地质工程论文
摘 要： 在新乡太行山脉地区基岩地热井施工中，钻遇上部奥陶寒武灰岩地层时出现严重漏失现象，且该地层漏失点多，需多次堵漏，堵漏时间长成本高，正循环泥浆钻进无法施工。随后采用气举反循环钻进，成功实施深度达2551.48 m的地热井，顺利在太古界片麻岩构造地层中找到地热水，水量50 m3/h,水温55℃。本文介绍了该地热井施工的主要设备、钻头设计、钻具组合及钻探施工技术，并对钻探施工中的难点和经验体会进行了总结，为同类工程施工提供借鉴。
关键词 : 基岩;地热井;漏失;地层坍塌;气举反循环;片麻岩;
Abstract： During the construction of bedrock geothermal well at Taihang Mountains area in Xinxiang, serious leakage occurred when drilling the upper Ordovician Cambrian limestone strata, and there were many leakage points in this formation, where much times and high cost are needed to stop leakage, and normal circulation mud drilling can't be carried out. But, the geothermal well with depth of 2551.48 m was successfully drilled with air-lift reverse circulation, and the geothermal water was found in Archean GNEISS formation with water flow of 50 m3/h and water temperature of 55 °C. This paper introduces in detail the main equipment, bit design, drill assembly and drilling technology for this geothermal well construction, and summarizes the difficulties and experiences in drilling to provide references for similar projects.
Keyword： bedrock; geothermal well; leakage; formation collapse; air-lift reverse circulation; gneiss;
1、 项目概况
为开发新乡市云龙山大健康文化产业园项目，提升文化园内旅游产业品味，使用绿色能源，促进云龙山大健康文化产业园的发展，受新乡市德睿实业有限公司委托施工一口地热井。
该项目取水层位为太古界片麻岩地层，太古界变质岩系地层富水性差，找水难度很大，一般被视为“找水禁区”。 物探技术人员反复研究相关资料，结合物探数据解释结果，最终确定井位。钻井施工中，由于地层处于断裂带上，岩层破碎，塌孔、掉块、卡钻及容易偏斜等问题时有发生，采用气举反循环施工工艺[1]克服了种种困难，实现了太古界片麻岩地区地热勘探的新突破。最终成井深度2551.48 m, 水量50 m3/h, 水温55℃。
2、 工程地质条件
2.1 、区域水文地质条件
本区地下水可划分为两种不同的基本类型。上部奥陶、寒武系碳酸盐岩裂隙岩溶水地下水发育，其水量丰富，分布不均匀，但水温低，需要隔离；下部太古界地层构造裂隙发育，富水且水温高。本次地热取水目的层为太古界片麻岩构造裂隙水。
2.1.1、 太古界(Ar)
本区太古界为登封群，岩性主要为片麻岩、石英砂岩，钻孔揭露865.00～2551.48 m。地层受青羊口断层影响，地层深部构造裂隙发育。
2.1.2、 寒武系(∈)
