崇禮地區(qū)ZK01-2地熱勘探井鉆探施工技術

張杰豐，陳岳，王紹民，張德龍，郭強，楊鵬

(1.河北省煤田地質(zhì)局第四地質(zhì)隊,河北宣化 075100；2.北京探礦工程研究所,北京 100083)

0 引言

隨著2022年冬季奧運會的成功申辦，張家口市崇禮區(qū)迎來跨越式發(fā)展。到2020年，奧運村、崇禮區(qū)、主要風景區(qū)和周邊農(nóng)村將作為可再生能源示范區(qū)全部采用可再生能源。在崇禮旅游區(qū)氣、電價格昂貴且供熱管道修建困難的情況下，地熱資源作為清潔能源以價格低廉和應用便捷等優(yōu)點得到空前需求，為崇禮區(qū)冬奧會場館及周邊地區(qū)的地熱資源開發(fā)利用起到巨大的推動作用。

以冬奧會為契機，通過實施張家口地區(qū)地熱資源調(diào)查評價，ZK01-2井獲取地熱資源和與地熱相關的地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地溫變化、熱儲特征、地熱流體化學特征，取得代表性計算參數(shù)，進行地熱資源計算與評價，服務于冬奧會場館及周邊地熱資源的開發(fā)利用[1-3]。

1 ZK01-2井概況

ZK01-2井是部署在河北省張家口市崇禮區(qū)太子城北三道溝村南的一口地熱勘探井，井型為直井，目的層為中太古界崇禮群片麻巖斷裂破碎帶，設計井深1500.00 m。2020年7月15日開鉆，2020年11月11日鉆達井深1504.88 m，按設計完鉆。該井未鉆穿燕山早期花崗巖地層，鉆探過程中未見崇禮群片麻巖，表明片麻巖熱儲層埋深超出預測深度。該井最大井斜4.7°，位于1330 m處，測井顯示孔底溫度29.17 ℃，抽水最高井口溫度22 ℃。抽水1次，施工過程中共取心19回次，取心進尺41.67 m，巖心長35.73 m，巖心收獲率85.75%，撈取巖屑472包。ZK01-2井設計和實鉆地層如表1所示，井身結(jié)構(gòu)及套管程序如圖1和表2所示[1]。

表1 ZK01-2井設計與實鉆地層

表2 完鉆井身結(jié)構(gòu)及套管程序

圖1 ZK01-2完井井身結(jié)構(gòu)

2 鉆孔設計及質(zhì)量要求

ZK01-2井參照《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615-2010)、《鉆井井身質(zhì)量控制規(guī)范SY/T 5088-2017》標準執(zhí)行。井口移動范圍100 m，全井段最大井斜≤5°，全角變化率≤4°/30 m，井底水平位移≤50 m[2-3]。

鉆孔根據(jù)鉆探深度和目的合理設計井身結(jié)構(gòu)，各開次深度視鉆井具體情況確定，變徑區(qū)域的套管重疊段要有足夠強度。鉆孔主要質(zhì)量要求包括：①全井井身質(zhì)量滿足設計要求，泵室段保持垂直；②井眼軌跡平滑，井內(nèi)干凈、無落物；③依據(jù)鉆遇巖層合理確定鉆探工藝技術，有效優(yōu)化鉆進技術參數(shù)，縮短鉆井周期；④鉆進過程中，每100～150 m測一次井斜，易傾斜井段要加密測量點數(shù)，及時調(diào)整鉆井參數(shù)、鉆具組合與施工措施等，防止井斜超標。

3 主要鉆探設備及鉆具

綜合考慮經(jīng)濟性、實用性、方便性和有效性等因素，根據(jù)最大鉆具和套管重量，考慮附帶一定的安全系數(shù)，選用GZ-2600鉆機。

GZ-2600鉆機為轉(zhuǎn)盤式機械傳動鉆機，最大鉆深1800 m(127 mm鉆桿)，最大鉆柱質(zhì)量57 t，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速43 r/min、63 r/min、93 r/min、156 r/min，轉(zhuǎn)盤最大輸出扭矩是30 kN·m、22 kN·m、16 kN·m、9 kN·m，最大鉤載1050 kN。配備兩臺Y280M-4型電動機，備用一臺12V135型柴油機。配備一臺3NB-1300型泥漿泵，全套三級固控設備，可以滿足不同鉆進過程中泵量和泵壓的需求。

