雄安新區(qū)基巖熱儲鉆探施工技術(shù)探討

齊 恭，李 楊，齊曉鳳，高鵬舉，董向宇*

（1.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文工程地質(zhì)大隊，河北 衡水 053000；2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000）

0 引言

地熱是世界公認的極具應(yīng)用價值的、新型綠色清潔可再生能源，具有分布范圍廣、儲量大的特點。開發(fā)利用地熱資源是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標任務(wù)、治理大氣污染的重要途徑之一［1］。雄安新區(qū)地處華北平原腹地，位于牛駝鎮(zhèn)地熱田、容城地熱田和高陽地熱田區(qū)域內(nèi)，地熱資源賦存條件極好［2］。2017—2021 年的5 年中，以“探測薊縣系熱儲發(fā)育深度及開發(fā)潛力，為雄安新區(qū)提供地熱資源開發(fā)的第二空間，全面支撐服務(wù)雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)”為重要的工作目標，先后完成了數(shù)十口地熱勘探井，為雄安新區(qū)地熱清潔能源開發(fā)利用和國土資源管理提供了大量精確的原始數(shù)據(jù)資料。

1 雄安新區(qū)地熱地質(zhì)特點

雄安新區(qū)下覆地層自下而上發(fā)育了太古界-古元古界、中元古界（長城系和薊縣系）、古近系（孔店組、沙河街組、東營組）、新近系（館陶組和明化鎮(zhèn)組）和第四系地層［3］，主要熱儲為砂巖孔隙熱儲和基巖裂隙熱儲。

（1）新近系館陶組孔隙熱儲。雄安新區(qū)內(nèi)館陶組熱儲在廊固凹陷和牛駝鎮(zhèn)凸起及保定凹陷部分缺失，其它地方均有分布。

（2）寒武-奧陶系裂隙巖溶熱儲。主要分布在容城縣城、安新縣城西部地區(qū)和雄縣的西北部，熱儲層主要為奧陶系的馬家溝組、亮甲山組、冶里組及寒武系的炒米店組、崮山組、饅頭組，主要巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r［3］。

（3）薊縣系霧迷山組、高于莊組裂隙巖溶熱儲。主要分布于牛駝鎮(zhèn)凸起和高陽低凸起上，呈北東向連續(xù)分布。是一種沉積碳酸鹽巖，巖性主要為白云巖、燧石條帶白云巖、泥質(zhì)白云巖等［2］，泥質(zhì)白云巖軟硬互層，地層傾角大（見圖1a），地層膠結(jié)程度高，含有較多燧石團塊、條帶，燧石白云巖（見圖1b）。白云巖硬度4～5 級，燧石硬度大致為7～8 級，研磨性強。巖石脆性較強，遇外力呈塊狀破碎（見圖1c）。巖溶裂隙發(fā)育，連通性好（見圖1d）。

圖1 典型基巖熱儲地層Fig.1 Typical bedrock thermal reservoir formation

2 基巖熱儲鉆探常見問題

（1）基巖熱儲地層巖溶裂隙發(fā)育，巖性硬脆碎且軟硬不均嚴重，鉆進過程中易發(fā)生漏失、掉塊、卡鉆等事故。鉆進參數(shù)不易控制，導(dǎo)致鉆頭的適應(yīng)性差，影響鉆進效率、井身質(zhì)量和固井質(zhì)量［4］。

（2）基巖熱儲頂板風化殼鉆進常常面臨著井內(nèi)嚴重漏失，甚至失反的突發(fā)狀況，由于漏失量大，實施有效合理的封堵比較困難，導(dǎo)致風化殼上部井段發(fā)生井壁失穩(wěn)、坍塌，引發(fā)卡埋鉆事故。面對井下大量鉆屑沉渣或者井壁失穩(wěn)坍塌掉塊的復(fù)雜井下情況，實踐中經(jīng)常發(fā)生不能正常鉆進到穩(wěn)定基巖界面形成技術(shù)套管過早下入的局面。技術(shù)套管不能合理的坐到基巖穩(wěn)定層面［5］，套管底部未封隔的風化殼層坍塌掉塊、泥漿漏失將不能完全有效控制，，形成局部隱患井段，嚴重影響后續(xù)鉆井施工［6］。