(1) 下统(∈1)。
自下而上分为辛集组和馒头组。辛集组(∈1x),钻孔揭露750～865 m, 下部岩性为红色石英砂岩、紫红色页岩夹泥灰质白云岩，上部为灰色薄、中厚层状灰质白云岩。馒头组(∈1m),钻孔揭露630～750 m, 底部为紫红色粉砂岩、页岩，主要为黄色板状白云质泥灰岩夹紫红色页岩。
(2) 中统(∈2)。
分为毛庄组、徐庄组和张夏组。毛庄组(∈2m),钻孔揭露500～630 m, 下部为紫红色页岩、粉砂岩，上部以深灰色厚层状灰岩、泥质灰岩为主，夹透镜状白云岩层。徐庄组(∈2x),钻孔揭露400～500 m, 上部为深灰色薄层状含竹叶状灰岩、泥质条带灰岩及巨厚层鲕状灰岩，岩溶发育，下部主要为黄绿色页岩，夹薄层灰岩泥灰岩。张夏组(∈2zh),钻孔揭露185～400 m, 主要为灰、深灰色厚、巨厚层鲕状灰岩、白云质灰岩，岩溶发育。
2.1.3、 奥陶系下统(O)
为厚至巨厚细晶或粗晶白云岩，钻孔揭露20～185 m, 岩溶发育。
2.1.4 、新近系(N)
为棕红色、浅黄色及杂色砂质黏土、泥灰岩及泥质砂岩，多未胶结或半胶结0～20 m。
2.2、 地质构造
本区构造部位处于新华夏系太行山隆起的东南边缘和华北凹陷的过渡地带，南邻秦岭纬向复杂构造带。区内构造痕迹以断裂为主，新构造运动比较活跃，并多呈继承性活动。
(1)青羊口断层(F1)。
由青羊口经本区金灯寺—北站延至新乡一带，全长大于100 km, 走向北东25°～40°,倾向南东，为高角度正断层，垂直断距大于1000 m, 该断层晚近期仍有活动。据钻孔资料，上第三系上部泥灰岩被断开，断距60～90 m, 反映到地貌形态上，此断裂北西侧为太行山麓的山岳地貌，南东侧为堆积平原地貌。
(2)山彪—五陵断层(F2)。
由山彪、五陵与青羊口大断层复合，走向北东40°～50°,倾向北西，断距20～30 m, 为正断层，断至上第三系泥灰岩，从该断层和青羊口断裂成“入”字型斜接的关系看，可能是青羊口断裂的分支断层。该断层穿过本井区域，对本井水文地质条件有重要影响。
(3)西曲里断层(F3)。
由西曲里沿卫河向北东方向延伸，走向北东40°左右，倾向南东，断距20～40 m, 向北东方向逐渐消失，为高角度正断层，切穿地层至上第三系泥灰岩。
2.3、 施工条件分析
该地区地层老，结构复杂，易偏斜、漏失，施工程序复杂，要到达含水层，需要通过高裂隙发育带奥陶系灰岩漏失层。岩性多变、软硬不同，钻头选型困难；部分泥岩中含有钙质团块，地层非均质、夹层发育，岩性变化大，在井底形成非均质切削；井内掉块导致蹩、跳钻严重，极易造成钻具胀扣和断钻具事故。辛集组砂岩层研磨性较强，太古界片麻岩可钻性8～9,属于硬岩，造成钻头的磨损速度快，钻进效率低，极易疲劳损坏，导致钻井周期和成本比较高。
3 、钻井工艺
3.1、 设备选型
选用TSJ3000型水源钻机和与之配套的LG.VF-10/60高压空气压缩机及HS-37型四脚钻塔。LG.VF-10/60高压空气压缩机的公称容积流量10 m3/min, 额定排气压力6 MPa, 108 mm×108 mm双壁主动钻杆及双壁气水龙头，直径114 mm内平双壁钻杆300 m和89 mm(内径70 mm)单壁钻杆。
3.2 、气举反循环钻井工艺
先用直径445 mm钻头钻孔，然后下入直径425 mm保护管30 m, 确保上部孔壁安全稳定。在一开钻进时首先采用正循环钻进工艺，使用直径346 mm钻头钻进，在钻进至231 m深奥陶系灰岩地层时，孔内漏浆严重，采用多种方法堵漏，地层仍漏浆严重。测试发现漏失地层富含地下水，地下水位50 m左右。
气举反循环钻进工艺[2]广泛应用于漏水严重的基岩地层中，弥补了大漏失地层无法正常泥浆正循环钻进的不足，钻进效率、成井质量都优于正循环工艺。经研究，本工程采用气举反循环钻井工艺。
3.2.1、 反循环钻头设计
常规钻头分刮刀钻头、三牙轮钻头及PDC合金钻头等，其中三牙轮钻头又分为钢齿钻头和镶齿钻头。反循环钻头需要在常规钻头中心切割出一个与钻杆内径相通的圆孔，可以使井底刻取的岩屑在反循环作用下，经钻头中心孔、钻杆内管排至地表[3]。
