深部資源探測施工流程及工程控制技術(shù)探討

許成勇

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第七地質(zhì)大隊，山東 臨沂 276002）

深部地熱資源鉆井是開發(fā)利用深部地熱及地表淺層地熱能的唯一直接途徑，鉆井工藝的選擇以及施工程序直接影響著地熱資源的開發(fā)利用效率。由于深部地熱資源賦存地層的特殊性、破碎漏失地層是地熱鉆井井場鉆遇的地層，快速解決穿越這類地層地熱鉆井技術(shù)的關(guān)鍵。

1 地深部資源探測工程控制技術(shù)探討

就目前國內(nèi)深部地熱鉆井情況來看，普遍存在著鉆井效率慢、深井事故頻發(fā)、非正常鉆進時間過長等問題。鉆井技術(shù)領(lǐng)域中新技術(shù)引進與研發(fā)醫(yī)乏，一般仍采用傳統(tǒng)鉆井工藝，鉆進過程對地熱資源儲層影響大，嚴重影響地熱資源開發(fā)效率和經(jīng)濟效益。地熱鉆井技術(shù)主要發(fā)展方向如下：

（1）引進和推廣石油鉆井裝備和工藝。目前，我國石油鉆井深度己達7000余米以上，其設(shè)備能力、鉆進工藝和鉆進效率在整個鉆井工程領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。所以，引進和推廣石油鉆井成熟技術(shù)將會對地熱鉆井技術(shù)的發(fā)展起到積極推動作用。但是石油設(shè)備以及配套裝備價格高昂，從而限制了石油鉆井技術(shù)的推廣應用，應將其與地熱鉆探特點相結(jié)合并推廣應用。

（2）綠色鉆探，智能化鉆探。智能及自動化可降低鉆探過程“人為性事故”等不利因素，減少降低勞動力數(shù)量和強度，并對提高鉆井的精準度和保障井內(nèi)安全都有重要作用，是未來發(fā)展方向。綠色鉆探無論是在鉆井還是在其前后階段，都強調(diào)環(huán)保清潔、節(jié)能高效等思想，將對自然的損害和破壞減少到最低程度，在當前我國社會各界普遍的“青山綠水”環(huán)保要求大背景下，綠色鉆探技術(shù)無疑是鉆探工程發(fā)展繞不開的必經(jīng)之路[1]。

（3）多工藝復合鉆井技術(shù)。針對同一口井鉆遇不同地層分別采用正循環(huán)泥漿鉆進、空氣潛孔錘鉆進、氣舉反循環(huán)鉆進、井底螺桿馬達驅(qū)動鉆進等工藝，或者采用兩種、三種以上工藝組合。優(yōu)點是:回避了鉆井裝備不足問題，重點解決鉆進工藝問題。

（4）地熱鉆井逐步向高深度、高溫度、高壓力方向發(fā)展。當前我國中低溫地熱資源開發(fā)技術(shù)己基本成熟，而對于干熱巖等高溫資源如何開采，目前還沒有統(tǒng)一的認知，三千至六千余米的深度，幾百攝氏度的高溫以及巨大的地層壓力，對地熱鉆井技術(shù)是個挑戰(zhàn)，例如如何提高鉆井液的耐高溫性能，保證螺桿、液動錘、測井儀器等井下器具在高溫高壓條件下正常工作，達到高效碎巖攜巖等目的。故而對抗高溫鉆井液技術(shù)、抗高溫隨鉆測控技術(shù)、高溫固完井技術(shù)和高效破巖輔助工具的耐高溫無故障工作研究是未來重要方向。

2 深部資源探測井施工流程

2.1 物探測井

通過物探測井并結(jié)合鉆探獲取的地層資料，確定含水層埋深、厚度以及井（孔）壁的完整性、井徑等信息，為壓裂增水作業(yè)提供準確資料和設(shè)計依據(jù)。測井參數(shù)包括井深、井徑、靜水位、水溫和井孔巖層的完整性、含水裂隙層段數(shù)及其發(fā)育程度、埋深與厚度、低電位電阻率、自然伽馬等；根據(jù)測井結(jié)果，選擇壓裂目標層段和封隔座封段的深度與厚度，為壓裂試驗提供準確資料。

2.2 壓裂方案

（1）壓裂液:常用壓裂液有水基壓裂液、乳化壓裂液、泡沫壓裂液等類型。本次壓裂施工采用清水作壓裂液，取材方便，成本低。其優(yōu)點是：①價格低廉、對地層無污染，安全可操作性強；②以高壓作用剪切、沖蝕破壞天然裂縫中的充填膠結(jié)物，使得裂隙擴展并疏通；③高壓作用使原始的微裂隙、孔隙層張開并連通，增水效果好；④成本低。缺點是:工作效率低，注水量大，要求較高的泵注排量。

