唐山馬頭營干熱巖M-1井鉆井工藝技術(shù)

張 云，高 亮，劉現(xiàn)川，趙 巖，王 德，張建永

(河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北邢臺 054001)

0 引言

干熱巖是指不含或含有少量流體，溫度高于180℃，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟條件下可以利用其熱能的巖體(龐忠河等，2018)?？紤]到鉆探技術(shù)、壓裂技術(shù)、投資成本等因素，近期可以著眼于埋深4-7km干熱巖資源的開發(fā)，熱儲層溫度150℃～250℃(汪集旸等，2012)。高溫干熱巖作為國際公認(rèn)的清潔能源，具有資源量大、零排放、安全性好、利用率高等特點，保守估計地殼中干熱巖(3～10 km深處)所蘊含的能量相當(dāng)于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊藏能量的30倍(冉恒謙和馮起贈，2010；楊方等，2012；陸川和王貴玲，2015；許天福等，2016)。

目前國內(nèi)對于干熱巖的勘查開發(fā)利用尚處于起步和探索階段，近年來出臺了一系列支持地?zé)?、干熱巖等清潔能源開發(fā)利用的政策，將有力促進(jìn)干熱巖清潔能源的開發(fā)利用(楊吉龍和胡克，2001；閆小利等，2010；冉恒謙和馮起贈，2010；曾義金，2015；李亞琛等，2016；尤新軍和王敏生，2016)。唐山馬頭營M-1井是由河北省煤田地質(zhì)局組織實施的一口干熱巖科學(xué)探測孔，該區(qū)大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺的燕山斷褶帶和華北斷拗的交界地帶，Ⅲ級構(gòu)造單元為馬蘭峪復(fù)式背斜、山海關(guān)臺拱以及黃驊臺陷。M-1井即位于華北斷拗的黃驊臺陷北緣的馬頭營凸起內(nèi)，是目前京津冀地區(qū)第一口溫度大于150℃的干熱巖井。

1 M-1井概況

1.1 地質(zhì)概況

M-1井位于唐山市曹妃甸區(qū)大莊河村南。根據(jù)實鉆資料結(jié)合測井等地質(zhì)資料，本井主要鉆遇地層有第四系(Q)、新近系明化鎮(zhèn)(N2m)、館陶組(N1g)、太古界白廟組(Arb)。

M-1井上部新生界地層巖性主要為粘土、砂巖、泥巖等，下部太古界地層巖性主要為一套變質(zhì)花崗巖類或變質(zhì)巖系。揭露地層巖性特征情況見表1。

表1 M-1井地層劃分及巖性特征表Table 1 Stratigraphic division and lithologic characteristics of M-1 well

1.2 馬頭營M-1井鉆探施工簡況

1.2.1 鉆機選型

M-1井2800 m以淺采用石家莊煤礦機械有限公司生產(chǎn)的TSJ-3700鉆機，2800～4500 m采用寶雞石油裝備有限公司生產(chǎn)的ZJ40 鉆機。兩套設(shè)備性能主要參數(shù)如表2。

表2 兩種鉆機主要參數(shù)Table 2 Primary parameters of two rigs

1.2.2 M-1井井深結(jié)構(gòu)

M-1井一開Φ640 mm鉆頭鉆進(jìn)至58.53 m，0～57.44 m下入Φ478 mm螺旋管隔離上部的松散層，二開Φ444.5 mm鉆頭鉆進(jìn)至1402.07 m進(jìn)入太古界，0～1397.67 m下入Φ339.7 mm套管，三開Φ241.3 mm鉆頭鉆進(jìn)至4502.11 m，0～4500 m下入177.8 mm套管和濾水管，為了便于后期壓裂，下部設(shè)計成濾水管。M-1井實際井深結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 M-1井井深結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of M-1 well

