí)間為76.50 h，占總作業(yè)時(shí)間的2.65%；下管及固井107.83 h，占總作業(yè)時(shí)間的3.73%；抽水試驗(yàn)時(shí)間91.00 h，占總作業(yè)時(shí)間的3.15%；輔助時(shí)間(事故處理、設(shè)備修理、停工等)為959.34h，占總作業(yè)時(shí)間的33.20%[9]。

9 結(jié)論及建議

9.1 結(jié)論

(1)查明了1500 m以淺地層層序及巖性，鉆探過程中未鉆穿燕山早期花崗巖地層，未見中太古界崇禮群片麻巖，表明片中太古界崇禮群片麻巖儲(chǔ)層埋深超出預(yù)測(cè)深度，該地?zé)峥碧娇椎貙訋r性及層序?yàn)榻窈蟊镜貐^(qū)的施工提供了基本的參考資料。

(2)針對(duì)不同地層配置、調(diào)整相應(yīng)性能的鉆井液，防止崩塌、縮徑等情況的發(fā)生。

(3)鉆遇易縮徑地層時(shí)，及時(shí)短暫提鉆，提至無縮徑或輕微縮徑的地層后再下鉆掃孔，預(yù)防地層嚴(yán)重縮徑造成起鉆困難。

(4)鉆遇地層裂隙較發(fā)育時(shí)，易遇水崩解掉塊且地層可鉆性極差，鉆頭磨損嚴(yán)重，進(jìn)尺緩慢。通過調(diào)整鉆井液性能，平衡地層壓力，防止掉塊，調(diào)整鉆井液黏度、加大鉆鋌重量等方法提高鉆進(jìn)效率。

(5)一開二開鉆進(jìn)時(shí)，使用低密度、低固相鉆井液，保證鉆井液體系對(duì)鉆井生產(chǎn)需求前提下，極大程度地降低對(duì)含水層污染，提高鉆進(jìn)效率。

(6)地層裂隙較發(fā)育段973.25 m出現(xiàn)嚴(yán)重漏失現(xiàn)象，清水鉆進(jìn)，巖屑不上返，應(yīng)及時(shí)觀察鉆進(jìn)情況，遇憋鉆或憋泵等復(fù)雜情況，立即停止鉆進(jìn)。

9.2 建議

(1)導(dǎo)管段為第四系，以亞砂土和砂礫巖為主，鉆井施工須注意防漏和防塌。

(2)施工地層為致密性二長花崗巖，研磨性強(qiáng)、可鉆性差、施工工期較長，應(yīng)根據(jù)鉆遇地層實(shí)際情況，采用具有針對(duì)性的提速工具。

(3)二開裸眼井段長，其巖心是二長花崗巖，上部地層較為完整，重點(diǎn)是通過優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)提高機(jī)械鉆速。在鉆進(jìn)過程中，要禁止大幅度調(diào)整泥漿性能，這樣很容易引起井下復(fù)雜情況。下部地層破碎，且裂隙裂縫發(fā)育，重點(diǎn)做好防塌、防漏、防止卡鉆等工作。

(4)破碎地層取心鉆進(jìn)過程中，容易出現(xiàn)取心筒堵塞，應(yīng)對(duì)常規(guī)大口徑取心筒內(nèi)壁進(jìn)行材質(zhì)優(yōu)化，提高取心效率。