摘 要:介紹了井深1650 m的TD -1號地熱井的施工工藝和施工中遇到的問題,以及采取的對策。

 

  關鍵詞:地熱井;塔式鉆具;防斜;堵漏;止水.

 

  1 工程概況

 

  地熱同風能、太陽能、水能等一樣都屬于再生資源,為了盡快探明并開發我省盆地的地熱資源,我院承攬了山西某地TD -1號探采結合地熱井施工任務,于2006年5月組織實施了該井的鉆探施工任務,經過7個月的奮力拼搏,終于圓滿完成了鉆探任務。該井終孔深度1650 m,水溫53e,日出水量達到1000 m3以上,各項指標均取得了較滿意的效果。

 

  2 地層情況及鉆孔結構.

 

  2.1 鉆遇地層.

 

  0~250 m為新生界第四系松散層,主要以粘土、亞粘土、砂層、卵礫石層等組成; 250~1300 m為中生界三疊系、二疊系、石炭系地層,主要以泥巖、泥質砂巖、砂巖等組成,局部地段巖層松軟、坍塌、漏失嚴重; 1300~1450 m為奧陶系峰峰組,其下部含有厚層較軟含石膏泥質灰巖,存在縮徑現象; 1450~1650 m為奧陶系上馬家溝組,主要由泥質灰巖、白云質灰巖、石灰巖等組成。

 

  2.2 鉆孔結構.

 

  0~250 m采用?445 mm三牙輪鉆頭鉆進,下入?426 mm套管; 250~800 m采用?346 mm三牙輪鉆頭鉆進, 800~1300 m采用?311 mm三牙輪鉆頭鉆進,并分別下入?273 mm套管,兩層?273 mm套管之間插接; 1300~1450m采用?244mm三牙輪鉆頭鉆進,下入?219 mm套濾管; 1450~1650 m采用?191 mm三牙輪鉆頭鉆進,下入?168 mm套濾管。

 

  3 施工中遇到的主要問題.

 

  (1)所用鉆機為TSJ -2000型鉆機,其提升能力不能滿足250~1300 m孔段一次性下套管的提升問題;(2)上部地層出現多次嚴重漏失現象,堵漏時間近1個月;(3)兩層同徑套管插接的止水問題;(4)采用新鉆具結構防斜問題。

 

  4 施工措施.

 

  4.1 改進鉆具結構.

 

  以前我院采用的鉆具結構是在下部第一根鉆鋌上焊3組導向(導向外徑小于鉆頭外徑5~10mm),上部接2~3根相同規格的鉆鋌。由于這種鉆具結構的導向位置是固定在第一根鉆梃上,其導向的扶正效果并不理想,而且這種鉆具結構的回轉阻力大,很容易造成鉆桿、鉆鋌脫扣,還影響了鉆進速度。

 

  針對以上存在的問題,我們對原鉆具結構進行了調整,由原來單一規格鉆鋌帶3組導向扶正,改為無導向扶正的塔式鉆具結構,鉆鋌選用?159、178、203、230 mm四種規格,隨著鉆孔的延深和孔徑的變小,先后去掉了?230和?203mm兩種規格的鉆鋌,并換成?178、159 mm兩種規格的鉆鋌;鉆桿選用?73、89 mm兩種規格,孔深在1000 m以淺時,全部采用?89mm鉆桿,超過1000m時,去掉800m?89mm鉆桿換成?73mm鉆桿。通過改進鉆具結構,不僅減小了鉆進阻力,降低了鉆具質量,減輕鉆機的回轉和提升負荷,而且大大減少了斷鉆桿、脫扣等事故的發生,全孔僅發生一次脫扣事故。改進后的鉆具結構如下:

 

  主動鉆桿+?73 mm鉆桿+?89 mm鉆桿+?159 mm鉆鋌+?178 mm鉆鋌+?203 mm鉆鋌+?230 mm鉆鋌+三牙輪鉆頭。

 