（2）壓裂工藝：依據(jù)成井結(jié)構(gòu)，本地熱井采用井內(nèi)裸眼雙座封壓裂器具組合和單封座封壓裂器具組合、單管路頂液的壓裂工藝方法壓裂，共進行2個段次的壓裂。確定雙座封工藝壓裂作業(yè)井段在300m～680m之間；單座封壓裂作業(yè)井段在660m以下。根據(jù)本地熱井的物探測井資料，確定雙座封壓裂作業(yè)的上、下座封位置分別為323m，672m處；單座封位置667m處。

2.3 壓裂前準備

壓裂施工前的準備工作包括場地踏勘，鉆桿測量，地表壓裂設(shè)備與孔內(nèi)器具配置、連接，水源供給等。

地表設(shè)備安裝:壓裂泵車一管路一管匯一管路一高壓水龍頭。

（1）高壓管匯連接：首先，將壓裂泵車停放在距離井口約40m、地勢平坦、視野開闊的地方，將地面管匯安放在壓裂泵車和井口距離的中間，放平放穩(wěn)。然后通過高壓膠管等分別將壓裂泵車與立軸連接。

注意事項：連接前需要用鋼絲刷將由任接頭上的銹斑除掉，防止?jié)B、滴、刺水，預防安全事故；按照管匯上的進出水指示箭頭依次由壓裂泵車一管匯一水龍頭連接。

（2）配備壓裂設(shè)施與鉆桿、變徑接頭，按下入深度測量管柱并排序，同時查驗各下井器具有無損傷，絲扣連接有無損壞，封隔器橡膠有無損壞等。然后依次下入井內(nèi)，絲扣要采取密封措施，纏麻、涂抹絲扣油，待井下器具安裝完畢后，安裝井口高壓水龍頭。

（3）供水設(shè)備安裝：壓裂施工需要大量壓裂液(清水)，施工過程中，壓裂液(清水)供應不能中斷，否則會導致壓裂暫停而影響壓裂效果。本井壓裂作業(yè)采用1臺最大泵量100m3/h的壓裂泵車，配備2臺泵量分別為60m3/h、15m3/h,揚程20m的供水泵，壓裂作業(yè)時根據(jù)需要開啟1臺或2臺泵供水。將施工現(xiàn)場約80m3的泥漿池蓄滿水作備用供水水源，同時不間斷往泥漿池注水。

注意事項:泥漿池中的供水泵不能接觸蓄水池底板，設(shè)置濾網(wǎng)防止吸入泥沙、雜物等，施工期間。

（4）壓裂泵調(diào)試：進行調(diào)試、循環(huán)試壓，地面設(shè)備與井內(nèi)壓裂器具安裝完完畢后，需要對壓裂泵檢查系統(tǒng)流程的暢通性、安全性。

啟動壓裂設(shè)備發(fā)動機按鈕，觀察發(fā)動機運轉(zhuǎn)情況和顯示器發(fā)動機參數(shù)，判斷發(fā)動機聲音是否正常，查看壓裂設(shè)備是否有漏機油和防凍液情況，如有上述征象，當即停機維修。

確認發(fā)動機處于正常狀態(tài)后，壓裂泵車自帶儲水箱加滿壓裂液(清水)，將壓裂管路閥門打到“內(nèi)循環(huán)”狀態(tài)，壓裂泵掛一檔，觀察顯示端壓裂泵參數(shù)，仔細聽壓裂泵泵體聲音是否異常。順次測試二至六各個檔位壓裂泵的性能參數(shù)。

壓裂泵體設(shè)備測試通過后，將壓裂管路、管匯旋塞閥門打到“外排”狀態(tài)，將高壓膠管出口端放到開闊場地或水池中，開動壓裂泵供水，觀察管匯出口水流狀態(tài)和壓裂系統(tǒng)地面管路狀態(tài)是否正常，測試試驗合格后再準備壓裂作業(yè)。

2.4 壓裂泵車壓裂

2.4.1 第一試段壓裂

準備工作完成后，進行試運行檢查壓裂設(shè)備、管線以及泵的運行情況。首先進行打壓測試，關(guān)閉管匯閥門，開啟壓裂泵，憋壓，地面管線與閘門試壓20MPa,5分鐘不刺漏為合格，然后準備壓裂工作，壓裂時各崗位有專人負責監(jiān)督。