2 鉆井工藝

一開井段：

鉆具結(jié)構(gòu)：Φ444.5 mm三牙輪鉆頭+接頭+Φ640 mm五翼刮刀擴孔鉆頭+Φ241 mm鉆鋌+Φ203 mm鉆鋌+Φ178 mm鉆鋌+Φ165 mm鉆鋌+Φ133 mm方鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速48 r/min，鉆壓20～40 kN，排量36.69 L/s,泵壓0 MPa。

一開下入表層護(hù)壁管，防止表層鹽沼澤地的塌陷。0～58 m為鹽沼澤、第四系亞粘土層、亞沙土層。完鉆后下入Φ478 mm的螺旋管，并用水泥固井，水泥返出地表。

二開井段：

采用塔式鉆具：Φ444.5 mm三牙輪鉆頭+Φ241 mm鉆鋌+Φ203 mm鉆鋌+Φ178 mm鉆鋌+Φ165 mm鉆鋌+Φ127 mm鉆桿+Φ133 mm方鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù):轉(zhuǎn)速48 r/min，鉆壓20～60 kN，排量36.69 L/s,泵壓0～8 MPa。

二開完鉆原則是鉆穿館陶組底部，0～1376 m為第四系、明化鎮(zhèn)組、館陶組地層。巖性以泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖為主。鉆具組合為塔式鉆具，鉆進(jìn)時采用大泵量，小鉆壓吊打鉆進(jìn)工藝(狄勤豐和沈雙平，2003)。二開完鉆后下入Φ339.7 mmJ55級石油套管，固井采用油井G級水泥，0～300 m采用非滲透防竄早強水泥漿體系，密度設(shè)計1.90 g/cm3，300～1050 m采用泡沫水泥漿體系，密度設(shè)計1.25 g/cm3，1050～1350 m采用非滲透防竄早強水泥漿體系，密度設(shè)計1.90 g/cm3。

三開井段：

常規(guī)鉆具組合：Φ241.3 mm三牙輪鉆頭+Φ178 mm鉆鋌+Φ165 mm鉆鋌+Φ127 mm鉆桿+Φ133 mm方鉆桿。

螺桿鉆具組合：Φ241.3 mm三牙輪鉆頭+Φ172 mm直螺桿+Φ178 mm鉆鋌+Φ165 mm鉆鋌+Φ127 mm鉆桿+Φ133 mm方鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù):轉(zhuǎn)速20～60 r/min，鉆壓60～140 kN，排量20～36.69 L/s,泵壓8～16 MPa。

三開Φ241.3 mm鉆頭鉆進(jìn)至4002.74 m,開展超長重力熱管取熱試驗，中深層地?zé)豳Y源“無泵式”開采,試驗結(jié)束后繼續(xù)鉆進(jìn)至4502.11 m，下入177.8 mm套管，下入深度0～4500 m。為了便于后期壓裂，采用上部實管，下部為濾水管完井方式，固井采用油井G級水泥，低密度領(lǐng)漿，高密度尾漿。

3 鉆井施工存在的難點

(1)熱儲層硬度大，研磨性較強，可鉆性較差。以往研究表明，干熱巖儲層(片麻巖或花崗巖)單軸抗壓強度可達(dá)到200 MPa以上(梁文利，2018)。M-1井自1376 m鉆遇干熱巖儲層，直至終孔4502.11 m巖性均為變質(zhì)花崗巖或變質(zhì)巖系(圖2)，厚度大，硬度大，研磨性高，可鉆性差，導(dǎo)致機械鉆速低，鉆探成本上升(鄭宇軒等，2018)。

圖2 變質(zhì)花崗巖Fig.2 Metamorphic granite

(2)取心難度大。M-1井為探采結(jié)合井，設(shè)計0～1376 m：第四系取心一次，明化鎮(zhèn)組、館陶組各取心兩次；1376～4500 m：即鉆入太古界地層至終孔，每100 m取心1次，取心長度不小于3 m。M-1井采用單回次提下鉆取心，取心回次多，且變質(zhì)花崗巖地層取心進(jìn)尺慢，割心難度大。

