DZK02中高溫地熱井鉆完井工藝技術實踐與探討

楊 衛(wèi)，聶世均，邢玉軒，范偉華

（1.中國石化集團新星石油有限責任公司，北京100083；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610051；3.中國石油大學〈北京〉石油與天然氣工程學院，北京102249）

DZK02中高溫地熱井鉆完井工藝技術實踐與探討

楊 衛(wèi)*1，聶世均2，邢玉軒3，范偉華2

（1.中國石化集團新星石油有限責任公司，北京100083；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610051；3.中國石油大學〈北京〉石油與天然氣工程學院，北京102249）

隨著社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境建設的需求，中國地熱資源開發(fā)利用每年以12%的速度增長。實踐表明，中高溫地熱井的能量品位和經(jīng)濟效益遠高于低溫地熱井，但我國在中高溫地熱井的鉆井和成井工藝方面研究和經(jīng)驗相對不足，無形中增加了中高溫地熱井鉆井、建井成本，及熱能數(shù)據(jù)獲取不準確等問題。以DZK02中高溫地熱井鉆完井為例，詳細探討了中高溫地熱井鉆完井過程中面臨的難題及配套解決措施，并探討了中高溫井鉆完井中幾個關鍵問題，為類似中高溫地熱井的勘探開發(fā)提供參考經(jīng)驗。

地熱井；DZK102；中高溫；鉆完井工藝；技術探討

在全國已發(fā)現(xiàn)的3200處地熱異常中，超過90%的為中低溫地熱系統(tǒng)，僅8%為中高溫地熱系統(tǒng)。而在已開發(fā)的地熱井，除西藏羊八井、羊易地熱和廣東豐順地熱外，絕大部分地熱井仍屬于低溫地熱[1-3]。因此相對比較成熟的中低溫地熱井鉆完井工藝，中高溫地熱井鉆完井工藝上還處于探索研究中[4-7]。本文以DZK02中高溫地熱井鉆完井工藝技術實踐為例，探討了中高溫地熱井鉆完井難點及配套技術措施，并針對其存在的問題提出了相應的研究思路和方向，為后續(xù)區(qū)域乃至其他地區(qū)的中高溫地熱井鉆完井作業(yè)提供參考經(jīng)驗。

1 DZK02井基本情況

DZK02井地處西部某河左岸一級階地，位于該斷裂下盤、斷裂破碎帶上，階地下伏破碎帶厚度大于560m，在其近東西、北西向縱張裂隙發(fā)育帶上水量補給充足。階地附近有3處溫泉出露（水溫37℃～48℃）和1口地熱探井（水溫65℃/H45m），地表地溫在7.2℃～8.0℃，屬地溫異常區(qū)。根據(jù)鄰井水溫曲線（圖1），基巖中水溫與覆蓋層中水溫相差30℃，且進入基巖后水溫具有顯著升高的特征，表征該階地具有良好的地熱開發(fā)前景。

圖1 某鄰井水溫隨井深變化曲線

2 DZK02井鉆完井難題及工藝措施

本井采用二開二完井身結構，完鉆井深1847m，二開完鉆后采用裸眼完井。在鉆完井過程中，雖然遇到了較多在中低溫地熱井未出現(xiàn)的鉆完井難題，但現(xiàn)場通過優(yōu)化工藝技術、調整施工方案、完善配套措施等，確保了該區(qū)域第一口高溫地熱探井的順利完鉆。

2.1 地層出水嚴重

整個鉆井作業(yè)期間，為保證對地層損傷最小，取準取全該井第一手地層資料，使用清水作為鉆井液，采用欠平衡或微欠平衡鉆井工藝，全井出現(xiàn)了多達18個水層顯示（圖2），最厚達到64.3m。

圖2 DZK02井水顯示位置及厚度

導管作業(yè)鉆至井深59m時鉆遇水層，66m時鉆遇高壓高溫水層，出水量20～30m3/h。循環(huán)出口溫度75℃～78℃，井口鉆井液溫度最高達到87℃；表層和生產層段鉆進期間，井口返出鉆井液的溫度經(jīng)常高于沸點（該井海拔3100m，水的沸點90℃），最高達到102℃。在地層涌水量大、井口溫度高且蒸汽量大，易出現(xiàn)：①下放阻力高，套管不易下到設計位置；②井口作業(yè)施工難度高，易對作業(yè)人員造成傷害；③電測、固井等后期作業(yè)困難，使用新配重漿壓井情況下易壓漏地層，同時新漿可降低地層溫度，使得電測溫度曲線與實際地溫曲線有較大誤差，影響后期資源評估等。為保證鉆井及后續(xù)作業(yè)正常進行，主要采取的技術措施：

