地熱能已成為新能源家族中的重要成員,其經濟效益和環境效益顯著。天津地區地熱能源豐富,天津地區的地熱開發在中國起步較早,天津地熱勘查開發設計院自20世紀70年代開始就從事地熱的研究與開發,在探索中發展,積累了一定的經驗。

 

  1熱儲層類型

 

  天津地區地熱按熱儲層巖性特征分為2種:砂巖孔隙型熱儲和碳酸鹽基巖裂隙型熱儲。砂巖孔隙型熱儲位于新近系明化鎮組、館陶組及古近系東營組地層,巖性以泥巖、砂巖、砂礫巖不等厚互層。基巖裂隙型熱儲位于奧陶系、寒武系、薊縣系霧迷山組灰巖和白云巖地層,熱儲層溶洞裂隙發育。天津地熱井鉆遇地層巖性變化大,易出現縮徑、掉塊、井漏、坍塌等井下復雜情況。

 

  2地熱井套管程序

 

  2.1孔隙型熱儲套管程序 孔隙型熱儲為松散或半膠結特點,巖性為砂巖、砂礫巖,須下帶過濾器的井管來保護井壁,以起到擋砂取水的作用。

 

  (1)一般針對深度1200m以內地熱井,砂巖顆粒細,無膠結或膠結差,為防止地層出砂,一般采用 傳統的水井成井工藝,4445~550mm大口徑鉆 井,一開完井,下入325和219mm管串,采用纏絲過濾器,纏絲間距1mm,管外投2~4mm龍口砂礫料,粘土球止水,套管與井眼環空用紅土回填。

 

  (2)深度1200~1500m的地熱井,地層可鉆性比淺部差,大口徑鉆井成本高,同時投礫難度加大,地層砂巖膠結和粒徑情況比淺部好,可采用4445和2413mm一開完井,下入3397和1778mm套管串,過濾器采用纏絲濾水管,纏絲斷面為梯形,纏絲間距根據熱儲層砂巖粒徑確定,一般05~07mm,為防止出砂過濾器外可包裹40目銅網。也可加大鉆井直徑311mm,下入雙壁過濾器,中間加5mm厚的2~4mm龍口砂礫料,纏絲間距要加大至1~15mm,下管前要注意換漿,并在管串中加阻流裝置,防止下管過程中過濾器堵塞,導致洗井困難。

 

  (3)深度1500~3000m的地熱井,過濾器采用纏絲濾水管,纏絲間距05~1mm。二開完井,鉆井直徑為4445和2413mm;套管直徑為3397和1778mm。

 

  2.2基巖裂隙型熱儲套管程序 基巖裂隙型熱儲為較硬的碳酸巖地層,熱儲層較穩定,套管封閉上部不穩定地層,熱儲層一般采用先期裸眼完井技術。

 

  3鉆井工藝

 

  3.1鉆井設備

 

  主要采用MR7000、SPR3000、ZJ40J型3種鉆機,最大鉆井深度3000~4000m,基本可滿足天津地區地熱鉆井需要。其中ZJ40J型鉆機最大鉤載2250kN,井架工作高度43m,鉆臺高度7m,可鉆深4000m。

 

  3.2鉆頭選用

 

  結合天津地層特點,首選三牙輪鉆頭,三牙輪鉆頭所鉆井眼圓滑、規則,鉆頭形成系列、質量可靠,可適用不同地層鉆進。為了獲取最高的機械鉆速,我們在砂巖和泥頁巖地層中使用PDC(聚晶金剛石復合片)鉆頭,取得了很好的效果。例如在寒武系饅 頭組泥頁巖地層使用牙輪鉆頭鉆速1~15m/h,而 使用PDC鉆頭鉆速提高到4m/h。

 

  3.3定向井眼軌跡和鉆具組合

 

  天津地區施工定向井多采用四段制剖面,包括直井段、造斜段、穩斜段、自然降斜段。直井段450~650m,設計最大井斜18 ~35 ,井底水平位移400~600m。鉆直井段采用塔式鉆具組合,定向井段采用井底動力鉆具,采用隨鉆測量技術,控制方位角和井斜角,鉆至井斜角9 左右,用增斜鉆具組合鉆至設計最大井斜角,換穩斜鉆具組合。全井根據取得的井眼軌跡數據,調整合理的鉆具組合和鉆進參數,來控制井斜和方位的變化,使井眼曲率變化平緩。自然降斜井段位于開采層,一般存在井漏,此時 去掉扶正器,簡化鉆具結構鉆進至終孔。

 

  3.4鉆井液

 

  天津地區地熱井施工中,1500m左右較淺的第三系直井,一般用膨潤土配制原漿,可滿足施工要求,深度較大的第三系直井用NaOH和KHm調節性能,孔隙型熱儲鉆井液中限制高分子用量,以防止對產層的污染,降低洗井難度。 施工基巖地熱深井,地層較復雜,鉆井液要有良好的護壁性能,要有一定的抗高溫能力,要有較低的密度,以預防和減小井漏。天津地區地熱鉆井液經過不斷的發展,現今采用聚合物防塌鉆井液。主要處理劑為聚丙烯腈銨鹽。聚丙烯腈鉀鹽,聚合物防塌鉆井液的特點為:抑制性強,能夠防止泥巖地層的粘土分散,穩定井壁,減少鉆屑分散造漿,降低泥漿中土的含量。同時,由于它具有良好的剪切稀釋特性,有利于各類井眼條件下的攜砂和發揮水力破巖作用,提高機械鉆速。配合使用潤滑劑增強鉆井液 的潤滑性,可以滿足定向鉆井的要求。3.5井漏熱儲層鉆進工藝 可采用清水頂漏鉆進和氣舉反循環鉆進2種措施。清水鉆進要注意鉆頭選型和參數控制,盡可能使鉆屑較少進入漏層,防止井內沉屑過多,造成井下事故,完鉆后要配合強力洗井和大流量抽水將鉆屑排出。氣舉反循環鉆進,通過降低鉆具內的水柱當量密度,形成反循環,有利于保護熱儲層,值得推廣,不足之處是容易堵塞鉆具內眼,影響鉆進效率。

