冀中坳陷區(qū)域JZ04地熱勘探井施工技術

伍曉龍，杜垚森，王慶曉，趙遠，王曉賽

（中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000）

1 工程概況

JZ04井是2020年中國地質(zhì)調(diào)查局在華北地區(qū)冀中坳陷區(qū)域部署的一口地熱勘探井，由中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所承擔實施。鉆井目的［1］是為揭穿高陽低凸起中南部新生界和中—新元古界碳酸鹽巖地層，獲取深部熱儲層厚度、溫度、巖性、滲透性、出水量等參數(shù)，為深部地熱資源評價工作提供基礎資料，為查明博野潛山區(qū)碳酸鹽巖地層分布情況及高陽—博野斷裂空間展布，結(jié)合安國、蠡縣等地區(qū)的碳酸鹽巖地熱井數(shù)據(jù)，研究高陽低凸起中南部碳酸鹽巖儲層分布特征，提供實鉆數(shù)據(jù)。本井設計井深4000 m，三開?215.9 mm完鉆，實際完鉆井深4016.63 m，完鉆層位為薊縣系霧迷山組。

2 區(qū)域地質(zhì)特征

JZ04井行政區(qū)域?qū)俦６ㄊ胁┮翱h經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，位于博野縣東北部，施工井位距離津石高速博野縣入口約2 km，交通非常便利，通訊便捷。

施工區(qū)域位于冀中坳陷高陽低凸起博野潛山一帶，高陽低凸起是一個疊置于中元古界基底之上，呈北東向展布的新生代低凸起，總的構(gòu)造是東西兩側(cè)低，中間高，局部又有小潛山，其東側(cè)高陽斷層是一北東向的反坡向正斷層，始于沙河街四段沉積之前，至館陶組沉積時仍有活動。該斷層是高陽低凸起與蠡縣斜坡分界，其兩側(cè)是保定凹陷的董莊—溫仁等斷層，基底為薊縣霧迷山組地層［2-6］。施工實際鉆遇地層情況見表1。

表1 JZ04地熱勘探井實際鉆遇地層Table 1 Strata actually drilled by JZ04 exploration well

3 鉆井施工情況

3.1 鉆井設備

考慮到本井設計井深4000 m，依據(jù)鉆機負荷的選擇原則、井控配套等的要求，同時考慮到地層的不確定性，選擇的鉆機設備負荷能力及配置能夠滿足5000 m鉆井的需要，施工選擇ZJ50型石油鉆機［7］。

3.2 各開次施工情況

一開0～1018.62 m，井徑?444.5 mm。采用? 444.5 mm PDC鉆頭鉆進，在明化鎮(zhèn)組上部穩(wěn)定層位停鉆，主要鉆遇第四系粘土層和下部明化鎮(zhèn)組砂巖、泥巖，鉆進時控制鉆壓、轉(zhuǎn)速，大泵量噴射鉆進，確保一開井眼垂直度。加接單根時泥漿泵充分循環(huán)攜砂，根據(jù)井深和鉆速情況不斷調(diào)整泵量和鉆井液性能，滿足護壁、防塌及堵漏要求，保證起下鉆具通暢。測井完通井下入?339.7 mm×9.65 mm套管，套管下深為1018.62 m，套管鋼級為J55，采用“內(nèi)插法”固井，水泥返至地面，固井深度0～1018.62 m。

二開1018.62～3152.56 m，井徑?311.2 mm。使用?311.2 mm PDC鉆頭鉆進，2020年12月23日二開中完。本開次上部地層為新近系明化鎮(zhèn)組泥巖夾砂巖，下部為古近系沙河街組泥巖、砂巖，地層較松散，遇水易膨脹、縮徑，鉆井液性能以護壁和降失水為主，同時控制好粘度和密度。測井完通井下入?244.5 mm×8.94 mm 套管，套管下深為962.38～3152.56 m，套管鋼級為N80，與一開套管重合56.24 m。采用“穿鞋戴帽法”固井，固井深度962.38～1080 m、2780～3152.56 m。