(3)井內(nèi)溫度高，鉆井工具壽命受限。普通螺桿鉆具(<120℃)壽命急劇下降，當(dāng)井深超過3700 m時井溫可達(dá)到130℃以上。隨著井深增加井底溫度逐步升高，振動篩上出現(xiàn)螺桿定子上的碳化橡膠掉塊，鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)螺桿泵壓升高，突然憋?，F(xiàn)象。

(4)鉆井液調(diào)配困難。M-1井在2800 m以淺采用海水調(diào)配鉆井液，因海水礦化度高，且含有大量的離子(表3)，導(dǎo)致采用膨潤土、NH4-HPAN、KHm、Na-CMC 組成的聚合物鉆井液流動性差、濾失量大、抗海水能力較低，70 m處多次發(fā)生坍塌；2800 m以深采用淡水調(diào)配鉆井液，鉆井高溫環(huán)境引起鉆井液抗溫性差、濾失量大、泥皮虛厚、起泡等(圖3、圖4)。

表3 海水中離子含量Table 3 Ion content of seawater

圖3 海水鉆井液流動性差Fig.3 Poor fluidity of seawater drilling fluid

圖4 高溫鉆井液泥皮虛厚、起泡嚴(yán)重Fig.4 False thick mud skin of high temperature drilling fluid with serious bubbling

(5)跳鉆，鉆具的脫扣、鉆具斷裂

2800 m以淺施工采用TSJ3700鉆機，配備的鉆具相對較老化，加之變質(zhì)花崗巖硬度較高，鉆進(jìn)過程中鉆鋌斷扣發(fā)生了5次(圖5)。

圖5 鉆具斷扣Fig.5 Broken drill buckle

(6)固井難度大。M-1井井底溫度大于150℃，固井段上下溫度差約為90℃，對同一水泥漿要求其在不同溫度下能夠保持相對平衡的物理反應(yīng)，對水泥漿的適用溫度要求較高(曾義金，2015；張所邦等，2017；付亞榮等，2018；梁文利，2018)。三開一次性封固段長達(dá)2950 m，水泥漿密度較高1.85 g/cm3，鉆井液密度1.17 g/cm3。井內(nèi)環(huán)空液柱壓力較大，在注水泥和替漿過程中同時存在地層被壓漏和裸眼封隔器失效的風(fēng)險。

4 馬頭營M-1井施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 螺桿復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)

M-1井鉆遇變質(zhì)花崗巖的主要成分為鉀長石、斜長石、石英、角閃石，其成分與花崗巖成分變化不是太大，其硬度參照原巖花崗巖硬度。據(jù)此，本井選用了適合于高抗壓強度、中硬和研磨性高地層的江漢HJ637G牙輪鉆頭。針對變質(zhì)花崗巖的可鉆性差，巖石的研磨性強和硬度高等特點(薛軍，2000；賈美玲等，2003)，進(jìn)入太古界地層后分別采用常規(guī)鉆進(jìn)和螺桿復(fù)合鉆進(jìn)進(jìn)行了對比試驗。從表4可以看出，相同鉆壓下螺桿鉆進(jìn)的鉆進(jìn)效率是常規(guī)鉆進(jìn)速度1.4～1.45倍，證實本區(qū)塊螺桿鉆進(jìn)比常規(guī)鉆進(jìn)效率高。

表4 螺桿復(fù)合鉆進(jìn)和常規(guī)鉆進(jìn)鉆速對比表Table 4 Comparison of speeds in combined screw and conventional drilling

這里需要說明的是，M-1井鉆進(jìn)變質(zhì)花崗巖地層前期過程中(1405.36～1416.08 m)采用YZX178液動錘復(fù)合鉆進(jìn)試驗，下鉆至井底開泵循環(huán)后加壓鉆進(jìn)，前4 h平均進(jìn)效率為2.68 m/h,泵壓9 MPa，排量28.62 L/s，鉆壓50～60 kN；井深1416.08～1511.76 m，泵壓下降為7 MPa，鉆進(jìn)效率下降為1.67 m/h，整個試驗過程中液動錘的工作使用壽命低，不具備生產(chǎn)意義。

