邢向渠,王俊杰,楊翼飛,張宏哲,鄭嚴(yán)

(河南省地質(zhì)局生態(tài)環(huán)境地質(zhì)服務(wù)中心,鄭州 450053)

0 引言

洛陽(yáng)市某地?zé)峋O(shè)計(jì)深度2000 m,井位位于洛陽(yáng)市寧洛高速與S243省道交叉口西北角,地理位置優(yōu)越,交通便利,是洛陽(yáng)與伊川縣經(jīng)濟(jì)樞紐的連接地帶,項(xiàng)目建成后對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展有重要的提振作用。

該地?zé)峋?019年11月上旬開鉆,在鉆進(jìn)到1830 m時(shí)因牙輪鉆頭使用過(guò)度造成2個(gè)牙輪脫落,在打撈牙輪時(shí)操作不善,又造成打撈筒掉入鉆孔中,未能成功打撈。然后決定采用定向造斜偏離鉆孔事故段[1-2],事故處理及造斜用時(shí)較長(zhǎng),前后共計(jì)三個(gè)半月。造斜完成后繼續(xù)鉆進(jìn)至2001.34 m終孔,成井深度2000 m。

成井結(jié)束后,下泵抽水發(fā)現(xiàn)出水量較小,三開取水段含水量?jī)H為3.6 m3/h,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到合同要求,且與前期預(yù)測(cè)的出水量20 m3/h偏差較大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,距離該井北側(cè)2 km相鄰的同深度地?zé)峋鏊繛?7 m3/h,出口水溫95.0 ℃,兩者相比懸殊很大。經(jīng)對(duì)比分析,該地?zé)峋@穿的地層有構(gòu)造裂隙,但裂隙不發(fā)育(或者裂隙充填物較多),富水性較差。應(yīng)該采取充分的處理措施,通過(guò)水力壓裂技術(shù)打通鉆孔周圍的裂隙通道,采取酸化洗井配合空氣洗井以清除裂隙內(nèi)充填物對(duì)進(jìn)水通道的影響,彌補(bǔ)取水段較少、水量貧乏的不足,達(dá)到增大出水量、提高水溫的目的。

1 區(qū)域地層

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)特征、物探定井報(bào)告,結(jié)合該地?zé)峋膶?shí)際鉆井采集巖樣及巖心資料,該區(qū)區(qū)域地層如下:

第四系(Q)厚度約80 m,以亞黏土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土與(砂)卵石、泥質(zhì)卵礫石互層為主,質(zhì)地疏松。

新近系(N)埋藏于第四系之下,底板埋深240 m 左右。上部為厚層狀礫巖夾淺棕、棕紅色黏土巖、棕黃色泥質(zhì)粉砂巖,礫石成分復(fù)雜,分選差;中部為雜色砂礫巖互層,偶夾泥灰?guī)r;下部為雜色砂礫巖、灰白色含礫砂巖、粉細(xì)砂巖與雜色灰質(zhì)黏土巖、棕黃色黏土巖互層,底部雜色砂礫巖不整合于古近系或前古近系之上。

古近系(E)為各色黏土巖、砂質(zhì)黏土巖與棕黃、棕紅、灰白色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、含礫砂巖互層為主,具有上部粒度較細(xì),下部逐漸變粗的特點(diǎn),上部為淺湖相沉積,下部為河流湖泊相沉積,該層厚度約660 m,底板埋深900 m。

三疊系(T)為長(zhǎng)石石英砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、夾炭質(zhì)頁(yè)巖、油頁(yè)巖及多層煤線等,與下伏地層二疊系為整合接觸,厚度約20 m。

二疊—石炭系(P+C)為一套海陸交互相碎屑巖建造,主要巖性為砂巖、頁(yè)巖、黏土巖,是華北地區(qū)的主要含礦層位之一,主要產(chǎn)鋁土礦、鐵礦、煤礦,二疊與石炭系之間為整合接觸,與下伏寒武系呈平行不整合接觸。該層厚度約160 m,底板埋深為1380 m。

下古生界寒武系(∈)為灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、白云巖、頁(yè)巖,在該區(qū)僅有下部的朱砂洞組為隔水層—弱含水層,厚約110 m,底板埋深為1490～1520 m。