4 鉆井工藝

本井為地熱勘探井，缺少深部地層實鉆資料，鉆探過程中鉆遇不可預見性因素較多，鉆井施工中一定要重視安全生產(chǎn)。根據(jù)以往地質(zhì)資料及相鄰井鉆井數(shù)據(jù)，ZK01-2井實施正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進，二開采用螺桿+液動沖擊器鉆進，在鉆遇地層漏失嚴重且?guī)r屑無法排除時，根據(jù)實鉆情況采用清水“頂漏鉆進”及按照要求取心鉆進、提速鉆進等鉆進工藝施工，保證工程質(zhì)量[4-5]。

4.1 導管段井段(0～18.00 m)

導管段為第四系地層，以亞砂土和砂礫巖為主。本井段采用直徑444.5 mm三牙輪鉆頭鉆進鉆穿第四系風化段進入完整基巖2 m，下入直徑339.7 mm表層導向護壁套管，進行水泥固井，隔離地表疏松層及風化層。

4.2 一開井段(18.00～489.42 m)

一開鉆遇地層是燕山早期二長花崗巖，主要成分為斜長石、鉀長石及少量的石英和云母，巖石硬度高、可鉆性差，機械鉆效低。采用直徑311.2 mm三牙輪鉆頭配合塔式鐘擺鉆具組合進行鉆進，同時進行各項錄井，鉆進至489.42 m后進行測井作業(yè)和固井作業(yè)，下入J55鋼級244.5 mm×8.94 mm套管，下入深度488.64 m。一開采取巖屑樣236包，通過測井數(shù)據(jù)分析，井斜角1°～1.5°，最大井斜所在深度為243.00 m，最大井斜所在方位為316.8°，平均井徑325.4 mm，井徑擴大率4.8%～12.4%，施工過程滿足設計及規(guī)范要求。

4.3 二開井段(489.42～1504.88 m)

二開采用直徑215.9 mm三牙輪鉆頭和PDC取心鉆頭及其配套鉆具鉆進，同時進行各項錄井工作及階段性取心作業(yè)，鉆進至1504.88 m完鉆，并進行二開綜合測井、超聲成像測井及綜合抽水試驗。二開鉆遇地層相對穩(wěn)定，為二長花崗巖，完鉆后井底取心，巖性仍為二長花崗巖。二開總進尺1015.46 m，采取巖屑236包，通過終孔測井資料分析，二開平均井徑擴大率為10.9%，最大井斜(4.7°)位于1330 m處，方位為130.5°，最大水平位移為47 m，位于井底，井底東西位移為東偏42.5 m，井底南北位移為南偏-20.1 m，井底閉合方位為115.3°，井底溫度29.17 ℃，全部施工過程滿足設計及規(guī)范要求。

4.4 取心鉆進

根據(jù)鉆井設計要求，ZK01-2井取心時嚴格測量和選配取心工具，鉆進中送鉆平穩(wěn)，不停泵、不停鉆，根據(jù)鉆壓、泵壓和扭矩變化準確判斷巖性層位。除第四系地層外，全井定深取心，每鉆進100 m至少取心一個回次，巖心長度不少于4 m，地層發(fā)生變化時應及時取心，同一地層至少取心3筒(地層頂部、中部、底部各取1筒)，一般地層完整巖心采取率平均不少于80%，風化或破碎基巖巖心采取率平均不少于50%，巖心直徑不小于70 mm，取心率達不到要求時增加取心鉆進回次直至滿足取心長度要求。采用提鉆取心鉆進工藝進行取心作業(yè)，共取心19回次，取心進尺41.67 m，巖心長度35.73 m，平均巖心采取率85.75%[6]。圖2為所取巖心，取心情況統(tǒng)計見表3。

表3 ZK01-2井取心情況統(tǒng)計表

圖2 ZK01-2井巖心(井深1308.83～1312.60 m)

5 鉆具組合及鉆井參數(shù)

ZK01-2采用滿眼式鉆具組合和塔式鉆具組合結(jié)構(gòu)，可有效地緩解鉆具應力集中，增加鉆具回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，防止井斜。

導管段鉆具組合：直徑444.5 mm三牙輪鉆頭+直徑203.2 mm 鉆鋌+直徑127 mm鉆桿。

一開鉆具組合：①直徑311.2 mm三牙輪鉆頭+直徑203 mm鉆鋌+直徑178 mm鉆鋌+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿，②直徑311.2 mm三牙輪鉆頭+7LZ203*7Y TH-6螺桿+直徑203 mm鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+直徑177.8 mm鉆鋌+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿，一開取心鉆具組合：直徑215.9 mm PDC取心鉆頭+川8-3取心工具+直徑178 mm鉆鋌+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿。