4.2 螺桿復(fù)合取心技術(shù)

鉆探取心是獲取水文地質(zhì)資料最直接最有效的手段(朱永宜等，2018)。M-1井2600 m以淺采用常規(guī)6翼PDC取心鉆頭、8翼PDC取心鉆頭和10翼PDC取心鉆頭進(jìn)行取心鉆進(jìn)，上部地層進(jìn)尺較快，但隨著井深增加，變質(zhì)花崗巖的密實度、硬度等同樣增大，一只PDC取心鉆頭無法滿足單回次3 m的進(jìn)尺要求即損壞，故2600 m以深采用針狀金剛石取心鉆頭、天然金剛石取心鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行取心鉆進(jìn)(圖6、圖7)。更換鉆頭型號后，2600～2800 m常規(guī)取心鉆進(jìn)效率仍較低，約為0.11 m/h，后改用Φ172 mm螺桿+川8-3取心鉆具復(fù)合取心鉆進(jìn)，相對常規(guī)鉆進(jìn)效率提高了36%(表5)。井下動力鉆具位置更接近鉆頭，在深井取心作業(yè)中能降低鉆具高速旋轉(zhuǎn)過程中對巖心的擾動，對提高巖心采取率具有較好的效果(和國磊等，2019)。M-1井共取心41回次，巖心鉆探總進(jìn)尺172.18 m，巖心長度158.18 m，巖心平均采取率91.87%，取得了良好的應(yīng)用效果。

表5 不同井深取心鉆進(jìn)工藝、鉆頭及鉆效統(tǒng)計表Table 5 Comparison of coring drilling technology，bit and drilling efficiency at varied well depths

圖6 6翼PDC鉆頭、針狀金剛石鉆頭Fig.6 6-wing PDC bit and acicular diamond bit

圖7 天然金剛石鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭Fig.7 Natural diamond bit and impregnated diamond bit

針對M-1井變質(zhì)花崗巖較硬割心難的問題，在鉆完取心進(jìn)尺準(zhǔn)備割心操作時，保持原轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)10～20 min停轉(zhuǎn)盤，不停泵，反復(fù)3～5次緩慢上提下放鉆具0.2～0.4 m，如果懸重增加又立即恢復(fù)到懸重，巖心被割斷，如未割斷需反復(fù)操作直至割斷為止。

4.3 海水鉆井液和淡水耐高溫聚合物鉆井液技術(shù)

調(diào)配海水鉆井液時，先將篩水做離子分析，根據(jù)分析結(jié)果加入火堿和純堿，將海水中的鈣鎂離子去除，達(dá)到海水軟化的目的。施工現(xiàn)場結(jié)合科研院所開展多次試驗，將海水鉆井液配方調(diào)整為：原漿+0.5%Na2CO3+0.2%NaOH+1.5%GPNS+0.5%-1%GTQ+0.2%GBBJ，調(diào)整后的鉆井液流變性變好，濾失量降低，有效的解決了70 m處井內(nèi)坍塌問題。