三開3152.56～4016.63 m，井徑?215.9 mm。使用?215.9 mm牙輪鉆頭鉆進，本開次鉆遇寒武系沙巖、薊縣系霧迷山組白云巖。測井結(jié)束，根據(jù)測井結(jié)果劃分地層裂隙，通井下入?177.8 mm×8.05 mm實心套管和?177.8 mm×8.05 mm濾水管，套管鋼級J55，其中實心套管下入長度569.39 m，濾水管下入長度348.07 m，累計下入套管長度917.46 m，下入套管井段為3099.17～4016.63 m。

3.3 施工鉆具組合

施工過程中一開上部井段為保證開孔垂直度，采用塔式鉆具，下部全部采用鐘擺鉆具組合，能夠很好的起到穩(wěn)斜效果［8-9］，取心段采用川系列取心鉆具，詳細鉆具組合見表2。

表2 JZ04井鉆具組合Table 2 Drilling assembly of Well JZ04

3.4 鉆井液使用情況

一開鉆井液配置：清水+5%膨潤土+0.4% HV-CMC+1% NH4-HPAN+0.5% KPAM+2%復合瀝青+片堿+純堿，調(diào)整鉆井液密度在1.01～1.15 g/cm3，漏斗粘度28～42 s，失水量10～20 mL，泥餅≤1.5 mm。

二開鉆井液配置：基漿+0.3～0.4%大鉀+2%硅穩(wěn)定劑+2%液體降粘劑+1% LV-PAC+片堿，調(diào)整鉆井液密度在1.15～1.31 g/cm3，漏斗粘度40～84 s，失水量5～15 mL，泥餅≤1 mm。

三開鉆井液配置：基漿+1% LV-PAC+片堿，調(diào)整鉆井液密度在1.05～1.17 g/cm3，漏斗粘度47～65 s，失水量5～6 mL，泥餅≤0.5 mm。

3.5 井身質(zhì)量

JZ04井作為一口垂直型的地熱勘探井，分三開完鉆，其中一開井段0～1018.62 m，最大井斜為1.78°，300 m內(nèi)最大井斜為0.78°，完鉆井斜1.58°，平均井徑為480 mm，平均井徑擴大率為8%；二開井段1018.62～3152.56 m，最大井斜為2.06°，平均井徑為323.92 mm，平均井徑擴大率為4.1%；三開井段3152.56～4016.63 m，最大井斜5.9°，完鉆井斜2.4°，平均井徑為226.15 mm，平均井徑擴大率為4.7%，完鉆時整體鉆井質(zhì)量見圖1。

圖1 JZ04井井身軌跡投影圖Fig.1 Projection of Well JZ04 drilling trajectory

3.6 抽水試驗

本井抽水試驗井段為3223.30～4016.63 m。試驗采用200QJR150-240、200QJR63-320型潛水泵各1臺。200QJR150-240型潛水泵揚程為240 m，功率為160 kW，水量為150 m3/h；200QJR63-320型潛水泵揚程為320 m，功率為90 kW，水量為63 m3/h。潛水泵下至249.4 m處。試驗設備包括潛水泵、井下壓力傳感器、電子溫度計、電磁流量計、堰箱、測線等。抽水試驗總計歷時359 h，其中抽水時間250 h，恢復水位時間109 h。抽水試驗分3個落程加一次放噴試驗，持續(xù)時間分別為106、68、41、144 h。

第一落程共進行106 h，抽水時間80 h，恢復水位26 h，測得動水位150.04 m，熱水頭+38.13 m，降深188.17 m時涌水量73.663 m3/h，單位涌水量0.391 m3/（h·m），溫度120.1 ℃，氣水混合物流量為227.84 m3/h。

第二落程共進行68 h，抽水時間44 h，恢復水位24 h，測得動水位88.40 m，降深126.53 m，水量51.282 m3/h，溫度118.0 ℃，單位涌水量0.405 m3/（h·m），氣水混合物流量為223.32 m3/h。

