太原地熱優快鉆井技術

馮 濤 龔 沖 劉永鵬 張時中

太原地熱優快鉆井技術

馮 濤 龔 沖 劉永鵬 張時中

（中石化華北石油工程有限公司河南鉆井分公司，河南 南陽 473000）

太原地熱開發是太原市近年的重點環保項目，擔負著太原新城區集中供暖的任務。由于區塊地層條件復雜，鉆井中容易出現直井段偏斜、劉家溝組機械鉆速低、雙石地層垮塌失穩、石炭系煤層垮塌掉塊、熱儲層漏失等問題，導致鉆井周期長、成本高，嚴重影響了該區塊的開發進程。為此，進行了區塊優快鉆井配套技術研究，在2016年實鉆4口地熱井的基礎上，形成了一套以直井段防斜、劉家溝組鉆井提速、PDC鉆頭選型、雙石地層和煤層井壁穩定、熱儲層隨鉆堵漏等技術為核心的技術體系。現場應用效果良好，鉆井周期大幅度縮短，工程質量獲得甲方好評。

優快鉆井；太原；地熱井

太原地熱能開發，主要區塊為田莊斷裂以北及汾河斷裂以西的西溫莊-黃陵隆起，以叢式井形式，開發太原盆地寒武系、奧陶系碳酸鹽巖熱儲層[1]。每個開發平臺一般布置1口直井和1～3口定向井，較大平臺可能布置5口定向井。TD-1井后，先后開發了西-SSSS、西-FHJD、西-GXWL、西-CDL、西-QGY和西-JLQC等多個井組，為太原市新城區集中供熱、清潔供暖。

1 工程概況

2016年，中石化華北石油工程有限公司河南鉆井分公司在太原地區承鉆4口地熱井，完成進尺9 883m，工程質量受到甲方好評。河南鉆井分公司陜北項目部根據太原區塊的鉆井技術難點，組織技術攻關，形成了一套以直井段防斜、劉家溝組鉆井提速、PDC鉆頭選型、雙石地層和煤層井壁穩定、熱儲層隨鉆堵漏等技術為核心的區塊優快鉆井技術體系。

4口地熱井平均鉆井周期27.72d，較2015年縮短3d以上，其中西-CDL-1井鉆井周期23.46d，一舉刷新了工區最短鉆井周期記錄。

2016年施工的4口地熱井基本數據見表1。

2 鉆井技術難點

2.1 鉆遇地層主要特點

區塊完鉆垂深2 000～2 500m，定向井井斜30°左右，井底位移達到1 000m。自上而下鉆遇第四系，第三系靜樂組，三疊系劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組，石炭系山西組、太原組、本溪組，奧陶系峰峰組、馬家溝組、亮甲山組、冶里組，寒武系鳳山組、長山組、崮山組。第四系至第三系地層松軟，可鉆性好；三疊系劉家溝組存在礫石，鉆進過程中憋跳嚴重，易損傷PDC鉆頭；石炭系含有煤層，極易垮塌；奧陶系和寒武系是熱儲層，有大裂縫和溶洞，漏失嚴重，部分井組有失返性漏失記錄。

表1 2016年4口地熱井工程基礎數據表

2.2 主要鉆井技術難點

①一開下部進入靜樂組后，極易發生井斜。靜樂組埋深一般在300～400m，巖性為黏土、砂質黏土、砂礫石不等厚互層，地層松軟，機械鉆速較高。西-QGY井組位于田莊斷裂邊緣，同平臺兩口井一開均在320m后井斜突然大幅增加。

②劉家溝組可鉆性差，機械鉆速低。劉家溝組厚度400m左右，主要為紫紅色-棕紅色泥巖、細砂巖。該泥巖呈硬脆性，機械鉆速較低。劉家溝組中下部含有礫石，鉆進中憋跳嚴重，損傷PDC鉆頭。如表2所示，4口井劉家溝組機械鉆速僅4～5m/h，除西-QGY-2井外，需使用2～3只PDC鉆頭才能鉆穿劉家溝組地層。此外，劉家溝組地層存在微裂縫，鉆進中易發生漏失。

表2 劉家溝組地層PDC鉆頭使用和機械鉆速情況表

③雙石地層砂泥巖互層，裸眼段井壁存在失穩垮塌風險。石千峰、石盒子組存在多種泥巖，包括石千峰組棕紅色泥巖、上石盒子組底部灰色泥巖，下石盒子灰綠色泥巖，如圖1所示。鉆進中，需嚴格控制鉆井液比重，否則極易發生泥巖垮塌掉塊。

