潘莊凸起奧陶系地熱井施工風險分析

王繼革，陳瑞軍，易志東，武佩良

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津300250）

1 引言

潘莊凸起基巖熱儲層開發(fā)利用，以薊縣系霧迷山組熱儲為主，其次為奧陶系熱儲。截至2008年底，潘莊凸起薊縣系霧迷山組和奧陶系熱儲地熱井已近30眼，主要分布在該凸起的東部沿滄東斷裂一線及西南部。近幾年來隨著城市建設的飛速發(fā)展，對地熱資源需求的不斷提高，薊縣系霧迷山組熱儲已處于超負荷開采狀態(tài)，所以近兩年來逐漸加強了奧陶系熱儲的開發(fā)與利用。奧陶系熱儲層主要分布在潘莊凸起西南部。自2008年3月至2012年7月，在潘莊凸起西南部先后開鑿了8眼以奧陶系為目的層的地熱井，這8眼地熱井在施工過程中有6眼在鉆穿奧陶系頂部古風化殼時出現(xiàn)鉆井液嚴重漏失，巖屑不上返；僅有1眼井鉆遇奧陶系漏失量相對較小；還有一眼地熱井，由于漏失嚴重發(fā)生了塌井埋鉆事故，導致井眼報廢，造成上百萬元經(jīng)濟損失。可見，潘莊凸起奧陶系地熱井施工潛在很大風險。以往對造成奧陶系地熱井發(fā)生埋鉆事故的原因常歸咎為鉆遇斷層或斷裂帶，筆者認為這固然是造成該類事故的重要原因，但由于潘莊凸起所處構(gòu)造位置，奧陶系碳酸鹽巖沉積后遭受較強巖溶作用，頂部風化殼巖溶溶洞十分發(fā)育，所以，當鉆井施工鉆進風化殼時極易出現(xiàn)鉆井液嚴重漏失，發(fā)生埋鉆事故。天津大港油田一些專家、學者從油氣儲層角度對天津市南部地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖巖溶作用作了較為詳細研究[1]，其中研究程度較高地區(qū)在大港千米橋[2]。天津地熱開發(fā)設計院陳瑞軍、趙蘇民等在“天津市區(qū)附近奧陶系地熱流體形成條件和研究利用報告(2008)”中對天津市區(qū)海河斷裂以南奧陶系巖溶發(fā)育類型作了較詳細研究，而海河斷裂以北奧陶系熱儲層巖溶的研究相對較少。本文以鉆井、錄井等資料為基礎，研究了潘莊凸起奧陶系古風化殼巖溶發(fā)育特征，揭示了潘莊凸起奧陶系地熱井施工風險，以期為今后該區(qū)域地熱井施工設計提供有益的參考。

2 區(qū)域地質(zhì)背景與巖溶地質(zhì)條件

潘莊凸起位于滄縣隆起北段，東側(cè)以滄東斷裂與北塘凹陷相連，西側(cè)以天津斷裂和大成凸起相鄰，南端以海河斷裂與雙窯凸起相接（圖1）。潘莊凸起基巖地層主要是中、上元古界和下古生界，蓋層為新近系的館陶組和明化鎮(zhèn)組。奧陶系分布在本區(qū)西南部，其它地區(qū)缺失[3]。

早奧陶世本區(qū)為海相淺水臺地碳酸鹽巖沉積環(huán)境，沉積了以微晶灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r，微晶白云巖為主的碳酸鹽巖地層，沉積厚度500 m左右。中奧陶世峰峰期后，發(fā)生海退，直到中生代進入板內(nèi)裂谷發(fā)育期，形成凹陷并在其中沉積了中生界。在新近紀，地質(zhì)構(gòu)造演化進入裂谷拗陷期，開始接受新近系沉積，期間經(jīng)歷了長達300～410 Ma的風化剝蝕。在奧陶系與上覆中生界、新近系之間形成區(qū)域不整合面，不整合面以上沉積了河流相陸源碎屑巖。由于經(jīng)歷了長期沉積間斷，經(jīng)暴露、淋濾和風化剝蝕，使得奧陶系上部碳酸鹽巖發(fā)生了較強的巖溶作用，在潘莊凸起西南部形成了“潛山型”古風化殼巖溶[4]。

