摘 要:山東齊河1號裂隙巖溶型地熱井儲熱層為奧陶系灰巖,其上部覆蓋第四系、第三系、二疊系、石炭系地層,成井工藝復雜。應用氣舉反循環鉆進工藝、PDC鉆頭、化學處理泥漿、技術套管等工藝方法,探索了裂隙巖溶型地熱井成井鉆進工藝技術。

 

  關鍵詞:裂隙巖溶型地熱井;鉆進工藝;氣舉反循環鉆進; PDC鉆頭;護壁;化學處理泥漿;技術套管.

 

  1 概況.

 

  裂隙巖溶型地熱井儲熱層為奧陶系灰巖,山東省主要分布在濟南、聊城等地區,儲熱埋深為350~1800 m。主要地層為第四系、第三系、二疊系、石炭系、奧陶系,由于受構造的影響,第三系、二疊系、石炭系有缺失現象。該類型地熱井由于地層多變、巖性復雜、縮徑、坍塌、漏失等復雜情況,成井難度大。

 

  2003年,我們在山東齊河1號探采結合地熱井應用氣舉反循環鉆進工藝、PDC鉆頭、化學處理泥漿、技術套管護壁等,成功完成了山東省(濟南)最深(1601157 m)的裂隙巖溶型地熱井。水量114 m3/h,水溫57e,在濟南地區打出了一口水溫最高、水量最大的地熱井。

 

  2 技術裝備.

 

  2.1 設備.

 

  TSJ-2000E型鉆機;AS27 -70型鉆塔; TBW -1200 /7B型泥漿泵:300 kW三相動力電源(備150 kW發電機1臺); VWWJD -911 /15型空氣壓縮機1臺。

 

  2.2 鉆具.

 

  121、146、178 mm鉆鋌分別60、90、10 m;89mm鉆桿1600 m; 133 mm@133 mm雙壁主動鉆桿12160 m; SHB127 /75雙壁鉆桿220 m;430 mm組合牙輪鉆頭1個;311 mm鋼齒、鑲齒牙輪鉆頭各3個;215、152 mm鑲齒牙輪鉆頭各2個;311、215mm聚晶金剛石復合片(PDC)鉆頭各1個。

 

  3 鉆井技術工藝.

 

  3.2 鉆進工藝.

 

  該地熱井地層為第四系、第三系、二疊系、石炭系和奧陶系地層,由于地層變化大,采用了如下鉆進工藝方法。

 

  3.2.1 0~111186 m段用430 mm組合牙輪鉆頭開孔,粘土層下入377mm@8mm表層套管112166m,正循環泥漿鉆進。

 

  3.2.2 111186~1089162 m段用311 mm鉆頭鉆進,二疊系砂巖下入245mm@10103mm技術套管1090122m,并固井。第四55 2005年第8期          探礦工程(巖土鉆掘工程)系、第三系采用311 mm鋼齒牙輪鉆頭鉆進,二疊系(泥巖、砂巖)采用311 mm PDC鉆頭鉆進(二疊系孔深609 m)。

 

  鉆具結構:311 mm牙輪鉆頭(PDC鉆頭) +178 mm /146 mm /121 mm鉆鋌+89 mm鉆桿+主動鉆桿。

 

  沖洗液:采用膨潤土(5% ) +CMC(014% ) +KHm(013% )+Na2CO3(013% )泥漿,其漏斗粘度22~25 s,密度1105~1110 g /cm3,失水量<10 mL /30min,泥皮厚度<1 mm,含砂量<4%, pH值為8~9。

 

  3.2.3 1089162~1355 m段孔徑215 mm,地層為二疊系、石炭系、奧陶系,地層復雜、易塌孔(取出的巖樣見圖2)。采用泥漿護壁,正循環鉆進,快速穿過下入178 mm@9119mm技術套管269138 m隔離。

 

  3.2.4 1355~1601157 m段該層為鉆進目的層(奧陶系),巖性以石灰巖為主,地層裂隙發育,漏失,該孔本段采用了氣舉反循環鉆進工藝。孔徑152 mm。

 

  鉆具結構:152mm鑲齒牙輪鉆頭+146mm /121 mm鉆鋌+89 mm鉆桿+SHB127 /75雙壁鉆桿+主動(雙壁)鉆桿。

 

  3.3 護壁技術措施3.3.1 泥漿護壁0 ~111186 m段采用普通泥漿護壁鉆進;111186~1355 m段采用化學處理泥漿護壁鉆進。

 

  3.3.2 技術套管護壁0~1089162 m段,第四系、第三系、二疊系上部采用245 mm@10103 mm技術套管護壁, 1089162~1355 m段為復雜地層,采用快速鉆進穿過,17718 mm@9119 mm技術套管隔離護壁。

 

  3.3.3 壓力平衡護壁.

 

  在施工過程中,保持泥漿液面高度,提鉆或漏失時,進行泥漿回灌,保持孔內壓力平衡,維護孔壁穩定。下鉆時要穩、慢,防止壓力激動破壞孔壁。

 

  4 鉆進新技術應用.

 

  4.1 聚晶金剛石復合片( PDC)鉆頭.