（1）為控制導管鉆井地層出水量，采用高密度鉆井液壓井，降低地層流體進入井筒速度。但最終由于地層出水量大，重泥漿被快速稀釋、井內掉快嚴重等，導致套管下至71.8m（完鉆井深80m）后無法下放，被迫采取就地固井。

（2）二開鉆進過程中使用高粘切稠漿攜砂洗井，確保井眼干凈暢通無沉砂。起鉆和取芯前使用高粘切重稠漿壓井，控制井內出水量，確保鉆臺人員安全作業(yè)，滿足了后期電測、下套管、固井施工作業(yè)需要。

（3）在用高粘切重稠漿壓井條件下，井口作業(yè)人員仍要求穿戴特種作業(yè)服，確保人員安全，防止地層高溫流體燙傷。

2.2 清水鉆井液加劇鉆進復雜

為實施欠平衡或微欠平衡鉆井作業(yè)，最大程度保護儲層，獲取地熱資源和與地熱相關的地層結構、地質結構、巖性、地溫變化、熱儲的滲透性、地熱流體壓力及其物理性質和化學成分，取得代表性計算參數(shù)，進行資源量計算，本井全井作業(yè)采用清水作為鉆井液。

表1 DZK02導管鉆井作業(yè)壓井處理程序

研究表明，除鉆井參數(shù)外，鉆井液本身的密度、動塑比、表觀粘度、塑性粘度等性能參數(shù)都影響到環(huán)空巖屑的攜帶。根據(jù)公式（1）、（2），巖屑沉降速度隨表觀粘度增加而降低，而表觀粘度隨動塑比的升高而增加，因此提高動塑比可以增加巖屑的運移能力。

巖屑自由沉降速度：

其中動塑比：

對于鉆井液密度來說，隨密度的增加，固液兩相的密度差減小，巖屑顆粒在泥漿中的有效重量下降，巖屑運移能力增強，起到了清洗井眼目的。而地熱井采用較低密度和動塑比的清水鉆井液后，巖屑的懸浮和攜帶能力嚴重不足，導致鉆頭在井底重復切削巖屑，鉆頭的鉆速和單位進尺都嚴重降低（表3、表4）。因此為防止鉆頭對巖屑的重復切削，在一開、二開鉆井階段，鉆進過程中每50～80m使用高粘切稠漿攜砂洗井一次，確保井眼干凈、暢通和無沉砂。每次起鉆和取芯前再使用高粘切重稠漿壓井，控制井內出水量，確保鉆臺人員安全作業(yè)，滿足電測、下套管、固井施作業(yè)要求。

表2 DZK02井各開鉆井液配方及性能表

表3 DZK02井各開井段鉆井參數(shù)及鉆速對比表

表4 DZK02井不同鉆頭鉆井參數(shù)及鉆速對比表

2.3 鉆具斷裂

地熱井鉆井過程中，鉆具和井下工具的使用壽命受到影響較大[9]，DZK02井前后出現(xiàn)兩次井下工具斷裂事故。分析發(fā)現(xiàn)工具斷裂主要是因為中高溫地熱井鉆井條件下，由于高溫、清水鉆進、蒸汽量大、出水量大、交變應力作用等造成鉆具的疲勞破壞和氫脆延遲斷裂。

地熱鉆井中，由于受溫度、壓力、振動、扭轉等交變載荷的影響，鉆具很容易產生裂紋和斷裂的現(xiàn)象，即使鉆具最大工作應力小于靜載荷下的屈服極限σs，井下鉆具長期在交變的機械應力或熱應力工作條件下也會產生疲勞破壞，主要特征表現(xiàn)為斷裂是突然的，無任何先兆，且斷口形貌特殊，斷口上有明顯不同的區(qū)域等（圖3）。