  (1)設備安裝要水平、穩固、周正,天輪、立軸、孔口三點要成一直線,鉆塔四角要打混凝土墩。

 

  (2)開孔鉆進時要控制鉆進參數,采用輕壓、慢轉的鉆進參數,并隨鉆孔的延深逐步加入相應鉆鋌,待鉆鋌全部加入孔內后,方可逐步恢復正常的鉆進參數進行鉆進。

 

  (3)采用無導向扶正的塔式鉆具結構,可以有效地降低鉆具的回轉阻力,減少孔內斷鉆桿、脫扣等事故,提高鉆進效率,節約鉆探成本。但能否有效防止孔斜,是該地熱井成功與否的關鍵。為此我們首先要求現場操作人員嚴格控制鉆進參數,使鉆壓全部由鉆鋌自重提供,控制鉆具的受力中和點落在鉆鋌的3 /4處,鉆桿全部處于受拉狀態,以免鉆桿受壓彎曲對孔壁造成新的破壞;其次,要求操作人員集中精力,注意鉆進情況,發現由于地層變化導致鉆速發生明顯變化時,要及時調整鉆進參數(降低鉆壓、轉速),并在換層處反復提拉鉆具上下掃孔,以防孔斜,然后逐步恢復正常鉆進參數進行鉆進。

 

  (4)按照鉆探規格要求操作,堅持常規的防斜措施。

 

  4.3 泥漿護壁堵漏措施.

 

  4.3.1 泥漿類型.

 

  (1)覆蓋層采用石灰栲膠泥漿,該泥漿成本低、易配制,護壁性能好,對第四系松散層有抑制作用。

 

  配方:土8%,生石灰013% ~015%,栲膠堿液015% ~1%。

 

  該泥漿pH值為11。

 

  (2)三疊系、二疊系、石炭系地層采用銨基聚合物低固相泥漿,這種泥漿主要適用于完整基巖地層的正常鉆進。

 

  配方:土5%,純堿013% ~014%,銨鹽014% ~015%,酰胺100~150 ppm。

 

  該泥漿性能:密度1103~1104 kg /L,漏斗粘度23~25 s,API失水量8~10 mL /30 min, pH值>9。

 

  (3)奧陶系地層有漏失、坍塌、縮徑現象,為了有效抑制地層坍塌、掉塊、縮徑等現象,在原銨基聚合物泥漿的基礎上,加入腐植酸鉀(3~5 kg /m3),這樣使泥漿的降失水性、防塌性都得到了明顯的改觀,同時也有效地控制了泥漿的粘度,使泥漿性能更加穩定。

 

  4.3.2 護壁堵漏措施TD -1號地熱井在孔深500~800 m孔段共發生過3次漏失,漏失量大致為10~15m3/h。由于開始時漏失原因判斷不準確,采用的堵漏方法不當,使堵漏工作走了一些彎路。最后通過加大泥漿池,控制提下鉆具速度,降低泥漿密度,增加泥漿粘度,向孔內壓入堵漏材料等措施,使堵漏工作取得了較滿意的效果。

 

  4.3.2.1 第一次漏失的治理當鉆進到500 m時,孔內發生漏失,漏失量達10 m3/h以上,由于現場沒有專門泥漿攪拌機,在鉆孔發生漏失后不能及時補充泥漿,現場泥漿池又太小,一次儲備的泥漿量有限,使泥漿循環無法恢復,給堵漏工作增添了不少困難。

 

  本次漏失先后采用兩種堵漏方法:首先是加大了泥漿密度、粘度,使泥漿密度達1115 kg /L以上,粘度達35 s以上,同時把鋸末和紅土混合捏成紅土球投入井內,回填鉆孔50~80 m,下鉆具搗實后開始鉆進,鉆進到孔底泥漿池的泥漿再次全部漏失,這樣反復多次,整個堵漏耗時10多天均無明顯效果。

 

  經分析研究,認為造成鉆孔漏失的主要原因是泥漿密度太大,地層被泥漿液柱壓裂造成鉆孔漏失。

 