因本井自流情況穩(wěn)定，所以先進行放噴試驗確定自流量情況。

放噴試驗先進行引流，抽水時間29 h，測得動水位150.00 m，涌水量73.663 m3/h，溫度120.9 ℃，氣水混合物流量為228.49 m3/h。放噴試驗共進行115 h，其中自流73 h，恢復水位觀測42 h，測得動水位+0.75 m，降深37.38 m，自流量25.142 m3/h，溫度110.5 ℃，單位涌水量0.673 m3/（h·m），氣水混合物流量為170.34 m3/h。

第三落程采用200QJR63-320型潛水泵，揚程320 m，功率90 kW，最大抽水量63 m3/h，潛水泵下至249.4 m處，共進行41 h，其中抽水時間24 h，恢復水位17 h。測得動水位29.34 m，降深67.47 m，水量28.895 m3/h，溫度115.0 ℃，單位涌水量0.428 m3/（h·m），氣水混合物流量為190.85 m3/h。抽水試驗中繪制關系曲線見圖2～4。

圖2 Q、S-t關系曲線Fig.2 Q and S-t relation curves

圖3 Q=f(S)關系曲線Fig.3 Relation curve of Q= f(S)

圖4 q=f(s)關系曲線Fig.4 Relation curve of q = f(s)

依據(jù)上述抽水試驗過程得到抽水試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 抽水試驗數(shù)據(jù)Table 3 Pumping test data

4 施工難點及解決措施

JZ04井設計井深大，覆蓋層厚，為順利鉆至地下熱儲層，按照地質(zhì)要求完鉆口徑≮215.9 mm，上部地層一開、二開鉆進過程中出現(xiàn)井漏、坍塌，三開進入目的層霧迷山組鉆進時出現(xiàn)卡鉆、漏失，同時裂隙發(fā)育地層取心效率低等，通過調(diào)整鉆井液性能，優(yōu)化鉆頭選型等措施，順利完成鉆井施工。

4.1 一、二開井眼直徑大，裸眼井段長

本井一開鉆進口徑444.5 mm，設計鉆深1400 m，實際鉆深1018.62 m，鉆遇地層為第四系、新近系明化鎮(zhèn)上部。該井段鉆進口徑大，地層以大段泥砂巖為主，遇水易膨脹、縮徑、造漿、出現(xiàn)井壁坍塌，漏失，增加鉆井風險。施工過程一是優(yōu)選聚合物鉆井液體系，確保該體系中足夠的大分子含量，使鉆井液有足夠的包被抑制能力，鉆井液性能主要以防塌護壁為主［10-14］；二是采用鐘擺鉆具，隨時調(diào)整加大泥漿泵排量，加快鉆進速度，在鉆進200 m左右做短起下作業(yè)，保證井眼暢通，鉆至1018.62 m處分析上返巖屑稍硬，鉆進參數(shù)較穩(wěn)定，停止一開鉆進，進行測井下套管，保證一開的順利完鉆。

二開鉆進口徑311.2 mm，設計鉆深3100 m，實際鉆深3152.56 m，鉆遇地層為明化鎮(zhèn)下部、館陶組、東營組、沙河街組、孔店組、饅頭組。本開次鉆進井段跨度大，以沙河街組為界，上部井段以泥砂巖為主，鉆井液密度和粘度較小，進入沙河街組后有大段砂泥巖，易吸水膨脹出現(xiàn)垮塌，需提高鉆井液密度和粘度，降低失水量，施工過程中在鉆井液中加入瀝青類、大分子、細目碳酸鈣等改善泥餅質(zhì)量，加入乳化瀝青提高鉆井液防塌、潤滑性能，降低鉆具摩阻，每隔150～200 m進行短起下一次，確保井眼順暢。最終鉆進至3152.56 m處停止二開鉆進，測井后迅速下入二開套管。

4.2 孔店組出現(xiàn)嚴重漏失

鉆進至2029 m孔店組時井口鉆井液突然失返，發(fā)生嚴重漏失，漏失前上返巖屑為磚紅色砂質(zhì)泥巖，未見灰?guī)r或白云巖，分析原因孔店組地層巖性以泥巖為主，施工對鉆井液密度、粘度要求不能太大，但該層位于沙河街組以下，在沙河街組施工時為保證井壁穩(wěn)定，鉆井液密度和粘度較大，在突然穿過沙河街組進入孔店組時，由于鉆井液密度較大，瞬間壓漏地層，出現(xiàn)井內(nèi)大量漏失。