高溫巖體地?zé)峋畬λ玫你@井液要求更高，高溫鉆井液除要能保持井眼的穩(wěn)定性和有效攜帶巖屑外，還必須具有良好的抗高溫性能(郤保平等，2011；白占學(xué)等，2013；李德威和王焰新，2015；曾義金，2015；李亞琛等，2016；楊麗等，2016；趙福森和張凱.，2016；蘇長壽等，2017；張所邦等，2017)。2800 m以深各類鉆井液處理劑在高溫下減效甚至失效，鉆井液性能朝著惡化的方向發(fā)展，故后期鉆進(jìn)隨著鉆井液溫度的升高在鉆井液中加入0.5%的高溫保護(hù)劑，防止鉆井液材料在隨著鉆井液溫度的升高而失效。在該階段考慮鉆井液抗溫性、攜帶巖粉的能力、起泡以及破碎地層的護(hù)壁等因素將淡水鉆井液基漿配方調(diào)整為：4%鈉膨潤土+0.3%Na2CO3+0.1%NaOH+0.5%GHFV-Ⅰ+1.5%-2%GHFA+0.2%PHP+0.5%高溫保護(hù)劑。同時在鉆進(jìn)過程中振動篩和除砂器的開啟時間大于95%，以此來有效除去鉆井巖屑，降低鉆井液中的固相含量,從而降低濾失量和改善流變性，增加泥皮的韌性，保證鉆井施工安全進(jìn)行。

3700 m以深溫度升高過快，鉆井液的表面張力降低，有助于產(chǎn)生泡沫；鉆井液從井口返出后，溫度降低，液體的表面張力提高，不利于泡沫破滅。氣泡過多致使震動篩、除沙除泥一體機不能正常工作，通過加入適量的消泡劑，來保證鉆井液性能穩(wěn)定、泵壓穩(wěn)定。隨著后期孔深的增加，鉆進(jìn)時扭矩較大時，可加入潤滑劑，降低鉆具回轉(zhuǎn)阻力，調(diào)整沖洗液流變性能(黃衛(wèi)東等,2014；王正浩和申立，2015，紀(jì)衛(wèi)軍等,2016；張云等,2019)。

海水和淡水鉆井液測試性能見表6，調(diào)整后鉆井液的泥皮如圖8。

表6 海水鉆井液與淡水鉆井液主要性能Table 6 Main properties of seawater drilling fluid and freshwater drilling fluid

圖8 調(diào)整后的海水鉆井液泥皮和淡水鉆井液泥皮Fig.8 Mud skins in seawater and fresh water drill fluids after adjustment

4.4 高溫螺桿的使用

螺桿屬過盈配合結(jié)構(gòu)，自身存在壓差，在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生熱量，隨著井內(nèi)溫度的升高，定子橡膠部分膨脹，和轉(zhuǎn)子的間隙變小，摩擦系數(shù)會升高，溫度升高，導(dǎo)致定子被碳化、脫落，造成螺桿壽命降低甚至失效。M-1井3700 m以深溫度大于130℃，該深度鉆進(jìn)使用后的螺桿返廠維修時發(fā)現(xiàn)橡膠圈發(fā)生明顯老化現(xiàn)象，定子的橡膠部分坑洼嚴(yán)重，出現(xiàn)碳化。針對高溫螺桿失效的問題，通過和螺桿廠家聯(lián)系，更換耐150℃的高溫螺桿，能滿足3700 m以深的高溫鉆井施工需求。

4.5 鉆進(jìn)變質(zhì)花崗巖地層，跳鉆，鉆具斷裂

由于設(shè)備和鉆具老舊，2000～2800 m鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)跳鉆現(xiàn)象，且鉆進(jìn)過程中鉆鋌經(jīng)常發(fā)生斷裂。M-1井鉆具斷落后采用公錐打撈鉆具，公錐入井時，安全接頭和公錐之間用一根8#鐵絲上下焊接，保證下鉆過程中公錐不會因為振動脫落，撈住落魚后，上提5～6 m上下串動幾次，確保落魚不會脫落，再次回到井底再次帶扣，確保帶扣牢靠，提鉆過程要緩慢，禁止猛頓猛放，防止落魚再次脫落(圖9為成功打撈的落魚)。針對這一問題，在螺桿上增加了減震器，更新178 mm鉆鋌，同時轉(zhuǎn)盤減少轉(zhuǎn)動，使得鉆鋌只受縱向力，不受橫向扭矩作用，鉆鋌不再發(fā)生斷裂。