（3）取心鉆進過程中受地層裂隙及軟硬不均等因素影響，時常形成堵心的情況，回次取心進尺短，巖心采取率低。

3 鉆探技術(shù)解決方案

在充分分析鉆遇地層特性的前提下，通過改進鉆井工藝，研制適宜的鉆具、鉆頭，調(diào)整鉆具組合，控制鉆進參數(shù)等手段，對基巖熱儲鉆探所遇到的技術(shù)問題進行逐一解決。

3.1 風化殼地層鉆進

風化殼是指基巖熱儲層頂部遭受風化和溶蝕形成的風化層，在薊縣系霧迷山組的頂部廣泛存在，大致由燧石白云巖、燧石條帶、礫石層組成。風化殼層內(nèi)部構(gòu)造裂隙極為發(fā)育，在雄縣、容城地熱田范圍內(nèi)，風化殼厚度一般在10～50 m。當鉆透風化殼層時，經(jīng)常會遇到井內(nèi)泥漿瞬時失反性大量漏失的狀況，導(dǎo)致裸露的古近系或新近系大口徑沉積巖井筒失穩(wěn)，發(fā)生井壁坍塌、埋鉆或掉塊卡鉆等井下事故［7-9］。

針對風化殼層鉆進，可以采取以下方法。

（1）根據(jù)臨井或區(qū)域地質(zhì)資料以及隨鉆巖屑等資料預(yù)測風化殼埋深，預(yù)計距離到風化殼30～50 m時，調(diào)整泥漿性能，增強泥漿的攜砂能力，提高泥漿的封堵性能。鉆進風化殼層位，常有鉆具放空、蹩鉆、跳鉆，泥漿漏失等現(xiàn)象，此時應(yīng)觀察記錄巖屑、鉆壓、立壓、進出口密度、鉆速、出口流量、循環(huán)液總體積等參數(shù)。

（2）卡準風化殼界面。進入風化殼前一般會有造漿性能的紅色、黃色、乳白色的粘土，循環(huán)泥漿會有短暫顏色變化，這預(yù)示著即將鉆進風化殼，要實時監(jiān)測上返巖屑，計算好遲到時間。

（3）小徑探孔施工工法。鉆達風化殼頂部時，實施提鉆更換小徑鉆具簡化鉆具結(jié)構(gòu)鉆進的策略。一般是采用?152 mm 口徑牙輪鉆頭進行先導(dǎo)試探鉆進，采取小鉆壓、大排量、近平衡的鉆進方式。

小徑鉆具鉆進深度不宜超過一個立根長度，嚴密觀測泥漿消耗和巖屑情況，捕捉嚴重漏失井段位置，如出現(xiàn)失反性漏失，迅速提鉆至大徑孔段，此時一般情況下井內(nèi)泥漿攜帶高濃度的巖屑把鉆開的基巖漏失通道迅速架橋堵塞。

如果一個立根長度鉆完后未見較大漏失情況，應(yīng)該循環(huán)泥漿，觀察上返巖屑，判斷井底地層情況，如未穿透風化殼應(yīng)提鉆將這段小徑井段實施擴孔，然后繼續(xù)使用小徑鉆進探孔。