二開鉆具組合：①直徑215.9 mm三牙輪鉆頭+直徑178 mm鉆鋌+直徑159 mm鉆鋌+直徑127 mm 鉆桿+方鉆桿，②直徑215.9 mm三牙輪鉆頭+7LZ172*7Y TH-6螺桿+直徑178 mm鉆鋌+411*4A10轉(zhuǎn)換接頭+直徑159 mm鉆鋌+NC46/NC50+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿，③直徑215.9mm三牙輪鉆頭+直徑172mm射流沖擊器+直徑178mm鉆鋌+NC50/NC46+Φ159 mm鉆鋌+NC46/NC50+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿，④直徑215.9 mm KS1652PDC鉆頭+儲能提速器+直徑178 mm鉆鋌+NC50/NC46+直徑159 mm鉆鋌+NC46/NC50+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿；二開取心鉆具組合：直徑215.9 mm PDC取心鉆頭+川8-3取心工具+直徑178 mm鉆鋌+直徑159 mm鉆鋌+直徑127 mm鉆桿+方鉆桿。

根據(jù)地層巖性特征，全井鉆進過程中鉆頭選型及鉆進參數(shù)見表4。

表4 全面鉆進參數(shù)一覽表

6 鉆井液

根據(jù)本井地層巖性特點及保護取水段含水層不受損壞，采用低密度、低濾失的優(yōu)質(zhì)聚合物低固相鉆井液體系鉆進。

6.1 表套段鉆井液

因該井段鉆遇地層為第四系亞砂土和砂礫層，成巖性差，且易垮塌，故此段鉆井液主要以攜帶巖屑、穩(wěn)定井壁為主。采用預水化膨潤土鉆井液，開鉆前按配方配制新漿45 m3，新漿要充分預水化，性能調(diào)整到設計要求方可開鉆，必須保持鉆井液較高的黏度。鉆穿第四系后大排量沖孔，保持井底干凈，確保表套順利下入。

6.2 一開、二開段鉆井液

一開、二開鉆遇地層均是燕山早期二長花崗巖地層，采用將采用低密度、低濾失優(yōu)質(zhì)聚合物低固相鉆井液體系鉆進，鉆井液的黏度維持在30～50 s、密度1.05～1.10 g/cm3，確保井壁相對完整，鉆井液主要參數(shù)見表5。

表5 鉆井液參數(shù)

7 主要施工技術

7.1 清水“頂漏鉆進”

2020年10月2日15:00二開鉆進至井深973.25 m(鉆具組合是：215.9 mm三牙輪鉆頭0.25 m+172 mm螺桿7.39 m+178 mm鉆鋌44.74 m+411/4A10接頭0.28+159 mm鉆鋌93.01 m+4A11/410接頭0.32+127mm鉆桿852.91 m)。層位是燕山早期，巖性是二長花崗巖。總池體積45 m3下降至30 m3，現(xiàn)場判斷為滲漏(鉆井液密度1.08 g/cm3，黏度27 s，濾失量9 mL，pH=8)，邊鉆進邊加強坐崗觀察。于19:00鉆進至井深980.00 m，經(jīng)當班坐崗人員測量共漏失鉆井液35 m3，鉆井液為返出井口，遂停止鉆進起鉆，21:30起鉆鉆至導管內(nèi)，次日01:00靜止觀察無漏失并配置堵漏鉆井液30 m3。2020年10月3日11:30調(diào)整鉆具組合(215.9 mm三牙輪鉆頭0.25 m+430/410接頭0.6 m+178 mm鉆鋌44.74 m+411/4A10接頭0.28+159 mm鉆鋌74.52 m+4A11/410接頭0.32+127 mm鉆桿470.61 m)，再次配置堵漏鉆井液15 m3，開鉆后泥漿未返出地面堵漏失敗，開始清水頂漏鉆進[7]。