 

  4成井工藝

 

  4.1下套管作業和水泥固井

 

  地熱井采用符合API標準的石油套管。常用套管的附件有:浮鞋、浮箍、彈性扶正器等,除表層套管返至地表,其它套管均采用鉆桿連接反扣接頭送入方式,以降低工程造價,同時滿足潛水電泵泵室要求,套管下到位以后要立即進行水泥固井。水泥固井是用水泥漿封閉套管與鉆井環空。封閉非開采層,起到止水和固定套管的作用。固井方法有內管固井、尾管固井和擠水泥固井。

 

  4.2洗井和抽水試驗

 

  孔隙型熱儲采用化學洗井和物理洗井相結合的方式,浸泡洗井液,破壞泥皮結合空壓機氣舉洗井。裂隙型熱儲采用氣舉洗井,洗井至水清砂凈即可轉入抽水試驗。 抽水試驗采用井下潛水電泵進行,用變頻裝置控制流量,進行3個落程抽水試驗

 

  。4.3增產措施

 

  經抽水取得的數據未達到預期指標時,要認真分析原因,有針對性地采取增產措施,對孔隙型熱儲可采用射孔方式打開被套管封閉的其它含水段,對于裸眼成井碳酸鹽基巖地熱井,可采用酸化壓裂的增產措施。

 

  5經驗教訓

 

  經過多年在天津地區施工地熱井,我們不斷探索取得了一定的經驗,但也不乏教訓,現列舉幾條以為前車之鑒。

 

  5.1預防水泥環掉塊卡鉆

 

  以前套管鞋距井底2~3m留!口袋固井,在深部鉆進時因留有水泥環,曾多次出現水泥掉塊并出現卡鉆事故。現在套管與鉆具相連送至井內,固井結束后將套管下放至井底,為保證井底清潔可在井底注入稠泥漿塞,較好地避免了水泥環卡鉆。

 

  5.2鉆具短路循環造成事故

 

  鉆具泄漏比較常見,但因管理不善和經驗不足容易被誤判,造成嚴重事故。1992年施工一口2000m直井,施工中突然出現泵壓下降,判斷為泥漿泵故障,修泵后未排除,又主觀認為是鉆頭噴嘴脫落,未 引起重視繼續鉆進,恰逢鉆遇砂礫巖地層,結果發生埋鉆事故,經過套銑處理,事故解除,留下慘痛教訓。泵壓下降應認真查找原因,結合遲到時間、測量方法判斷,若難以排除鉆具問題應立即起鉆檢查。

 

  5.3卡準基巖面預防井漏

 

  天津地區基巖漏層較多,如奧陶系、寒武系、薊縣系等,第一層技術套管一定要進入基巖且在井漏前下入,以封閉松散地層,預防因井漏引起塌孔埋鉆事故。2000年施工的一口基巖定向井,1500m時出現大漏,搶鉆50m鉆具卡死造成埋鉆事故。后來分析,該井館陶組砂礫巖直接與奧陶系灰巖不整合接觸,采用鑲齒牙輪鉆頭鉆進進尺很快,等到撈取巖屑發現變層時已進入灰巖4m出現大漏,該事故套銑處理了1個月后事故解除,經濟損失很大。鉆井中地質預報和卡準地層很關鍵,若該井能加密撈樣,必要時控制鉆進節奏進行地質循環,井內巖渣要控制在2m以內。

 

  5.4小井眼卡鉆

 

  基巖鉆井因地層硬度大,鉆頭外徑磨損嚴重而打出小井眼,容易導致卡鉆。在1998年施工的一口地熱井中,1524mm井段時,因鉆進砂巖和含燧石白云巖地層,鉆頭外徑磨損很大,更換新鉆頭后因下鉆未及時掃孔,導致下入小井眼卡鉆,經泡酸套銑事故仍未解除,不得已拋棄!落魚,在1524mm上部裸眼井段側鉆繞障繼續鉆進,小井眼硬地層側鉆難度也很大,做了2次人工井底才側鉆成功。如果在鉆頭選型和使用方面,鉆頭出井測量、新鉆頭入井掃孔這些環節多加注意,就不會出現此類問題。

 

  6結語

 

  天津地區已施工地熱井300余口,有經驗也有教訓,天津地區地熱鉆井融合了水井和油井的工藝,并結合地熱施工特點,形成了一套相對成熟的工藝技術。但鉆井施工中還存在著一些管理缺陷,有待完善,同時還有許多技術問題有待解決,如孔隙型熱儲回灌量偏小,限制了對地熱的保護性開發,深部地熱有待研究開發等,這些都需要在今后的實踐中加以解決。