新元古界(Pt3)洛峪群,分崔莊組、三教塘組、洛峪口組,主要巖性為頁(yè)巖、砂巖、白云巖,在該處厚度約為240 m。

中元古界(Pt2)出露有汝陽(yáng)群、五佛山群。汝陽(yáng)群分布宜陽(yáng)以南,分云夢(mèng)山組、白草坪組、北大尖組(Pt2y-bd),主要巖性為砂巖、頁(yè)巖,底部含鐵礦,為一套淺海相碎屑巖沉積建造。在該處厚60～200 m,底板約1800～1830 m。

太古界(Pt1)出露有登封群(Ardf),分布于嵩山地區(qū),底部則延伸較遠(yuǎn)。主要巖性為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃(片)巖、變粒巖、片巖等,厚3503～4534 m。項(xiàng)目在終孔前取心鉆進(jìn)一次,巖樣送河南省巖礦測(cè)試中心進(jìn)行化驗(yàn),鑒定為綠泥石化斜長(zhǎng)片麻巖(變質(zhì)巖),具片麻狀構(gòu)造,鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),礦物成分主要是綠泥石、斜長(zhǎng)石,與該區(qū)區(qū)域地層對(duì)比分析,為太古界地層,歸為黑云斜長(zhǎng)片麻巖。

2 地?zé)徙@井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉆進(jìn)方法

2.1 鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(表1)

表1 洛陽(yáng)某地?zé)峋@孔結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 1 Borehole structure parameters of a geothermal well in Luoyang

注:一、二開均為水泥固井,三開為取水段。

2.2 鉆井設(shè)備

根據(jù)該類地?zé)徙@井的深度、鉆遇地層特點(diǎn)、工期及其他要求,選用TSJ-2600型地?zé)嵘罹@機(jī),選用Q3NB-500型石油鉆井用泥漿泵進(jìn)行常規(guī)正循環(huán)鉆進(jìn),配備RHP825E型英格索蘭電動(dòng)移動(dòng)式空壓機(jī)用于三開氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)。

2.3 鉆具組合

常規(guī)鉆進(jìn):牙輪鉆頭+直徑178 mm鉆鋌4根+直徑159 mm鉆鋌6根+直徑89 mm鉆桿+133 mm方鉆桿。

三開氣舉反循環(huán)鉆進(jìn):直徑152.4 mm牙輪鉆頭+直徑121 mm鉆鋌8根+直徑89 mm鉆桿+直徑114 mm雙壁鉆桿+133 mm雙壁方鉆桿。

2.4 鉆進(jìn)方法

一開、二開采用常規(guī)泥漿正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),在做好鉆井液性能的常態(tài)化維護(hù)的前提下,優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù),優(yōu)質(zhì)、低耗、高效地完成鉆井作業(yè)任務(wù)。

三開采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝[3-5],采用清水作為沖洗介質(zhì),上返流速快,能攜帶大顆粒巖屑,避免重復(fù)破碎,鉆進(jìn)效率高,地層適應(yīng)性強(qiáng),尤其是易坍塌、強(qiáng)漏失地層。巖屑在鉆具內(nèi)孔上返,不與孔壁接觸,孔內(nèi)干凈且不堵塞、不污染含水層,鉆頭、鉆具使用壽命長(zhǎng)。最重要的是巖屑顆粒大、上返速度快,能夠及時(shí)地反應(yīng)鉆進(jìn)地層情況,準(zhǔn)確、及時(shí)、直觀,一定程度上能達(dá)到連續(xù)取心的等同作用,這是其他鉆進(jìn)方法所不具有的特色優(yōu)勢(shì)。

3 牙輪鉆頭牙掌脫落及處理

當(dāng)鉆進(jìn)深度到1830 m時(shí),因單個(gè)回次鉆深達(dá)到120 m,按照以往進(jìn)度情況,需要起鉆更換鉆頭。該次起鉆后發(fā)現(xiàn)牙輪鉆頭只有一個(gè)牙輪,說(shuō)明有2個(gè)牙輪掉落孔內(nèi),為繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度,需要將孔內(nèi)的牙輪打撈上來(lái),再進(jìn)行后序工作。