7.2 多種聯(lián)合鉆井工藝

666.1～685.1 m直井段應用儲能沖擊器一套(鉆具組合是：215.9 mm KS1652PDC鉆頭0.35 m+儲能提速器1.05 m+178 mm鉆鋌44.74 m+NC50/NC46接頭0.28 m+159 mm鉆鋌74.52 m+NC46/NC50接頭0.32 m+127 mm鉆桿546.70 m)，進尺19.00 m，工具入井工作時間37.50 h，其中純鉆時間14.00 h，平均機械鉆速1.36 m/h，同比提高36%，初期低鉆壓、低鉆速參數(shù)下鉆速1.50 m/h，突破了金剛石鉆頭花崗巖使用禁區(qū)，為同類地層鉆井提速提供了一種可選技術手段。

821.67～905.17 m直井段應用172 mm液動沖擊器一套[8](鉆具組合：215.9 mm三牙輪鉆頭0.25 m+沖擊器2.66 m+178 mm鉆鋌44.74 m+NC50/NC46接頭0.28 m+159 mm鉆鋌93.01 m+NC46/NC50接頭0.32 m+127 mm鉆桿690.38 m)，進尺83.50 m，工具入井工作時間93.14 h，其中純鉆時間77.90 h，循環(huán)時間12.24 h，劃眼時間3.00 h，平均機械鉆速1.1 m/h，同比上部井段(758.68～819.67 m，平均機械鉆速0.82 m/h)提高30.7%，單只鉆頭進尺同比增加36.9%，整個鉆進過程地層未發(fā)生改變，井壁無坍塌掉塊等復雜事故發(fā)生，起鉆后井口測試沖擊器正常工作。

8 鉆井效率分析

通過施工統(tǒng)計，0～1504.88 m施工總時間為2889.26 h，純鉆時間為1654.59 h，占總作業(yè)時間的57.27%；測井時間為76.50 h，占總作業(yè)時間的2.65%；下管及固井107.83 h，占總作業(yè)時間的3.73%；抽水試驗時間91.00 h，占總作業(yè)時間的3.15%；輔助時間(事故處理、設備修理、停工等)為959.34h，占總作業(yè)時間的33.20%[9]。

9 結(jié)論及建議

9.1 結(jié)論

(1)查明了1500 m以淺地層層序及巖性，鉆探過程中未鉆穿燕山早期花崗巖地層，未見中太古界崇禮群片麻巖，表明片中太古界崇禮群片麻巖儲層埋深超出預測深度，該地熱勘探孔地層巖性及層序為今后本地區(qū)的施工提供了基本的參考資料。

(2)針對不同地層配置、調(diào)整相應性能的鉆井液，防止崩塌、縮徑等情況的發(fā)生。

(3)鉆遇易縮徑地層時，及時短暫提鉆，提至無縮徑或輕微縮徑的地層后再下鉆掃孔，預防地層嚴重縮徑造成起鉆困難。

(4)鉆遇地層裂隙較發(fā)育時，易遇水崩解掉塊且地層可鉆性極差，鉆頭磨損嚴重，進尺緩慢。通過調(diào)整鉆井液性能，平衡地層壓力，防止掉塊，調(diào)整鉆井液黏度、加大鉆鋌重量等方法提高鉆進效率。

(5)一開二開鉆進時，使用低密度、低固相鉆井液，保證鉆井液體系對鉆井生產(chǎn)需求前提下，極大程度地降低對含水層污染，提高鉆進效率。

(6)地層裂隙較發(fā)育段973.25 m出現(xiàn)嚴重漏失現(xiàn)象，清水鉆進，巖屑不上返，應及時觀察鉆進情況，遇憋鉆或憋泵等復雜情況，立即停止鉆進。

9.2 建議

(1)導管段為第四系，以亞砂土和砂礫巖為主，鉆井施工須注意防漏和防塌。

(2)施工地層為致密性二長花崗巖，研磨性強、可鉆性差、施工工期較長，應根據(jù)鉆遇地層實際情況，采用具有針對性的提速工具。

(3)二開裸眼井段長，其巖心是二長花崗巖，上部地層較為完整，重點是通過優(yōu)化鉆進參數(shù)提高機械鉆速。在鉆進過程中，要禁止大幅度調(diào)整泥漿性能，這樣很容易引起井下復雜情況。下部地層破碎，且裂隙裂縫發(fā)育，重點做好防塌、防漏、防止卡鉆等工作。

(4)破碎地層取心鉆進過程中，容易出現(xiàn)取心筒堵塞，應對常規(guī)大口徑取心筒內(nèi)壁進行材質(zhì)優(yōu)化，提高取心效率。