圖9 成功打撈鉆具Fig.9 Drilling tool successfully salvaged

4.6 固井

M-1井三開套管管串組合中加入兩套套管外封隔器，下套管結(jié)束后循環(huán)鉆井液，該過程在鉆井液中加入堵漏材料。固井施工注灰排量以固井之前大泵循環(huán)排量為基準(zhǔn)，要求注灰排量不得大于循環(huán)排量，以防止過高循環(huán)泵壓壓漏地層?，F(xiàn)場根據(jù)環(huán)空返漿情況及施工壓力變化隨時做出合理調(diào)整。注入密度為1.02 g/cm3的沖洗隔離液20 m3，盡量降低液柱壓力，同時在前置液和水泥漿中加入2～3 mm和3～5 mm的復(fù)合有機堵漏纖維，增強漿體的堵漏能力。

采用雙凝雙密度水泥漿體系，領(lǐng)漿采用高強低密度水泥漿體系，尾漿采用抗高溫韌性水泥漿體系，高低界面設(shè)計3200 m，領(lǐng)漿密度為1.60 g/cm3，尾漿密度為1.90 g/cm3，同時優(yōu)選水泥外加劑，保證水泥漿的配伍性。為了防止水泥在高溫下強度衰退，在水泥漿中加入適量石英砂。領(lǐng)漿配方：分散劑1.0%+漂珠15%+微硅 5%+降失水劑(高溫)3.0%+膨脹劑2.8%+早強劑3.0%+緩凝劑(高溫)2.5%+消泡劑 0.1%。尾漿配方：分散劑1.0%+石英砂35%+降失水劑(高溫)3.0%+膨脹劑2.5%+早強劑3.0%+緩凝劑(高溫)1.5%+消泡劑 0.1%。

5 結(jié)論與建議

干熱巖高溫地層影響鉆井液的性能，致使鉆井液破壞嚴(yán)重。井內(nèi)高溫環(huán)境會增加處理劑的消耗量，并且井溫越高，鉆進(jìn)的時間越長，處理劑消耗量越大，成本增加(王關(guān)清等，1998；萬緒新等，2002；鄭文龍等，2015)。前期采用海水作為鉆井液用水，鉆井液性能不穩(wěn)定，濾失量較大，材料消耗較大。改用淡水鉆井液調(diào)配后，濾失量下降，泥皮韌性增加，鉆井液材料的消耗相對海水鉆井液也減少1/3。

進(jìn)入變質(zhì)花崗巖地層后進(jìn)行了液動錘鉆進(jìn)試驗，正常工作時鉆進(jìn)效率較高，但使用壽命僅4 h，液動錘部分配件不耐沖蝕且對鉆頭沖擊破壞和鉆具螺紋損壞較大；螺桿+轉(zhuǎn)盤復(fù)合鉆進(jìn)相對于常規(guī)鉆進(jìn)鉆速提高了1.4～1.45倍，井深1974～2930 m平均鉆進(jìn)效率為2.38 m/h,隨著深度的增加，3500 m以深平均鉆進(jìn)效率為1.5 m/h,鉆進(jìn)效率偏低，間接增加鉆井成本，應(yīng)進(jìn)一步了解國內(nèi)外高效鉆進(jìn)花崗巖地層鉆頭、大直徑耐高溫螺桿提高鉆進(jìn)效率以及空氣潛孔錘在干熱巖鉆井中的應(yīng)用。

通過對比不同取心鉆井工藝，更換不同取心鉆頭，探究變質(zhì)花崗巖地層取心鉆進(jìn)效率低的問題，最終選用螺桿+川8-3取心器的取心鉆井工藝。生產(chǎn)實踐證明：后期取心天然金剛石鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭比針狀金剛石鉆頭取心進(jìn)尺快，但比PDC取心鉆頭慢，建議生產(chǎn)單位結(jié)合鉆頭廠家，聯(lián)合生產(chǎn)出適合該地層高效PDC取心鉆頭。

[附中文參考文獻(xiàn)]

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