漏失發(fā)生后立即搶起鉆具，同時連續(xù)向井筒灌漿，保持井內(nèi)有一定量的鉆井液，維持井壁穩(wěn)定，同時配堵漏漿60 m3（堵漏漿配方為：清水+土粉+磺化瀝青PAC-LV+重晶石+15%復合堵漏劑+5%單項壓力封閉劑+5%DSA+3%細目碳酸鈣+黃原膠提粘至滴流），起鉆至套管內(nèi)，將堵漏漿用小排量泵注入井內(nèi)，注堵漏漿過程中井口返出鉆井液量較小，堵漏漿全部注入井內(nèi)后進行靜止堵漏，在靜止堵漏期間配地面鉆井液，15 h后開始下鉆，下鉆過程中返漿正常，每下200～300 m小排量循環(huán)一周，返漿正常，基本無漏失，下鉆到底后小排量循環(huán)無漏失，隨后緩慢將排量提至鉆進時排量，基本無漏失，恢復鉆進后，在鉆進過程中仍有滲漏現(xiàn)象，漏速在1.5～2 m3/h，鉆井液消耗量較大，每天配隨鉆堵漏新漿40 m3左右進行補充，連續(xù)堵漏鉆進約10 d，基本恢復正常，開始正常鉆進，正常堵漏過程累計消耗鉆井液約400 m3。

4.3 目的層取心效率低

JZ04井施工目的層為薊縣系霧迷山組，地質(zhì)設計要求該層位取心不少于4個回次，巖心采取率≮60%。采用川7-4取心鉆具配金剛石取心鉆頭，回次進尺最大不足1 m，鉆頭磨損嚴重，取心時泵壓較高，鉆進效率低。為改善取心效果，采用川6-4取心鉆具，配套PDC取心鉆頭，取心效果雖有所改善，但蹦齒嚴重。調(diào)整取心鉆頭PDC復合片直徑由18 mm改為12 mm時，取心效果最佳，鉆頭的磨損小，蹦齒少，取心效率高，取心效果有所改善，初步解決取心回次進尺低、巖心采取率低等問題，滿足取心要求。

分析整個取心過程發(fā)現(xiàn)，所鉆遇霧迷山組白云巖硬而脆，具有很強的研磨性，對金剛石取心鉆頭材質(zhì)要求高，要使金剛石鉆頭達到好的效果又需要較高的轉(zhuǎn)速，而鉆機轉(zhuǎn)盤速度較低，金剛石不易開刃，不易進尺，巖心易重復破碎，導致鉆頭磨損嚴重，取心效果不佳。采用PDC鉆頭取心鉆進時復合片以沖擊破碎為主，而大直徑復合片耐沖擊性小于小直徑復合片，所以大直徑復合片易蹦齒，而小直徑復合片則效果較好，具有很好的經(jīng)濟實用性。

5 取得的成果

5.1 鉆井技術成果

5.1.1 實現(xiàn)大井深條件三開完鉆

JZ04井設計井深4000 m，完鉆目的層為薊縣系霧迷山組，考慮到鉆井過程中不可遇見性較大，預測地層情況與實鉆地層有一定的差距，加之該地區(qū)熱儲層埋深大，覆蓋層厚，容易出現(xiàn)井漏、坍塌、卡鉆、埋鉆等鉆井事故［15-18］，同時，本井按照地質(zhì)設計要求，完鉆口徑盡量不小于215.9 mm，因此，井身結(jié)構(gòu)設計和施工需綜合考慮上述因素，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)設計原則，設計三開?215.9 mm完鉆，預留四開?152 mm口徑。實際施工過程中，經(jīng)過項目組人員對鉆具組合優(yōu)化、鉆井液材料性能控制、鉆井參數(shù)合理選擇、地層分界面判斷并及時下入各開次套管，各項技術措施得當，最終在保證完成地質(zhì)目標和鉆井目標的前提下，實現(xiàn)大井深條件三開完鉆，其中二開裸眼段長度2133.94 m，三開完鉆口徑?215.9 mm，滿足后續(xù)地質(zhì)試驗需求。完鉆井身結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 JZ04井完鉆井身結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of Well JZ04 drilling and completion