采用直徑146 mm地質(zhì)管加工成特制打撈筒,內(nèi)壁底端焊接呈內(nèi)輻射狀鋼絲繩,作為封堵管內(nèi)異物的裝置,打撈筒底部及外壁鑲嵌大八角合金,用于掃孔。打撈筒上部焊接與直徑89 mm鉆桿直接連接的310接頭,由直徑89 mm鉆桿將打撈筒送到事故頭上部1 m左右,建立泥漿循環(huán)后回轉(zhuǎn)鉆具,并緩慢下放鉆具至事故頭,在滯留在孔底的2個(gè)牙輪順利進(jìn)入打撈筒后,打撈筒內(nèi)壁的鋼絲繩起到防止牙輪從筒內(nèi)脫落的作用。在處理事故過(guò)程中,因現(xiàn)場(chǎng)鉆壓儀操作不靈敏,打撈筒運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn),造成打撈筒上部與鉆桿短接部位焊縫開裂,打撈筒滯留孔底,造成孔內(nèi)情況復(fù)雜。

為了爭(zhēng)取時(shí)間以加快鉆探施工進(jìn)度,決定采取側(cè)鉆方法以避開事故頭,然后繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度。側(cè)鉆時(shí)采用彎度為1.25°的單彎螺桿(7LZ127×7.0-X1-SF)驅(qū)動(dòng)直徑152.4 mm鑲齒牙輪鉆頭進(jìn)行造斜[1-2]。先保持泥漿泵關(guān)閉狀態(tài),把鉆具反復(fù)自由下壓孔底幾次(下壓力200 kN),使螺桿鉆具達(dá)到原始的自然彎曲狀態(tài),然后下放鉆具至鉆頭接觸孔底。鎖定鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤,啟動(dòng)泥漿泵,螺桿在泥漿的高壓、大流量作用下開始工作[13],依靠彎螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鉆頭,保持鉆頭在近似零鉆壓狀態(tài)下空轉(zhuǎn)20～30 min 后,逐漸加壓至5 kN左右,控制鉆速緩慢鉆進(jìn)。為持續(xù)跟蹤鉆頭軌跡,在鉆進(jìn)過(guò)程中,每1 m采集返出的巖屑,持續(xù)觀察巖屑顏色、成分的變化,當(dāng)撈取的巖屑全部為新鮮巖屑時(shí),表明側(cè)鉆成功,見圖1。

圖1 側(cè)鉆采集的巖屑Fig.1 Cuttings collected by side drilling

4 地?zé)峋霎a(chǎn)技術(shù)措施

4.1 酸化洗井

酸化洗井[9][13]適用的地層是奧陶、寒武系灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、白云巖地層,二疊系、石炭系及其他地層中的碳質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖等氧化鈣含量偏高的巖層。該地?zé)峋饕槍?duì)頁(yè)巖、白云巖類地層進(jìn)行酸化處理,以洗開裂隙和微裂隙內(nèi)的泥質(zhì)、細(xì)顆粒巖屑充填物,打通裂隙類含水層的進(jìn)水通道。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,壓酸采用衡陽(yáng)中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的BW-320型高壓柱塞泵,替漿采用Q3NB-500型泥漿泵,酸采用濃硫酸。在泥漿循環(huán)管道上安裝一個(gè)三通高壓閥門,以便及時(shí)控制壓酸量和替漿量。

酸化洗井首先要合理控制硫酸壓入量,準(zhǔn)確計(jì)算替漿量;在向鉆孔內(nèi)壓入濃硫酸時(shí),應(yīng)確保整個(gè)壓酸過(guò)程的連續(xù)、替漿迅速及時(shí)。壓酸完成后應(yīng)盡快啟動(dòng)替漿泵壓入清水替漿,將鉆具內(nèi)的硫酸送到指定地層范圍內(nèi),確保鉆具內(nèi)無(wú)硫酸殘留。