確認鉆進到完整基巖后，對小徑井段導(dǎo)孔進行擴孔，擴孔深度距離小徑探孔孔深1 m 時停止擴孔，充分循環(huán)，實施下管固井工序。

3.2 嚴重漏失的堵漏處理

對于基巖熱儲地熱井，一般認為漏失量＞10 m3/h 即為中等以上漏失［10］。地層大漏失一般會有2種情形：一種是鉆穿風化殼后，已經(jīng)下入套管并固井完成，新開次開始鉆進后漏失，這時大漏失泥漿不能循環(huán)、鉆孔內(nèi)沉渣多，影響鉆進，但不會引起基巖面上部井壁失穩(wěn)，造成井壁坍塌；另一種情況是在鉆進風化殼時發(fā)生大漏失，井壁極易因漏失失穩(wěn)。實踐中常用固相泥漿加惰性材料隨鉆堵漏的方式，或者針對大的漏失采用速凝水泥漿堵漏。下面介紹一種采用封隔器有效完成水泥漿堵漏的方法。

壓力平衡水泥漿固井是經(jīng)常采用的封堵方法。采用水泥漿堵漏，如何讓水泥漿在預(yù)定井段凝固是堵漏的關(guān)鍵。水泥漿堵漏過程中，由于井眼與地層裂隙處于導(dǎo)通狀態(tài)，灰漿與地下水存在密度差，灰漿會因密度大而下沉，造成封堵井段位置出現(xiàn)較大偏差。井下存在地下水徑流，流動的地下水會將灰漿稀釋或帶走，因而不能在計劃的時間內(nèi)凝固，甚至不能凝固，堵漏失敗。平衡井內(nèi)液柱壓力與地層裂隙壓力，有效控制固井水泥漿柱移動位置是這個方法取得成功的關(guān)鍵。實施過程中涉及到兼顧繁瑣的壓力平衡條件以及平衡計算［10］。為此在總結(jié)以往堵漏經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將封隔器應(yīng)用引入到大漏失層堵漏工作中，取得良好的應(yīng)用效果，封堵處理成功率達到100%?；镜氖┕げ襟E如下：

（1）根據(jù)漏失層以上開次的套管內(nèi)徑，選擇與該套管匹配的封隔器。

（2）下入部分鉆桿，鉆桿的長度為h4=20～30 m，然后連接封隔器，再繼續(xù)加鉆桿，當漏失層頂端到最下面的一開次套管倒數(shù)第二根套管中部距離＜80 m 時，封隔器在漏失層頂端上方80 m 處坐封，如果此處是兩根套管的接箍位置，則選擇在接箍位置上方的套管處；當漏失層頂端到最下面的一開次套管倒數(shù)第二根套管中部距離＞80 m 時，封隔器應(yīng)下至最后一開次倒數(shù)第二根套管位置進行坐封。

（3）根據(jù)漏失段長度，應(yīng)用公式V1=S（1h1+h2）計算需要灰漿理論用量。V1為灰漿理論用量，S1為漏失段井筒的內(nèi)截面積，h1為漏失段長度，h2=20～30 m。實際需要灰漿用量≥1.2V1，配置灰漿。

（4）通過泥漿將配制好的灰漿壓入鉆桿底部的井中，清水替漿，注入封隔器下方。替漿清水體積V2=S1h3+S2（h4+h5），h3=20～30 m，S2為鉆桿內(nèi)徑的橫截面積，h5為封隔器到井口閥門鉆桿距離。

（5）灌注替漿清水后迅速關(guān)閉灌注閥門，封閉灌注鉆桿，這時在封隔器以下地層處于密閉狀態(tài)，取樣做參照樣板，根據(jù)配置的灰漿性能，確定灰漿凝固時間，靜置待井下灰漿凝固，見圖2。