本井施工采用江汉石油设备厂生产的HJ517GK、HJT537G型、HJT547镶齿牙轮钻头。在牙轮钻头中心位置开直径为50 mm进水孔，钻头牙掌上设置钢筋裙网，减少钻头边部的磨损，增加出渣效果，钻头见图1。
图1 气举反循环钻头
Fig.1 Air-lift reverse circulation bit
3.2.2 、钻具配置
依据地质设计给出的地层剖面及岩性描述，本工程采用以下钻具组合：①直径346 mm钻头+直径203 mm钻铤5根+直径178 mm钻铤6根+直径159 mm钻铤6根+直径89 mm钻杆+主动(双壁)钻杆；②直径311.1 mm钻头+直径203 mm钻铤+直径203 mm钻铤+直径308 mm扶正器+直径203 mm钻铤3根+直径178 mm钻铤6根+直径159 mm钻铤6根+直径89 mm钻杆+直径114 mm 双壁钻杆+主动(双壁)钻杆；③直径215.9 mm 钻头+直径159 mm钻铤+直径159 mm 钻铤+直径214 mm扶正器+直径159 mm钻铤13根+直径89 mm钻杆+直径114 mm双壁钻杆+主动(双壁)钻杆。
3.2.3、 施工参数
本井一开井段(0～325.15 m)使用正循环钻进工艺，泥浆泵排量23 L/s, 泵压2 MPa, 之后的井段采用气举反循环钻进，各井段详细钻进参数见表1。
气举反循环钻进效率主要取决于压缩空气的压力、风量以及混合器沉没在水中的深度[4],以下为气举反循环主要钻进参数。
①根据不同地层情况、岩性、钻头尺寸及出渣情况调整钻压，上部灰岩控制在80～120 kN,下部片麻岩、砂岩控制在30～80 kN,钻压不能超过钻铤总重量的2∕3,以防孔斜。②采用40～70 r/min转速钻进即可，不能盲目使用高速，以防产生剧烈振动，发生孔内事故。③根据孔深、静水位和“钻屑能力”等确定风压，空压机启动风压2.6～3.2 MPa, 工作压力1.4～2.3 MPa, 工作压力如果低于0.8 MPa就不能形成气举反循环钻进。④风量10 m3/min。⑤混合器埋深应采用不低于50%的沉没比，随着井深的增加逐渐增大沉没比，混合器埋深150～227 m, 最大沉没比保持在70%以上。⑥双壁钻具与井深比为1∶10至1∶2[5]。
表1 钻井技术参数
3.2.4 、主要技术措施
①在施工时应尽可能采用较大的沉没比，最小不低于50%;双壁钻具的初始长度141 m, 随着井深的增加逐渐加大沉没比，最后保持在70%以上，即混合器埋深180～227 m; 空压机风量≥6 m3/min[6]。②本井的循环液来自井内地层的自流补给，补给量大于15 m3/h, 满足气举反循环的冲洗液携带岩屑的需要。③双壁钻具要密封连接螺纹，不能用穿刺的钻具，以免形成短路循环，发生烧钻、埋钻等事故。④送气前钻头与井底保持一定距离，防止钻头水眼被井底的岩屑堵塞；待排出的水液清洁后，再将钻头缓慢送至井底。⑤当携带出的岩屑浓度大时，应控制钻进速度，切勿突然停止送风；加单根前，观察出水液情况，待水液中基本不含岩屑后方能停风加单根。⑥注意观察排出水液量的大小变化及携砂情况，当水液量变小时，即刻检查钻头、钻具内管是否堵塞，水液中岩屑是否过多，或井内是否发生坍塌情况；当水液中不含岩屑时，应判断是沉没比不足，还是井底岩屑颗粒过大，水液携带不上来[7]。
3.2.5 、钻井液工艺
在深井钻探施工中，钻遇的地层非常复杂，而钻进不同地层所采用的泥浆体系也不尽相同。本着安全与节约的原则，我们对于不同井段配置了不同体系的泥浆，气举反循环钻进循环液为清水[8]。
在正循环钻进时采用聚合物优质低固相泥浆液护壁，泥浆密度1.05～1.16 g/cm3,黏度25～45 s, API滤失量10 mL/30 min, pH 8～9,含砂量小于0.3%,泥饼厚0.5～1.0 mm。
在钻进至231 m时井内泥浆漏失严重，判断为地层裂隙发育且富含地下水，在堵漏失败后决定使用气举反循环钻进工艺，钻井液使用清水钻进。本井采用的清水钻进保护了水层，提高了钻进效率，有效地保证了成井质量。