在壓酸過(guò)程中,當(dāng)高壓柱塞泵因濃硫酸腐蝕泵件無(wú)法正常工作、柱塞泵出現(xiàn)故障或偶遇突發(fā)事件時(shí),必需立即停止壓酸。盡快關(guān)閉柱塞泵高壓端與主管線連接的閥門,并打開替漿泵進(jìn)行替漿,把鉆桿里的濃硫酸替換成清水。防止滯留在鉆具內(nèi)的濃硫酸與鉆具內(nèi)壁長(zhǎng)時(shí)間接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成大量H2,致使鉆具內(nèi)壓力劇增,造成鉆具內(nèi)外壓差過(guò)大而無(wú)法替漿,甚至發(fā)生鉆具爆裂事故。

4.2 兩次射孔作業(yè)

二開段采用直徑177.8 mm石油套管成井。測(cè)井結(jié)果顯示,950～1020 m段(44.8～46.0 ℃)、1100～1380 m段(46.6～50.3 ℃)均有較好的含水層,通過(guò)射孔作業(yè)可以打開這兩段的含水層,打通該井上部孔段的過(guò)水?dāng)嗝?以達(dá)到增產(chǎn)目的。

射孔技術(shù)是石油鉆井中的一項(xiàng)成井技術(shù)工藝,是將射孔裝置以專用設(shè)備送至井下預(yù)定深度,對(duì)準(zhǔn)目的層引爆射孔器,將套管及水泥層穿透,以此來(lái)形成目的層至套管內(nèi)的聯(lián)通孔道。該技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外石油鉆井工程中最常用的完井方法之一[9-13]。

地?zé)峋奶攸c(diǎn)是在含水層位置下入濾水管,形成管內(nèi)外的聯(lián)通孔道,作為進(jìn)水通道。將射孔技術(shù)引入到地?zé)峋┕ぶ?是通過(guò)射孔引爆器穿透套管形成管內(nèi)外的通道,打通未利用(或次要)含水層與套管內(nèi)連通的通道,以增加進(jìn)水通道[14]。地?zé)峋ㄟ^(guò)射孔作業(yè)可以彌補(bǔ)因?yàn)V水管下放位置不準(zhǔn)確導(dǎo)致主要含水層未被充分利用;還可以打通有良好富水性的含水層,以增加進(jìn)入井管內(nèi)的過(guò)流斷面的面積,讓該含水層的水通過(guò)新通道進(jìn)入井管,以達(dá)到增大出水量的目的。

該地?zé)峋氖状紊淇鬃鳂I(yè)在含水層有利孔段即1100～1380 m段展開。射孔位置在1160～1163 m、1168～1171 m、1180～1183 m、1245～1248 m、1306～1310 m、1371～1375 m,共20 m;二次射孔在950 m以下的965～969 m、980～984 m、997～1000 m、1007～1010 m、1016～1020 m,共18 m。射孔槍槍身外徑102 mm,射孔彈直徑12.7 mm,彈道直徑13 mm,孔道深度≥500 mm,射孔密度16孔/m,相位角90°,采用電纜輸送式射孔技術(shù)。每次射孔后,均進(jìn)行抽水試驗(yàn)檢驗(yàn)射孔效果。第二次射孔后出水量為10 m3/h,出口水溫39.5 ℃,與射孔前相比均有所提高。

4.3 分層壓裂技術(shù)措施

鉆進(jìn)過(guò)程中殘留在孔壁上有部分巖屑,鉆孔外圍的微型裂隙內(nèi)也有許多天然的破碎充填物,而此類裂隙面自身粗糙不平。壓裂時(shí),在高壓流體作用下,地層裂縫、微裂隙會(huì)擴(kuò)張延伸,巖屑及裂隙充填物會(huì)隨流體充填到新開裂的裂縫中,形成支撐作用。對(duì)于脆性巖石壓裂后形成的裂縫通常不會(huì)完全閉合,可形成具有一定導(dǎo)流能力的通道,甚至打通附近的熱儲(chǔ)裂隙,抽水時(shí)地?zé)崴畷?huì)通過(guò)連通的裂縫進(jìn)入井管內(nèi),達(dá)到增產(chǎn)的目的[6-9]。

使用清水或鹽酸作為壓裂液體。壓裂鉆具組合:壓裂用泵+地面高壓管匯+井內(nèi)鉆具+封隔器+壓裂工器具+封隔器。采用支撐式裸眼封隔器對(duì)壓裂層位上、下部進(jìn)行封隔。