圖2 封隔器法水泥漿堵漏示意Fig.2 Method of cement slurry plugging with packer

（6）灰漿凝固后打開封隔器座封，提出鉆桿和封隔器；下入正常鉆進鉆具，掃除水泥塞，繼續(xù)鉆井。

3.3 取心困難問題

3.3.1 主要原因

雄安新區(qū)基巖熱儲的灰?guī)r、白云巖、燧石條帶白云巖、泥質(zhì)白云巖具有硬、脆、碎且軟硬不均、裂隙發(fā)育尺寸大的物理特性。鉆頭切削巖石巖心一般不形成連續(xù)的柱狀而是呈碎塊狀，取心鉆進中巖心碎塊會在巖心管內(nèi)部相互擠壓接觸，磕碰翻轉(zhuǎn)，從而造成巖心管內(nèi)巖心堵塞。另外因取心進尺慢，巖心在卡簧位置磨細或破碎，加之泥漿的沖蝕，卡簧無法卡住巖心，時常發(fā)生巖心丟失打“空管”的現(xiàn)象。

3.3.2 解決辦法

（1）目前普遍采用的大口徑取心鉆具為“川系列”取心鉆具［11-12］，改變川式鉆具的單軸承懸掛為雙軸承懸掛，增加內(nèi)管扶正器，提高內(nèi)管的單動性能的穩(wěn)定性，防止巖心堵塞內(nèi)管。

（2）借鑒地質(zhì)繩索取心鉆具的結(jié)構(gòu)［13］，研制底噴式孕襄金剛石取心鉆頭，防止泥漿對巖心的沖蝕，根據(jù)巖石硬度合理確定胎體硬度，調(diào)整取心鉆頭壁厚，盡量減小鉆頭的碎巖切削面積，減小取心鉆頭內(nèi)出刃，鉆頭內(nèi)徑小于取心內(nèi)管內(nèi)徑2～3 mm，縮小內(nèi)管與取心鉆頭之間的距離，確保巖心能夠更順利地進入內(nèi)管，且不呈柱狀連續(xù)的巖心在卡簧處和內(nèi)管內(nèi)不會翻滾旋轉(zhuǎn)，減少巖心磨細和卡滯內(nèi)管的風險。

（3）取心鉆頭內(nèi)部增加隔水及內(nèi)管導(dǎo)正臺階，隔離泥漿并保證內(nèi)管一直處于鉆頭中心位置。取心鉆具組合上配置上下扶正器，形成局部滿眼鉆具［14］，輕壓吊打，適當提高回轉(zhuǎn)鉆進速度，減少鉆具回轉(zhuǎn)鉆進時的跳動和擺動。由于采用孕襄金剛石鉆頭鉆進產(chǎn)生的巖屑顆粒細小，可以采用小排量泥漿清潔井底，同時也減輕泥漿對巖心的沖蝕作用，見圖3 和圖4。

圖3 取心鉆具內(nèi)管與底噴鉆頭Fig.3 Inner tube of core drilling tool and bottom spray drill bit

圖4 底噴式孕襄金剛石取心鉆頭Fig.4 Bottom spray impregnated diamond coring bit

4 結(jié)論

通過在雄安新區(qū)實施的十幾口地熱勘探井的工程驗證，充分分析基巖熱儲地層的巖性、構(gòu)造，特性，采取研制具有適應(yīng)性的鉆具，有針對性的改進鉆完井工藝方法等技術(shù)手段，有效的解決了基巖熱儲常見的鉆探技術(shù)問題。

（1）小徑鉆頭探孔施工工法是解決基巖頂部風化殼鉆進的有效技術(shù)手段，可以避免產(chǎn)生因突然漏失而引起的井壁坍塌、卡埋鉆事故，確保技術(shù)套管能夠準確地座入穩(wěn)定基巖層。

（2）優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)［15］，合理分配各個開次套管的下入深度并控制套管坐底位置，有效隔離復(fù)雜漏失地層。對于巖溶裂隙產(chǎn)生的大漏失層，采用封隔器水泥漿封堵技術(shù)，具有精確性高、暫時封堵效果好，操作簡單的特點。

（3）優(yōu)化大口徑取心鉆具的結(jié)構(gòu)，合理借鑒金剛石滿眼取心鉆具的特點，對于基巖熱儲鉆探取心率的提高有比較明顯的成效。