④石炭系地層含多層煤，極易發生煤層垮塌。區塊山西組、太原組和本溪組均含有煤層，實鉆中煤層厚度最大超過10m。且區塊煤層較為松軟，易垮塌，區塊曾有煤層垮塌卡鉆記錄，4口井煤層均有不同程度的垮塌掉塊現象。

⑤三開熱儲層極易發生漏失，且多發失返性漏失。奧陶系地層以灰巖為主，地層裂縫多，峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組易發生漏失，但較少發生失返性漏失。進入寒武系鳳山組后，地層以白云巖為主，存在大量溶洞，多發失返性漏失。特別是地層交界處失返性漏失可能較大，如西-QGY-2井冶里組與鳳山組交界處發生失返性漏失。

圖1 西-CDL-2井雙石地層泥巖掉塊

3 優快鉆井技術

3.1 直井段防斜打快

采用塔式防斜鉆具組合：445mmPDC鉆頭+730×630雙母接頭+203mm無磁鉆鋌+203mm鉆鋌×3根+178mm鉆鋌×9根+127mm加重鉆桿×9根+127mm鉆桿，配合無線MWD隨鉆測量。第四系地層松軟，緩慢加壓至5～10kN，轉速60r/min。進入靜樂組后，嚴格控制鉆壓10～20kN、轉速120r/min、排量34L/s，并控制大鉤下放速度。隨鉆加密測斜，每根單根測斜1次，實時跟蹤。進入劉家溝組后，可緩慢提高鉆壓至40～60kN，以獲得較高的機械鉆速。

3.2 劉家溝組鉆井提速

采用MWD+單彎螺桿鉆具組合：311mm鉆頭+216mm（0.75～1.25°）螺桿+203mm定向接頭+203mm無磁鉆鋌+203mm鉆鋌×3根+178mm鉆鋌×9根+127mm加重鉆桿×9根+127mm鉆桿。優選河北銳石S1952FC鉆頭，提高PDC鉆頭攻擊性，以提高機械鉆速。鉆頭入井以5～10kN鉆壓造型0.5m后，再緩慢增大鉆壓。鉆進中嚴格控制鉆壓，劉家溝上部以40～60kN鉆壓鉆進，100～150m后，機械鉆速降低，可適當提高鉆壓至80kN。若礫石憋跳嚴重，應適當降低鉆壓，減少憋跳，鉆頭后期可增大鉆壓至100kN。在保證機械鉆速的同時，盡量增加單只鉆頭進尺，防止PDC鉆頭提前失效。

3.3 優選PDC鉆頭

根據大量實鉆井鉆頭使用數據，可以準確科學地為鉆頭選型提供依據，區塊地質條件變化不大，根據實鉆4口井的鉆頭數據和鄰井的鉆頭使用數據進行比對，從而優選PDC鉆頭是十分有效的[2-4]。

①一開推薦使用格銳特444.5mmGS1906TZ，且一開鉆頭磨損較小，可以重復使用以節約成本。該型鉆頭在西-QGY-2井再次使用后，出井鉆頭仍具有較高的新度。如圖2所示。②劉家溝組采用19mm復合片5刀翼設計，加強鉆頭攻擊性，提高機械鉆速，推薦使用銳石311.2mmS1952FC。該型鉆頭在西-QGY-2井單只鉆穿劉家溝組，出井后復合片重度磨損失效，但基本未出現崩齒情況。③二開中下部采用16mm復合片5刀翼設計，較小的復合片以增加鉆頭抗研磨性，增加單只鉆頭進尺，減少起下鉆次數，推薦使用銳石311.2mmS1655FC和格銳特311.2mmGS1605STZ。如圖3所示。④三開熱儲層可鉆性較好，盡量單只鉆頭打完三開，采用16mm復合片6刀翼設計保證鉆頭抗研磨性，推薦使用格銳特215.9mmGSD1636TZ。該型鉆頭在西-CDL-1井單只鉆頭打完三開，進尺780m，機械鉆速13.76m/h。