5.1.2 完成取心作業(yè)，獲取實物巖心

按照鉆井地質(zhì)設計要求，全井進行巖屑編錄，換層進行取心，進入目標儲層后加密取心。本井設計取心9回次，實際取心14回次，總進尺58.93 m，巖心總長49.49 m，平均巖心采取率82.68%。巖心采取質(zhì)量控制符合設計要求，取心統(tǒng)計見表4。

表4 取心情況統(tǒng)計Table 4 Coring results

5.1.3 總結(jié)水熱型地熱鉆探鉆完井工藝

根據(jù)本井的實施，總結(jié)出適用于工作區(qū)的水熱型地熱鉆探鉆完井工藝方法，通過優(yōu)化鉆具組合、鉆井液配比、堵漏、取心等技術，優(yōu)選配置鉆頭、鉆具，實現(xiàn)高效鉆進，解決了裂隙發(fā)育地層中提高鉆效、防漏失、取心的技術難題。初步形成復雜地層中提高鉆效、防漏失、取心的高效地熱鉆探技術方法。

5.2 地質(zhì)成果

5.2.1 初步查明工作區(qū)的地層序列

通過巖心、巖屑錄井并結(jié)合物探測井工作，基本查清了工作區(qū)地層層序及主要巖性特征。JZ04地熱勘探井揭露并完善了博野縣城東北部發(fā)育的地層變化情況，為研究高陽臺凸的深部地層提供了全新的資料。本井自上而下鉆遇地層為第四系，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系東營組、沙河街組、孔店組，寒武系饅頭組，青白口系長龍山組，薊縣系霧迷山組（未揭穿）（見表5）。

表5 JZ04井預計揭露地層與實際揭露地層Table 5 Predicted and actual strata exposed in Well JZ04

5.2.2 鉆獲地溫場特性

測井顯示井底最高溫度135.049 ℃，代入相關計算公式，得到本井鉆遇地層地溫梯度如表6所示。

表6 地溫梯度Table 6 Geothermal gradients

5.2.3 鉆獲深部熱儲層特征

JZ04勘探井利用熱儲為薊縣系霧迷山組巖溶裂隙熱儲，巖性主要為灰、灰白色白云巖、泥質(zhì)白云巖，含燧石。裂隙發(fā)育段總厚度297.3 m，占地層總厚度的38.28%（儲厚比），孔隙度加權(quán)平均值為5.07%，滲透率加權(quán)平均值為6.46×10-3μm2，抽水試驗獲得熱水頭+38.13 m，動水位埋深為150.04 m，水位降深188.17 m時涌水量73.663 m3/h，單位涌水量0.391 m3/（h·m），井口氣水混合物溫度120.1 ℃，氣水混合物的流量為227.84 m3/h。

6 結(jié)論和建議

（1）通過本井施工，對大深度地熱勘探井井身結(jié)構(gòu)設計、鉆井液配比、取心鉆具的選用積累了經(jīng)驗。

（2）分析本井獲取的實物巖心、巖屑資料，初步查清該區(qū)域地層層序及主要巖性特征，揭露并完善了工作區(qū)巖性發(fā)育及地層變化情況，為研究高陽臺凸的深部地層提供了全新的資料。

（3）通過對本井水位、水量、水溫進行定期監(jiān)測，建立地下熱水動態(tài)檔案，可為該區(qū)域地熱井利用提供相關數(shù)據(jù)。

本井作為冀中坳陷區(qū)域博野縣境內(nèi)最深的地熱勘探井，其成果資料具有一定的科研參考價值，希望有關單位能夠依托鉆井資料，結(jié)合該區(qū)域地熱井資料，對該區(qū)域地熱資源合理利用提供指導方向。