氫脆延遲斷裂現(xiàn)象是由于鉆具內部的氫向應力集中的部位擴散聚集，應力集中部位存在原子點陣錯位、空穴等金屬缺陷。通過式（3）、（4）的化學分解與合成，液態(tài)的水形成氣態(tài)的氫，當氫擴散到這些缺陷處，氫原子變成氫分子，產生巨大的壓力，這個壓力與材料內部的殘留應力及材料受的外加應力，組成一個合力，當這合力超過材料的屈服強度，即氫濃度C達到管材臨界斷裂值Cth時，就會導致斷裂發(fā)生。

圖3 DZK02井鉆具斷裂圖

應力集中處的氫濃度為：

式中：CH——管材中的平均氫濃度；

VH——氫在管材中的偏摩爾體積（恒溫、恒壓下加入1摩爾氫所引起的金屬體積的變化）；

α——應力集中系數(shù)。

若氫的濃度達到臨界值Cth時斷裂，對應的外應力即為氫致滯后斷裂的門檻應力σth：

若σ＜σth，即使經(jīng)過長時間擴散也達不到臨界氫濃度，不會發(fā)生氫致滯后斷裂；若σ＞σth，經(jīng)過時間tf后，發(fā)生斷裂，且應力越大，滯后斷裂時間越短。

針對DZK02地熱井鉆井情況，本井選用G105一級鉆桿，其強度能滿足本井安全鉆進需求，同時鉆進中加強入井鉆具檢查和防刺漏監(jiān)測等鉆具管理措施，每趟鉆均進行鉆具檢查和倒換。同時根據(jù)本區(qū)域地層特點，鉆具在井下應力變化頻繁，易發(fā)生鉆具氫脆、疲勞損壞等，由專業(yè)鉆具檢測單位對鉆具進行探傷并將探傷周期縮短為正常的1/2。

2.4 井溫測試誤差大

本井在一開固井20d后，1190m井底套管內電測獲取的地層溫度129℃，推算地溫梯度10.25℃/100m，但是在1847m二開完井后，電測的溫度顯示井底溫度126℃,推算地溫梯度僅6.44℃/100m。前后電測溫度比較，二開溫度測試數(shù)據(jù)誤差較大，這是由于一開固井20d以后套管內的溫度與地層溫度已經(jīng)平衡，測試的數(shù)據(jù)能夠準確反映地層的真實情況，但是由于二開測試時，井口內流體一直噴涌而出，而井口裝置難以滿足邊噴邊下電測儀器進行電測的工藝，因此使用儲備的重稠鉆井液壓井（溫度為環(huán)境溫度，當時平均溫度約10℃），使得井底周圍的地層溫度因為注入的低溫鉆井液降低了該處的溫度場，使得1847m的電測溫度低于1190m的溫度。

2.5 完井井口選擇困難

依照普通地熱井完井井口方式，本井設計采用井口帽（圖4）的方式作為完井井口，即在井口焊接環(huán)形鋼板。但本井是自流井，經(jīng)測試獲得井口溫度116℃、流量50m3/h、表壓0.34MPa，因此如果仍然使用原設計的完井井口，后續(xù)井口安裝等工作將無法進行。

圖4 設計的完井井口裝置示意圖

經(jīng)過方案論證，采用油井的鉆井四通作為完井井口（圖5），這樣既可以持續(xù)放噴取數(shù)據(jù)，還可以接生產管線進行生產。但是油井的鉆井四通各種規(guī)格和參數(shù)都高于該井需要的要求，如果類似井都套用該模式，地熱井完井成本將大幅度上升，因此中高溫地熱井井口成型產品還有待研制。

2.6 氣液混合流量測試不準

地熱水中有可能有伴生氣存在，溫度越高，出現(xiàn)伴生氣的可能性越大，這是因為中高溫地熱井水溫度較高，部分地熱水會汽化，導致井口流量計測出的流體流量是地熱水、蒸汽和伴生氣的混合流量，但是這三者的熱值是不一樣的，因此要計算地熱井的準確的熱值，需要對混合流體的組分進行確定，這樣設計出的裝置才會有較高的轉換效率。本井在井口用渦輪流量計測出的穩(wěn)定混合流量為50m3/h，但是在放噴池內的收集到的地熱水只有26m3/h，根據(jù)溫度和壓力關系換算，24m3的液體包括有閃蒸成的水蒸氣和伴生氣，但現(xiàn)場沒有測試用的分離器和封閉取樣裝置，未能準確獲知真實的混合流體成分。