圖2 444.5mmGS1906TZ重復使用后出井

圖3 311.2mmS1952FC鉆穿劉家溝出井

3.4 雙石地層井壁穩定

雙石地層時區塊二開復雜多發段，技術上應嚴防死守，操作上應精細負責。復合鉆進中，密切監視鉆壓和懸重的變化，磨阻異常增大應及時劃眼處理。滑動鉆進中，出現憋泵、托壓現象，應及時調整鉆進參數，改善鉆井液流變性能。當不適合再繼續滑動鉆進時，應立即停止。鉆井液性能應整體保持穩定，比重控制在1.12以上，漏斗黏度應控制在45～50s，并適當增加膨潤土的用量。每鉆進1根單根，劃眼1～2次，每鉆進200m進尺，應短起下鉆1次，修整井壁。起鉆時控制速度，嚴防起鉆抽汲導致泥巖段井壁失穩，并每起出1個整立柱灌漿1次。

3.5 煤層防塌鉆進

進入山西組地層前，將鉆井液比重提高至設計上限，保證對井壁的物理支撐。煤層段鉆進時，嚴格執行“進一退二”，并加強劃眼，保證無阻卡后繼續鉆進。鉆穿煤層后，進行短起下鉆，驗證煤層井壁穩定情況。通井起鉆前，應替入高粘封閉鉆井液，完全封閉煤層井段。

3.6 熱儲層隨鉆堵漏

為保護熱儲層，三開漏失原則上嚴禁采用大顆粒進行堵漏。但有效降低漏失速度，控制漏失鉆井液量是十分必要的[5]。奧陶系地層以裂縫性漏失為主，隨鉆加入4%～5%膨潤土+（5%～6%）DF-1+0.5%NaOH+0.5%Na2CO3，封堵地層裂隙。西-QGY井組施工過程中，加入隨鉆堵漏劑后，漏失量有明顯降低，漏失速度降低一半以上，如表3所示。鉆開鳳山組前，應備足生產水，以應對突發失返性漏失。

表3 隨鉆堵漏效果

4 結論與建議

①采用塔式鉆具組合，配合MWD監控，小鉆壓高轉速的措施，能有效解決太原區塊直井段易斜問題。②優選PDC鉆頭，嚴格控制鉆壓，是解決劉家溝組機械鉆速低，PDC鉆頭提前失效的有效手段。③雙石地層和太原組煤層失穩，可以通過細化技術措施，精細現場操作有效控制這一情況。④熱儲層井漏與堵漏的矛盾，仍是今后區塊地熱井鉆井中的重點矛盾，區塊失返性漏失目前仍無較好解決辦法，建議開展溶洞、大裂縫等條件下的堵漏技術研究。

［1］賀鷹.太原盆地西溫莊隆起地熱田地質特征［J］.山西焦煤科技，2010（6）：47-49，56.

［2］顧晶，王越之.輪古地區鉆頭優選技術研究［J］.中國科技信息，2010（14）：37，42.

［3］王越之，曹光福，陳松平，等.考慮鉆頭指標修正的鉆頭評價優選技術［J］.長江大學學報（自科版），2016（32）：82-85，7.

［4］路小帥，王越之，雷滿，等.利用數理統計方法對鉆頭進行優選及評價［J］.斷塊油氣田，2007（6）：63-65，93.

［5］馬光長.井漏綜合分類及其堵漏方法的選擇［J］.鉆采工藝，1993（4）：15-20.

Optimal and Fast Drilling Technology of Geothermal Well in Taiyuan

Feng Tao Gong Chong Liu Yongpeng Zhang Shizhong
（Henan Drilling Company of Sinopec Huabei Oil Engineering Limited Coporation，Nanyang Henan 473000）

Geothermal drilling development has become an important program in Taiyuan,Shanxi Province,and it undertake the mission of central heating of the city.Because of the complicated formation,excessive deviation in vertical section,low drilling rate in Liujiagou formation,borehole instability in Shiqianfeng&Shihezi formation,coal collapse in carboniferous formation,thermal reservoir leaking,and other problems serious effect the drilling,and it cause the long drilling cycle and high drilling expense.Some studies on optimal and fast drilling techniques had been made to solve the problems mentioned above.Based on the four geothermal well drilling in 2016,a whole set of techniques formed,including deviation prevention in vertical section,faster drilling rate in Liujiagou formation,PDC drilling bit selection,borehole stability in Shiqianfeng&Shihezi formation and carboniferous formation,leaking stoppage in thermal reservoir.The application is good,the drilling cycle has reduced substantially and the quality of the projects get a high praise.

optimal and fast drilling;Taiyuan Block;geothermal well

TE242.9

A

103-5168（2017）09-0128-03

2017-08-03

馮濤（1989-），男，本科，研究方向：石油和天然氣井鉆井工程現場生產組織工作。