 

  4.1.1 311 mm /215 mm PDC鉆頭技術參數圓片式切削齒鑲嵌在六翼鉆頭翼板上,均勻分布排列(見圖3),鉆頭底面為W形,適用于二疊系泥巖、砂巖;保徑采用20 mm復合片。根據冷卻清洗鉆頭所需的水流速度,設計了7個15 mm水眼。

 

  4. 1. 2 PDC鉆頭的鉆進規程參數.

 

  鉆壓: PDC鉆頭靠剪切破碎巖石,因此它所用鉆壓通常是牙輪鉆頭的1 /4~1 /3,試驗證明,311mm /215 mm鉆頭鉆壓保持在15~20 kN效果最好;轉速: 80、120 r/min為宜;泵量:以1000~1200 L /min為宜。

 

  4.1.3 鉆進效率.

 

  PDC鉆頭與牙輪鉆頭相比較,在泥巖、砂巖地層中的鉆進效率見表1。

 

  表1 PDC鉆頭與牙輪鉆頭效率比較表鉆頭類型進尺/m泥巖砂巖效率/(m#h-1)泥巖砂巖牙輪鉆頭43 28 0121 0123PDC鉆頭316 298 2111 11674.2 氣舉反循環鉆進工藝.

 

  鉆進至孔深1501100 m時出現嚴重漏漿現象,不返漿,孔內巖屑無法排出孔外。傳統的正循環泥漿鉆進效率低,而且正循環鉆進工藝易發生孔內埋鉆事故。應用氣舉反循環鉆進,解決了漏失地層地熱井施工鉆進、排渣問題。

 

  (1)氣水龍頭。

 

  常規用的氣水龍頭有2個通道,一個是氣體通道,另一個是排渣通道。而由于深井鉆進受力大,常規氣水龍頭不能滿足拉力要求。

 

  深井用氣水龍頭由2部分組成,一部分是50 t水龍頭(送水器),另一部分是50 t氣盒子,水龍頭和氣盒子通過導向桿固定在一起。

 

  (2)雙壁主動鉆桿。

 

  由規格為13312mm@13312mm@12200mm主動鉆桿和75 mm@6 mm內管組成。上接頭采用6&3in REG(正規)反扣與氣盒子相連接。

 

  (3)SHB127 /75雙壁鉆桿。

 

  由內管與外管組成,內管之間連接采用插接,由原來1道密封改為2道O型密封圈,確保徑向密封效果,其耐壓為315MPa。

 

  (4)氣水混合器。

 

  連接在雙壁鉆桿的下端,是壓縮空氣輸入液體實現混合的通道。它也由內外管組成,內管鉆眼(孔隙率20% ),內管上部同雙壁鉆桿內管插接,下部加一短管與鎖接頭緊密配合,O形密封圈徑向密封,堵死氣體通道實現氣液混合。

 

  4.2.2 鉆進工藝參數.

 

  4.2.2.1 鉆進規程.

 

  鉆壓:146 /121 mm鉆鋌加壓,壓力40~60kN;轉速: 48、80 r/min。

 

  4.2.2.2 氣舉反循環的主要參數.

 

  (1)沉沒系數(浸水比)m:由于受空壓機壓力的限制,沉沒比控制在0184~0199。

 

  (2)空壓機壓力:施工中空氣混合室的沉入深度80~120 m,根據公式P=Hrn@10-1/(10+$P),經計算,P=019~115MPa。

 

  (3)空壓機風量:根據公式Q=(2~214)d2V,經計算,Q=217~312 m3/min。

 

  (4)尾管長度的選擇:根據經驗公式Lw=(3~4)H(其中Lw為尾管長度,H為空氣混合室沉入深度)計算。試驗證明,該地熱井施工中尾管長度Lw=(10~15)H能正常工作,并且達到了小時效率1163 m /h,比正循環鉆進(0158 m /h)提高218倍。

 

  4.2.2.3 倒桿深度.

 

  每鉆進40 m倒一次雙壁鉆桿(限于空壓機壓力)。

 

  4.2.2.4 氣舉反循環用沖洗液.

 

  氣舉反循環鉆進中采用清水作為循環介質。

 

  5 結語.

 

  5.1 主要技術成果.

 

  (1)應用氣舉反循環鉆進工藝和PDC鉆頭,成功完成了山東省(濟南)最深(1601157 m)的裂隙巖溶型地熱井。為該類型地熱井的施工探索了工藝技術方法。

 

  (2)在應用氣舉反循環工藝中,試驗證明尾管長度Lw=(10~15)H可滿足正常鉆進要求。

 

  (3)應用PDC鉆頭在二疊系泥巖、砂巖中鉆進效率(1189 m /h)是牙輪鉆頭鉆進效率(0122 m /h)的715倍。

 

  5.2 存在問題.

 

  (1)裂隙巖溶型地熱井施工工藝技術還不完善,需要進一步探討。

 

  (2)氣舉反循環鉆進工藝的效率還不高(1163m /h),主要原因是空氣壓縮機工作壓力不夠,建議配壓力3~5MPa、風量5 m3/min的VWWJD -5 /40型空壓機。

 

  (3)尾管的長度、空氣工作壓力、鉆進效率三者之間的關系還有待進一步的試驗研究。