圖5 實際完井井口裝置示意圖

3 中高溫地熱井鉆完井技術探討

通過DZK02中高溫地熱井鉆完井實踐，對比中低溫地熱井和油氣井鉆完井特點，要做好中高溫地熱井成井，還需要在幾個方面繼續(xù)探索研究及現(xiàn)場試驗。

（1）地熱井勘探開發(fā)的目的是獲得地下具有溫度的清潔地熱資源，而目前已探明的中高溫地熱井都是處于環(huán)境敏感區(qū)域，如果采用油氣井鉆井所使用的水基鉆井液或油基鉆井液，鉆完井成本和環(huán)境處理成本將大幅度增加，對地熱井的經(jīng)濟效益開發(fā)不利。因此推薦使用清水鉆井液、泡沫鉆井液或空氣鉆井液等作為攜砂流。但使用清水鉆井對壓穩(wěn)井筒、保護井壁、鉆井中攜砂、保護鉆具等帶來一定的困難，增加了井下復雜情況的風險。

（2）地熱井的井噴風險遠小于油氣井，同時為了保證地層和流體不被污染和影響，中高溫地熱井鉆井推薦采用近平衡或欠平衡鉆井技術，并配套相應的欠平衡鉆井防噴器裝置，實現(xiàn)中高溫地熱井的高效、安全勘探開發(fā)作業(yè)。

（3）了解地熱井的溫度分布是地熱開發(fā)中的關鍵環(huán)節(jié)，對于區(qū)域地熱井的開采、開發(fā)具有重要意義。但對地層溫度高、返出液量大的地熱自流井（自噴井），準確了解地下溫度絕非易事，首先是由于返出液量大、下放阻力高等導致電測工具下到目的層位難度大，其次是電測溫度和真實地層溫度存在較大的誤差，但為保證工具下入，不得不用新配高密度、稠漿壓井作業(yè)。根據(jù)熱交換定律，在低溫流體與高溫流體混合后，實際電測到的溫度低于預期值，這在不了解真實地層溫度情況下給后期方案制定帶來難題，建議在可行的條件下可以采用傳輸測井方式，在不替換鉆井液條件下用鉆桿或連續(xù)油管將電測儀器送入井底，但這會增加成本。

（4）由于國內中高溫地熱井比較少，因此配套的井口裝備還需要持續(xù)進行研制，在降低成本同時提高井口裝備的可靠性。通過DZK02井的完井測試表明，高溫地熱井流體中氣液混合比較明顯，為確保測試的真實性、準確性，完井后的井口測試工藝和設備需要配套氣液分離器，測量氣液的物性參數(shù)和流態(tài)參數(shù)設備、現(xiàn)場快速取樣工具等，為各種參數(shù)的采集提供必要的技術支撐，為后續(xù)勘探、開發(fā)方案的制定奠定基礎。

4 結論與建議

（1）DZK02屬于典型中高溫地熱井，測試流量51.66m3/h，混合流體溫度116℃，試水作業(yè)后套壓穩(wěn)定值為0.29MPa，顯示區(qū)域具有較大的地熱開發(fā)潛力。

（2）DZK02中高溫地熱井鉆完井過程中面臨溫度高、地層流體涌出量大、電測溫度不精確、測試工藝及配套裝備待完善、鉆具斷落等難題，但該井安全、有效的成井工藝技術為后續(xù)中高溫地熱井勘探開發(fā)提供了參考。

（3）國內中高溫地熱井鉆完井工藝處于摸索實踐階段，只能在借鑒常規(guī)油氣井鉆完井工藝基礎上不斷完善，形成配套的鉆井、鉆井液、電測、管具保護、測試等技術和裝備。

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1004-5716(2015)10-0052-05

2015-02-28

2015-03-03

楊衛(wèi)（1978-），男（漢族），四川眉山人，工程師，現(xiàn)從事地熱勘探與開發(fā)技術、管理等工作。