圖1 潘莊凸起基巖地質(zhì)圖Fig.1 Bedrock geologic map of Panzhuang uplift

3 潘莊凸起奧陶系古風化殼巖溶特征

3.1 潘莊凸起奧陶系古風化殼巖溶發(fā)育期次

風化殼巖溶又稱不整合面巖溶，它是指可溶性巖層在出露地表的表生風化環(huán)境中，水對可溶性巖層的淋濾改造過程中所發(fā)生的巖石溶蝕[5]。渤海灣盆地被第三系覆蓋的下古生界-中上元古界巖溶，以華北任丘、大港千米橋最為著名[6]。古巖溶的形成期次通常采用不整合面法、洞穴碎屑充填物礦物成分及古生物法（如孢粉和脊椎動物）劃分。潘莊凸起經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動改造，使得奧陶系碳酸鹽巖受到了多期風化、剝蝕，造成了多期的沉積間斷面，其中對鉆井施工有重要影響的不整合面有兩個，分別為奧陶系頂不整合面及亮甲山與馬家溝組之間不整合面。依據(jù)古構(gòu)造運動和沉積環(huán)境的變化，將潘莊凸起古風化殼巖溶形成和演化過程分為3個期次。

（1）亮甲山-馬家溝期

隱晶質(zhì)褐鐵礦呈膠狀，形成豆粒、球粒，產(chǎn)于碳酸鹽巖溶蝕孔洞中，這種球粒狀褐鐵礦為風化殼成因，處于潛水面之上的淋溶帶內(nèi)，為鐵的氧化物（鏡鐵礦、赤鐵礦等）水解作用后再發(fā)生膠體沉積而成，它一般分布于風化殼之下50 m以內(nèi)，根據(jù)它的分布可以確定當時古風化殼潛水面深度。天津地熱勘查開發(fā)設計院陳瑞軍、趙蘇民等人對潘莊凸起WR94孔巖屑鑒定分析結(jié)果表明：在奧陶系頂部及亮甲山組與馬家溝組之間分別存在兩個膠狀褐鐵礦帶（表1）。其終止深度距沉積間斷面分別為44 m和26 m。據(jù)沉積相研究[7]，亮甲山-馬家溝期為準礁灘到礁灘相過渡期，海平面升降較頻繁，可存在海岸巖溶地質(zhì)作用，只不過巖溶期較短，淋溶帶較?。?6 m），從地熱井鉆井液漏失統(tǒng)計上看，該層位漏失概率相對較小。

表1 沉積間斷與淋溶深度統(tǒng)計表Table 1 Statistics table of sedimentary interruption and leaching depth

（2）晚侏羅-早白堊世期

中三疊世以后的構(gòu)造運動，使天津地區(qū)形成NW—EW向較寬緩的褶皺及斷裂（海河斷裂帶初始期），之后受到華北全區(qū)抬升，遭受風化剝蝕的影響，褶皺核部及其附近奧陶系被剝露出來，出露點在大港千米橋（形成“潛山型”古風化殼巖溶）和潘莊凸起中東部的山嶺子。侏羅世的燕山運動形成NE向褶皺（山嶺子-王蘭莊背斜等）及斷裂，兩期褶皺、斷裂疊加的結(jié)果使本區(qū)褶皺成山，地形高差增大。依據(jù)該凸起上奧陶系地熱井古侵蝕面埋深統(tǒng)計，最大高差達136 m。在褶皺核部-山嶺子一帶古地形高差還要更大一些，該部位奧陶系碳酸鹽巖遭受強烈風化、淋濾、剝蝕，而在山嶺子褶皺的左翼奧陶系低凹部位沉積了白堊系紫紅色含礫泥巖。

（3）晚白堊-中新世期

從晚白堊世開始，華北地區(qū)受庫拉板塊俯沖的影響，處于隆起剝蝕狀態(tài)。筆者認為這段期間是潘莊凸起奧陶系頂部形成“潛山型”古風化殼巖溶的重要階段。首先，經(jīng)過前期印支-燕山兩期構(gòu)造運動，使本區(qū)隆起，使得奧陶系得以出露地表，形成地貌上高于周圍侵蝕面（不整合面）的局部隆起，其次，由于長期處于隆起狀態(tài)，風化剝蝕作用強烈，直至中新世才開始下降接受明化鎮(zhèn)組及館陶組沉積，造成上覆地層長期缺失。在此期間，山嶺子一帶高部位奧陶系碳酸鹽巖繼續(xù)風化剝蝕直至缺失，潘莊凸起西南部奧陶系由于地勢相對較低，除部分遭受剝蝕外，大部分經(jīng)受地表水溶蝕，淋濾形成古“潛山型”風化殼，形成奧陶系良好熱儲層。