采用車載專用壓裂設(shè)備,雙封隔器分段密封、分層壓裂。通過(guò)壓裂鉆具組合將壓裂器具下到需要壓裂的井段,用封隔器密封上下兩端。依靠下部鉆具支撐,上部鉆具自重加壓使得封隔器膠桶漲開并與孔壁緊密貼合,達(dá)到良好的密封效果。經(jīng)地表驗(yàn)證,當(dāng)施加30～40 kN壓力即可將封隔器壓開。水力壓裂工作完成后上提壓裂工具一段距離,作用在封隔器上的壓力釋放,膠桶回縮到初始狀態(tài),之后起鉆。

在分層壓裂之后進(jìn)行抽水試驗(yàn),出水量11.5 m3/h,出口水溫42 ℃,與壓裂之前相比有所提高。

5 效果分析

在成井工作完成后,用鉆桿代替泵管下入200QJR20-360/24型潛水泵進(jìn)行振蕩法大降深洗井,洗至水清砂凈后抽水試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)酸化洗井、兩次射孔、分層壓裂技術(shù)處理后,出水量依次逐漸增大,出口水溫逐漸提高,水量增產(chǎn)效果明顯,各階段抽水效果見表2。

表2 各階段抽水效果對(duì)比表

6 結(jié)語(yǔ)

該地?zé)峋谒峄淳?、兩次射孔和分層壓裂處理之后進(jìn)行了抽水試驗(yàn),出水量和出口水溫均有一定程度的提高,說(shuō)明該地?zé)峋脑霎a(chǎn)措施切實(shí)可行,效果明顯。具體表現(xiàn)如下:

(1)在該地?zé)峋秀@穿的寒武系灰?guī)r、新元古界頁(yè)巖、白云巖,中元古界頁(yè)巖地層,深度約為1460～1800 m,酸化處理應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)該段地層進(jìn)行洗井,實(shí)踐證明,出水量增大了1.4 m3/h;

(2)針對(duì)二開已下入直徑177.8 mm套管下部孔段的含水層位置,利用石油成井射孔技術(shù),重新建立井管內(nèi)外水力通道,擴(kuò)大了該地?zé)峋∷蔚倪^(guò)流斷面面積,出水量和出口水溫均有進(jìn)一步提高;

(3)在1460 m以下的古近系下部以下裸孔段,因地層變化大,局部構(gòu)造裂隙、微裂隙較多,將其作為壓裂的重點(diǎn)層位,壓裂壓力、流量視情況而定,當(dāng)泵壓壓降小于規(guī)定要求時(shí),停止壓裂,之后進(jìn)行抽水試驗(yàn),出水量增大到11.5 m3/h。

該項(xiàng)目前期對(duì)該區(qū)已開發(fā)地?zé)峋闆r、地?zé)岬刭|(zhì)條件進(jìn)行充分了解,并經(jīng)地?zé)嵛锾焦ぷ饕源_定井位。鉆探過(guò)程中為了盡可能的保護(hù)含水層,取水段采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)鉆進(jìn)成孔。成井后進(jìn)行抽水洗井,抽水試驗(yàn)顯示水量較小,先后采取酸化洗井、射孔、壓裂等增產(chǎn)措施,水量有所增大,但仍沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果,說(shuō)明該地?zé)峋畬?古近系下段細(xì)粒砂巖、含礫砂巖,新元古界砂巖、白云巖,中元古界砂巖等)富水性較差,而且取水段鉆孔沒(méi)有發(fā)育的裂隙、斷裂,進(jìn)水水力通道較少,為出水量總體偏小的主要原因。

通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施,以后在洛陽(yáng)地區(qū)開展地?zé)衢_發(fā)項(xiàng)目時(shí),應(yīng)對(duì)區(qū)域地質(zhì)進(jìn)行更詳細(xì)的了解,在物探工作完成后對(duì)取水段含水層的電性特征、富水性、巖性進(jìn)行研究,并展開充分的討論、評(píng)估,搞清地?zé)釤醿?chǔ)內(nèi)在機(jī)理,客觀理性地預(yù)測(cè)出水量、出水溫度等地?zé)岬刭|(zhì)參數(shù),按照項(xiàng)目要求做出判斷,避免地?zé)徙@探項(xiàng)目造成較大損失。