4 、成井工艺
4.1、 钻井结构
该地热井成井深度2551.48 m, 采用三开式成井结构的地热井[9],按不同井径下入两种不同规格国产无缝石油钢管及裸孔成井，井身结构见图2。
图2 成井结构图
Fig.2 Well completion diagram
一开，井深0～325.15 m, 下入直径425 mm保护管30 m, 采用直径346 mm牙轮钻头钻进，下入直径273.1 mm国产无缝石油钢管作为泵室段套管，钢级J55,壁厚8.89 mm, 下深315.15 m, 泵室段套管高出地面1.2 m。
二开，井深325.15～1066.50 m, 采用直径311.1 mm牙轮钻头钻进；下入直径244.5 mm国产无缝石油钢管作为生产套管，钢级J55,壁厚8.94 mm, 长度746.15 m, 下入至315.15～1066.50 m井段；在直径273.1 mm、244.5 mm套管与井壁之间环状间隙内，采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥全段封固。
三开，井深1066.50～2551.48m, 采用直径215.9 mm牙轮钻头钻进，此井段为太古系片麻岩地层，井壁稳定，为采水目的层，决定采用裸孔成井。
4.2、 固井工艺
本井采用反循环钻井工艺钻进，先钻进至设计孔深，测井后根据测井结果选择止水位置，然后扩孔下入石油套管。采用架桥法固井[10]10],下管前在钻孔直径由311.1 mm变至215.9 mm处下入加工制作的木塞，木塞吸水膨胀卡在变径处，然后投入黏土球0.2 m3,黏土球与木塞起到封隔器作用，预防固井时水泥下沉进入下部地层。管串结构要求自下而上为：引鞋+水泥塞逆止阀+直径244.5 mm套管+变径接头+直径273.1 mm套管串。
固井水泥返至地面，水泥浆密度1.80 g/cm3,用量60 m3,标号为硅酸盐水泥P.O 42.5。
4.3、 洗井
本地热井钻进时采用清水作为冲洗液，避免了泥皮和岩屑堵塞出水裂隙通道的现象。施工完毕后即可下泵抽水，在水泥凝结固井结束后，在降压试验开展前，对钻井开展洗井工作，洗井主要采用大泵量大降深抽水洗井抽水设备型号为200QJ50/180,抽水至钻井内流出清水为止。
5、 施工中遇到的困难
当钻进至奥陶系石灰岩地层时，出现了地层大漏失情况，改用气举反循环技术工艺。开始钻进时，出现了钻杆内岩屑堵塞情况。
堵塞的原因是346 mm钻头钻进孔径较大，灰岩白云岩钻进速度快，岩屑在单位时间内急剧增多，循环液中岩屑浓度增大，岩屑颗粒质地差异大，在岩屑上升过程中出现了大量聚集现象，导致钻杆管径内局部堵塞。
解决方法：①减小钻压，将钻压控制在20～50 kN;②换用牙轮钻头中牙齿密、空隙小的钻头，减小岩屑颗粒的直径，同时在钻头上部开一个进水口，保持上返水量不变，降低循环液中岩屑密度；③将钻头下部进水孔孔径由50 mm缩小为40 mm,从而减小岩屑的进入量；④同时加大混合器的沉没比，以提高上返水的携砂能力。
在实际生产中应结合实际情况，合理选择钻探工艺，在能达到要求的基础上，可以选择多种钻探工艺结合钻井，不仅提高工作效率，同时也能获得更大的经济效益。在开展施工前，应合理选用钻具、空压机、钻机等设备；在实施中，还应严格执行操作规程，合理选用风量、风压、混合器沉没深度、钻速等参数，及时发现和处理各类异常现象，避免发生事故[11]11]。
6 、应用效果
6.1、 井身质量控制
6.1.1、 井身质量控制措施[12,13]12-13]
(1）开孔及下孔口套管（0～30m）。开钻前必须校正好天车、转盘及井口，保证三者在一条垂线上，最大偏差不得超过20mm，预防开孔就斜。可采用直径500mm钻头开孔，开孔应轻压、慢转，开孔时采用满径钻具组合，以免偏斜。孔口套管顶面高出地面30cm为宜，安放时为保证孔口套管居中垂直，下入直径400mm钢管，外边用水泥砂浆封固。