3.2 潘莊凸起奧陶系古風化殼巖溶垂向發(fā)育特征

發(fā)育完整的風化殼巖溶序列，一般是從不整合面向下由垂向淋溶巖溶帶、季節(jié)變動巖溶帶和徑流巖溶帶三部分構(gòu)成[8-10]。由于潘莊凸起地熱井鉆入奧陶系時大多數(shù)井鉆井液漏失嚴重，巖屑不上返，因此有關(guān)巖性及生物化石方面資料較少，對古風化殼巖溶垂向特征的研究主要參考鉆井及測井資料。本文選取潘7#井對潘莊凸起風化殼巖溶特征做一剖析(圖2)。

（1）垂向淋溶帶

圖2 潘7#井奧陶系巖溶帶劃分圖Fig.2 Division of Ordovician karst belt in Pan 1#well

發(fā)育于地表以下，最高潛水面以上。由地表大氣淡水補給，水流主要在重力作用下沿巖層中的裂隙或斷層向下垂直方向滲流，形成垂直方向的溶孔、溶縫及溶洞。該帶位于1148～1170 m、1420～1440 m井段，厚度分別為22 m、20 m。該段測井解釋孔隙度6.35%～7.46%，滲透率2.59～2.77×10-3μm2。垂直淋溶帶在測井曲線上常呈漏斗形，電阻率相對于其下部的季節(jié)變動帶要高，自然伽馬相對于不整合面頂部要低。

（2）季節(jié)變動帶

處于最高潛水面和最低潛水面之間，該帶地下水十分活躍，溶蝕形成的孔洞，裂縫以水平或近水平展布為主，該帶位于1170～1186 m、1440～1454 m井段，厚度分別為16 m和14 m?？紫抖?.14%～3.83%，滲透率（0.12～0.48）×10-3μm2。測井曲線特征通常為低伽馬值、相對的高電阻。

（3）徑流巖溶帶

發(fā)生于最低水位期潛水面以下，位于1186～1216 m、1454～1487 m，該帶地下水流動緩慢，巖溶作用較弱。

4 施工風險分析及對策

4.1 風險分析

據(jù)對潘莊凸起已經(jīng)完工的8眼奧陶系地熱井統(tǒng)計（表2），其中有6眼在鉆入奧陶系頂部古風化殼時出現(xiàn)鉆井液嚴重漏失，其中一眼發(fā)生埋鉆事故，導致井眼報廢。造成潘莊凸起奧陶系地熱井施工風險兩個主要因素是斷層或斷裂帶及古風化殼巖溶。中三疊世后的印支-燕山運動使潘莊凸起奧陶系最終形成NE向褶皺，褶皺核部及其附近碳酸鹽巖出露地表接受巖溶作用，同時，構(gòu)造運動使潘莊凸起奧陶系經(jīng)歷長期沉積間斷，頂部發(fā)育古風化殼巖溶，從上往下普遍發(fā)育垂向淋溶帶、季節(jié)變動帶，兩帶厚度約30～45 m，頂部垂向淋溶帶沿垂向巖溶裂隙發(fā)育落水洞及巖溶溶蝕漏斗，其下部的季節(jié)變動帶發(fā)育侵蝕型溶洞，該類溶洞少有充填物，保留了較好巖溶洞穴，洞穴間連通性好，富水性高[11]。因此，鉆遇該類奧陶系碳酸鹽巖地層時一旦漏失難以封堵，給施工帶來很大風險。該段地質(zhì)錄井標識是：①鉆時突然減小，鉆速明顯加快、放空、蹩跳鉆現(xiàn)象；②嚴重鉆井液漏失，巖屑不上返。

表2 潘莊凸起奧陶系地熱井鉆井液漏失統(tǒng)計表Table 2 Statistics Table of the drilling fluid leakage in Ordovician geothermal well in Panzhuang uplift

4.2 對策

由于潘莊凸起奧陶系頂部易出現(xiàn)鉆井液漏失，發(fā)生埋鉆事故，因此在地熱井施工過程中要及時、準確做好地層的判定工作，既不能提前，更不能滯后，保證鉆入奧陶系頂部風化殼時停鉆。