開啟壓裂泵，先以小泵量供水，水量控制在200L/min～300L/min之間，壓入井內(nèi)，監(jiān)測壓裂泵控制臺參數(shù)，記錄轉(zhuǎn)速、泵量、瞬時壓力值等工況的變化情況，期間分析地層起裂壓力和裂縫延伸壓力值的變化；與此同時密切關(guān)注井口動態(tài)，井口是否有反水等異常；地面管路、管匯工作狀況是不是正常。當系統(tǒng)壓力穩(wěn)定較低壓力值且無變化時，再逐步增大供水量直至本壓裂段結(jié)束。壓裂實施過程參數(shù):

泵排量15.2m3/h持續(xù)供水10分鐘，壓力維持在4.8Mpa左右，地面壓裂管路和井口無異常；調(diào)整泵量至37.1m3/h，壓力增至7.2Mpa，逐步調(diào)整泵量至65m3/h，泵壓力增至最大10.5Mpa，持續(xù)工作至88min，系統(tǒng)壓力突降至9-9.5Mpa,泵量自動升至68.8m3/h，連續(xù)壓裂作業(yè)203min結(jié)束，本壓裂試段共壓入水量193.3m3。

壓裂工作結(jié)束后，打開管匯上的旋塞卸荷閥，將系統(tǒng)內(nèi)的水泄出，再卸開高壓水龍頭，往鉆桿內(nèi)投球，等待鋼球落入卸荷閥內(nèi)球座上，重新連接高壓水龍頭，開泵送水，頂開卸荷內(nèi)滑套露出溢流口，將鉆桿內(nèi)的水柱泄出，同時封隔器收縮，然后提出井內(nèi)器具。

2.4.2 第二試段壓裂

因680m以下鉆孔口徑為152mm，無法下入封隔器(外徑180mm)，現(xiàn)場研究分析后決定采用去掉下封隔器，將上封隔器設(shè)置在216mm孔段的方法進行壓裂。單座封壓裂器具組合為:自下而上依次為底堵一短鉆桿一上封隔器(置于668m處)一定壓開啟閥一卸荷閥一鉆桿一井口水龍頭一至地表系統(tǒng)。

開啟壓裂泵，先以小泵量供水，設(shè)定泵壓力在10MPa左右，通過調(diào)控壓裂泵車的轉(zhuǎn)速控制泵流量在12m3/h～13m3/h之間，最大泵量15m3/h，連續(xù)壓入61.3m3清水。卸荷后壓入井內(nèi)的水大部分返出井口，至此壓裂車壓裂作業(yè)全部結(jié)束。

2.5 效果分析

2.5.1 抽水試驗方法

壓裂前后進行了抽水試驗，采用出水量20m3/h、揚程200m的潛水電泵作抽水機具、三角堰和水表測流量，壓裂前水井水量13m3/h，壓裂后水量增至19m3/h,基本達到預期效果。

2.5.2 壓裂車壓裂效果分析

本次壓裂作業(yè)共安排了2個段次，采用雙座封、單座封兩種壓裂工藝方法對不同井段實施了壓裂增水，累計壓入水量254.6m3；最小泵排量12.m3/h，最大泵排量71.m3/h；泵壓力最大10.5Mpa。

由物探測井資料結(jié)合壓裂施工過程中的實際工況推斷，本次壓裂在300m以下，處在構(gòu)造下盤上，依據(jù)物探測井資料劃分地層為三個裂隙破碎帶，0m～300m井段裂隙破碎厚度約124m，為主要含水層段；300m～700m累計裂隙破碎厚度約72m，為次要含水層段；700m～1200m井段累計裂隙破碎厚度約36m，為弱含水層段。根據(jù)壓裂卸荷后經(jīng)地層閉合井內(nèi)返水情況判斷，基本印證了上述推斷，第一壓裂試段壓入地層的水部分返出地表，第二壓裂試段壓入地層的水大部分返出地表，最上部井段由于井徑大及可能的與常溫水裂隙溝通而沒有實施壓裂[2,3]。

3 結(jié)語

天然存在的含水層裂隙內(nèi)，充填有破碎膠結(jié)物、巖屑顆粒等，阻擋了過水通道，滲透率低，經(jīng)過高壓流體的強力剪切、沖蝕和運移后，使得原本細微的裂隙得到擴展和疏通，同時充填物可隨著裂隙的壓裂延伸，隨高壓流體卡塞到裂隙中，起到支撐作用。裂隙中的水流由徑向流變?yōu)榫€性流，滲流條件得以改善，地熱井資源量得以提高。