  為此我們采取了以下3種措施:首先是增加一個10m3泥漿池,使每次下鉆后或孔內出現漏失時,能夠較長時間地維持泥漿的正常循環;其次是更換孔內泥漿,配制新的銨基聚合物低固相泥漿,并加入F801隨鉆堵漏劑和適量的鋸末,以增加泥漿的粘度,使泥漿的密度在1104 kg /L以下,粘度在30~35s之間, pH值>9;最后是嚴格控制提下鉆具速度,以免由于泥漿壓力/激動0造成對孔壁的破壞。通過采取以上措施后,鉆孔漏失逐漸減小,鉆進到550m時停止漏失,恢復正常鉆進。

 

  4.3.2.2 第二次漏失的治理當鉆進到620 m時,鉆孔又發生漏失,為了盡快堵住孔內漏失,及時調整泥漿性能,孔內泥漿密度達到1104~1105 kg /L,粘度在30~35 s,并逐漸向泥漿中加鋸末,但堵漏效果不理想,鉆孔漏失仍比較嚴重。后經分析研究,決定向泥漿池投入大量麥桿、鋸末,充分攪拌后泵入孔底,停止鉆進提出鉆具,在提出鉆具的同時,從井口注入優質泥漿,直到水位到井口為止,停鉆一天觀察井孔內水位,水位下降速度遞減,說明孔內漏失逐漸減小,下鉆繼續鉆進,漏失明顯減小,到孔深640 m時,鉆孔停止漏失,恢復正常鉆進。

 

  4.3.2.3 第三次漏失的治理.

 

  第三次的漏失發生在750~770 m孔段,這次漏失層的治理工作,我們汲取前兩次堵漏的經驗,發現鉆孔漏失后,首先向孔底壓入麥桿、鋸末等材料,然后在把鉆具提離孔底50 m,調整泥漿性能,最后開始鉆進,邊鉆進邊堵漏,直到孔深770 m時,鉆孔停止漏失,恢復正常鉆進。

 

  4.4 下套管及止水.

 

  4.4.1 下套管.

 

  為了解決TSJ -2000型鉆機提升力不足的問題,本孔原設計奧陶系以上基巖孔段(250~1300m)的套管分兩次下入,即先采用?346 mm三牙輪鉆頭鉆進到800m下入?325mm套管,換?295mm三牙輪鉆頭鉆進到1300 m下入?273 mm套管。為了節約鉆探成本,保證施工安全和止水質量,對原鉆孔設計進行了修改,其施工順序改為采用?346 mm鉆進到800m,換?311mm鉆進到1300m,并將250~800m孔段?325mm套管改下?273mm套管,把800~1300 m孔段的?273 mm套管上端部增加10m?325 mm的套管,下套管順序改為先下入下部的?273 mm套管,并進行止水,再下入上部的?273mm套管,并把上部的?273 mm套管插入下部?273mm套管上端部的?325 mm套管,最后進行止水。

 

  實踐證明,采用這種下套管方法不僅能有效地解決鉆機提升能力不足的問題,而且也節約了大量的鉆探成本。

 

  4.4.2 止水.

 

  止水的好壞直接影響著地熱井的水質、水溫。

 

  本孔的止水采用普通硅酸鹽水泥,配制成水灰比0155~016的水泥漿,采用泥漿泵灌注,并在兩層套管底部安裝了專門的止水逆止閥,對兩層套管與鉆孔的環狀間隙和套管插接部分的環狀間隙全部用水泥漿灌注,待水泥凝固,注水檢查止水效果,檢查合格繼續進行鉆進。

 

  5 結語.

 

  通過嚴密的組織,精心的設計,順利地完成了TD -1號地熱井的施工任務,得到了甲方的高度評價。分析TD -1號地熱井的施工工藝,無論是下套、止水、漏失治理、鉆具結構和防斜措施都是比較成功的,為今后超千米地熱井施工奠定了良好的基礎。