4.2.1 地層預測

潘莊凸起奧陶系上覆地層有中生界、館陶組、明化鎮(zhèn)組，其中中生界、館陶組受古構(gòu)造環(huán)境影響僅在凹地，斜坡地帶有沉積，中生界厚度變化較大，厚度10～125 m不等。奧陶系上覆新近系明化鎮(zhèn)組在本區(qū)較普遍，明化鎮(zhèn)組厚度較穩(wěn)定，平均540 m左右。據(jù)對8眼奧陶系地熱井頂板埋深統(tǒng)計，平均埋深1145 m。

4.2.2 鉆機運行狀態(tài)與地層巖性對比分析

潘莊凸起大多數(shù)地熱井在鉆遇奧陶系頂部風化殼時就出現(xiàn)鉆井液嚴重漏失，巖屑不上返，因此，地質(zhì)人員除了仔細觀察巖屑外，還要結(jié)合鉆機運行狀態(tài)綜合判斷。接近奧陶系頂部風化殼通常鉆遇砂礫巖層，礫石成分較雜，有泥礫，鈣質(zhì)顆粒及燧石，出現(xiàn)間歇性跳鉆，出現(xiàn)上述特征時要調(diào)低鉆壓，小排量鉆進，觀察泵壓變化，同時注意鉆井液液面是否下降，每鉆進0.5 m撈取巖屑仔細觀察，如發(fā)現(xiàn)下伏奧陶系碳酸鹽巖新鮮巖屑時應停止鉆進，有時即使看不到碳酸鹽巖巖屑，但出現(xiàn)連續(xù)跳鉆（一般2 m以上），鉆速加快，泵壓下降，鉆井液開始出現(xiàn)漏失特征時，也應停止鉆進，開泵循環(huán)一段時間，待井底巖屑全部循環(huán)上來后，進行物探測井，依據(jù)測井結(jié)果判定是否鉆入奧陶系頂部風化殼。

4.2.3 施工設計要求

（1）由于潘莊凸起地熱井施工在鉆入奧陶系時，經(jīng)常出現(xiàn)鉆井液漏失，難以封堵等地質(zhì)問題，因此，在對奧陶系以下熱儲層（寒武系及薊縣系霧迷山組）地熱井在施工設計時需要改變常規(guī)的四開井身結(jié)構(gòu)，即將一開套管直接下到奧陶系頂面，鉆穿奧陶系進入下伏寒武系泥巖后再下二開套管，固井。這樣，通過成井工藝的改變解決了施工中鉆入奧陶系出現(xiàn)的鉆井液嚴重漏失，不易封堵的問題。

（2）依據(jù)潘莊凸起奧陶系8眼地熱井統(tǒng)計，奧陶系頂面埋深平均1145 m，基巖平均地溫梯度1.51℃/100 m，因此流體溫度普遍較低，平均在50.5℃左右，出水量平均96 m3/h。奧陶系熱儲層流量大，溫度低，更適合做回灌井。筆者認為：為了合理利用潘莊凸起地熱資源，在地熱井布局上，采用兩采一罐模式，即選用薊縣系霧迷山組熱儲層做開采井，奧陶系熱儲層做回灌井，這樣使地熱資源得到充分合理的利用。

5 結(jié)論

（1）潘莊凸起奧陶系經(jīng)過3期巖溶作用，發(fā)育兩層古風化殼巖溶帶，頂部“潛山型”古風化殼巖溶帶最為發(fā)育，下部亮甲山-馬家溝組層間古風化殼巖溶帶次之?！皾撋叫汀惫棚L化殼巖溶溶洞、孔洞發(fā)育，連通性好，是良好熱儲層，地熱井施工鉆遇該層時易發(fā)生鉆井液嚴重漏失，埋鉆等事故。

（2）為降低風險，防止埋鉆等事故的發(fā)生，在鉆遇該類易漏失奧陶系時應做好奧陶系地層預測分析工作，鉆進過程中，除了及時仔細觀察巖屑外，還要結(jié)合鉆機運行狀態(tài)注意鉆進參數(shù)變化，做好地層綜合判定工作。

（3）奧陶系在不同地質(zhì)構(gòu)造單元受斷裂及巖溶作用影響均不相同，因此天津地區(qū)奧陶系熱儲在不同地區(qū)表現(xiàn)出較大差異性，為提高奧陶系地熱井成功率，應加大不同構(gòu)造單元奧陶系碳酸鹽巖原生結(jié)構(gòu)及后期巖溶作用研究，從而弄清不同構(gòu)造單元奧陶系熱儲層控制影響因素。

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