(2）一开钻进与安装顶部开采套管（30～325m）采用直径346mm钻头钻进，采用满径扶正器加塔式钻具结构，及时校对指重表，保证加压准确，送钻均匀。依据钻机能力配置18kN加重钻铤，钻进奥陶系地层钻压控制在80kN，转速40～63r/min，防止钻孔偏斜。选用HJT517G合金镶齿钻头。该段地层较硬且多有裂隙，漏浆严重，钻进至231m后地层出现漏浆现象，停钻堵漏，堵漏失败后经研究决定采用气举反循环钻井工艺。钻进中每5m捞取岩样1个，放入岩样箱，并及时进行地质编录。班报表应特殊记录泥浆消耗情况，泥浆漏失位置与漏失量，钻进异常情况等。
(3）二开使用直径311.1 mm钻头，钻铤12根，钟摆式钻具钻进，由于该段对钻孔垂直度要求很高，需严格控制钻压，坚持吊打确保了钻孔垂直度。
(4）三开使用直径215.9mm钻头，采用钟摆钻具结构，直径214mm扶正器加在第二根钻铤上部，调整钻压、控制井斜。及时测斜及时校对钻压仪，保证加压准确，送钻均匀，保证井身质量。
6.1.2 、孔身质量表
钻孔的孔身质量均达到设计要求，这充分说明钻具组合和钻进参数的工艺设计是正确的，取得了良好的效果，见表2[14]14]。
表2 孔身质量表
6.2、 钻进效率分析[15]
本井使用气举反循环钻进大幅度提高了钻进效率，在该地区深孔大口径灰岩、页岩、片麻岩地层钻进中，平均时效达到1.0 m/h, 最高达到3 m/h, 平均台效达到450 m/台月，比常规正循环钻进提高150%以上。目前在河南地区钻井记录中是使用气举反循环钻井技术施工最深的一口井。
本孔施工钻进首先采用正循环钻井工艺，后采用了气举反循环钻井工艺，进尺2551.48 m, 纯钻进用时2557 h, 平均钻速1.00 m/h。全孔平均台月效率450 m, 平均钻进小时效率1.00 m, 纯钻时间利用率为43.33%。一开正循环平均小时效率1.0 m, 一开反循环钻进平均小时效率0.85 m; 二开平均小时效率0.98 m; 三开平均小时效率1.1 m。
7、 结论及建议
7.1 、结论
对地下水位埋藏浅的富水地层、断层破碎带、溶洞及地下暗河发育段，在静水位较浅的情况下，应采用气举反循环钻进工艺施工，在堵漏失败后采用空气反循环施工。该井的成功实践，验证了气举反循环对深井施工的适应性和高效性，该井的施工深度达到了2551.48 m, 且随着深度的增加，钻进一直保持较高的效率。气举反循环工艺具有以下的优点[16,17,18,19,20]:
(1)钻进效率高。使用气举反循环钻井时，在钻遇全漏失地层(正循环钻进必须堵漏),孔内水位满足气液混合器沉没比≥50%的条件下，无需堵漏，可以正常连续施工。施工中井底岩屑大多被及时带走，减少岩屑重复破碎，提高钻进效率，该井的钻进效率提高了45%左右。
(2)施工成本低。采用清水钻进，节约了泥浆材料的费用；不再使用泥浆泵，减少泵损耗配件的费用；降低钻头磨损速度，延长了钻头的纯钻进时间，单个钻头进尺显着增大；同时，减少了起下钻次数，降低了工人的劳动强度。
(3)安全性能好。清水钻进，无泥皮不会发生粘钻事故，孔内干净无岩屑不会发生埋钻事故。
(4)提高出水量。清水钻进，避免泥浆、岩屑堵塞地层裂隙的情况，施工完毕后即可下泵抽水，水量达到了1248 m3/d, 远超过了700 m3/d的设计要求，相比正循环钻进的盐酸、空压机等洗井步骤，不仅节约了洗井费用，而且成井质量更高。
(5)准确判断地层岩性。携砂能力强，岩屑延迟时间短且岩样干净，在漏失地层中可以开展地质捞样等工作，捞取干净的岩屑，便于准确判断地层岩性。
7.2、 建议[21,22,23,24,25]
(1)气举反循环工艺对孔内水位有严格的要求，沉没比≥50%时应用效果良好；当沉没比<50%时，应用携砂能力差，钻进效率低。
(2)由于受沉没系数的限制，气举反循环不能地表钻进，开孔阶段要选用泥浆钻井工艺。
(3)在施工时设备能力到达的情况下应尽可能采用较大的沉没比，最小不低于50%,随着井深的增加，应逐渐加大沉没比，以提高泥浆携粉能力，本井的沉没比最大为1∶3。随着沉没比提高，可以进一步增加钻进深度。
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