雄安新區大王探采1井鉆井設計與實踐

摘要：雄安新區是我國中東部地熱資源最豐富、開發利用條件最好的區域，充分利用地熱資源，對雄安新區未來的綠色低碳城市建設具有重要意義，雄安新區地熱資源豐富，未來可以滿足大約1億平方米建筑面積。本文以大王探采1井為例，主要從井身結構、鉆井參數、鉆井液技術和固井技術等幾方面介紹了雄安新區地熱井鉆探工藝技術，為雄安新區地熱資源開發利用提供技術支撐。

關鍵詞：雄安新區；地熱井；井身結構；鉆井參數優化

1 地質概況

雄安新區是我國中東部地熱資源最豐富、開發利用條件最好的區域，充分利用地熱資源，對雄安新區未來的綠色低碳城市建設具有重要意義。它構造上位于渤海灣盆地的冀中坳陷內，所在區域大部分被牛駝鎮、容城、高陽3個地熱田覆蓋。構造總體特征為一系列北東向的斷裂構造。主要斷裂有NE向大興斷裂、容城斷裂、牛東斷裂、保定斷裂、高陽-博野斷裂，NWW向牛南斷裂。

雄安新區地表出露地層為第四系地層，第四系以下的巖層包括新近系（明化鎮組、館陶組）、古近系（東營組、沙河街組、孔店組）、中上元古界（薊縣系霧迷山組、楊莊組；長城系高于莊組、大紅峪組、團山子組、串嶺溝組和常州溝組）、太古界，普遍缺失古生界，不同區域受構造、剝蝕等因素影響，地層發育序列和厚度有所不同，所在區域地層剖面圖如圖1所示。

圖1 雄安新區地層剖面圖

中國石化新星石油公司在渤海灣盆地冀中坳陷容城凸起南部部署首口地熱勘探井——大王探采1井，為精細刻畫熱儲分布、科學合理開發地熱資源提供了依據，為雄安新區開發奠定了堅實的基礎。根據雄安新區地層特征，結合周邊已鉆井資料分析，對大王探采1井鉆探工藝技術進行優化研究，指導鉆井現場施工，為雄安新區地熱資源開發利用提供技術支撐。

2 雄安新區地熱井鉆探存在的主要風險

根據周邊已完鉆的地熱井資料分析，大王探采1井主要存在以下風險：

（1）薊縣系霧迷山組和長城系高于莊組，易發生失返性漏失，引起井下復雜。區域上多口井出現漏失：城南1井三開霧迷山組鉆進過程中1396.00～1404.00m發生井漏泥漿不返出；城南3井從霧迷山組1605～1780m全漏；城南4井在霧迷山組井深955米發生大漏，直到完井井內均無巖屑返出。

（2）地層發生失返性漏失時，易造成上部沉砂卡鉆和井壁坍塌，區域上多口井鉆井過程出現卡鉆事故，被迫填井側鉆或挪井口。

3 井身結構優化設計

雄安新區大王探采1井地層自上而下依次為第四系、新近系、古近系及薊縣系，本井目的層位薊縣系霧迷山組。設計為三開井身結構，井身結構示意圖如2所示，各開次要求如下：

一開采用Ф444.5mm鉆頭鉆至井深550m，下Ф339.7mm表層套管至549m，以滿足封隔表層松散地層、下入水泵和保護地表水的要求，水泥返至地面；

二開采用Ф311.15mm鉆頭鉆至井深2402m（進入霧迷山組地層不超過2m中完），下Ф244.5mm技術套管至2401m，封固薊縣系以上地層，為三開安全鉆進創造條件，技術套管上預留30m水泥塞；

三開采用Ф215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深，尾管懸掛，重疊20m，下Φ177.8mm復合管柱：懸掛器+套管（含2套管外封隔器）+盲板+花管至目的層底部，能夠滿足分層試水的需要。

4 鉆井液技術

大王探采1井鉆井液設計主要思路是把巖屑從井底攜帶至地面，清潔井底，穩定井壁，安全鉆進等。根據鉆遇地層情況設計各開次鉆井液主要性能、體系和配方，具體見表1所示。

0-550m地層：鉆遇地層主要為第四系和新近系，上部地層為黃砂層，易塌易漏且造漿率低，下部地層為軟泥巖，造漿嚴重。在鉆進過程中，上部適當提高鉆井液粘度、切力，加入HV-CMC并降低濾失量，防止地層垮塌與井漏發生。下部加入大分子聚合物膠液控制地層造漿，維護鉆井液性能穩定，維持足夠的粘切，保證良好的攜砂、懸浮和穩定井壁的能力，采用預水化膨潤土鉆井液體系。

550-2402m地層：鉆遇地層主要為新近系、古近系。主要巖性由泥巖、砂巖、細砂巖不等互層、礫細砂巖。要求鉆井液具有良好的攜砂能力和護壁性，防止井壁失穩，采用聚合物鉆井液體系。

2402-3500m地層：鉆遇地層為薊縣系。主要巖性由白云質砂巖、白云巖、白云質灰巖組成，易漏失，要求鉆井液能夠保護熱儲層和攜砂能力，采用無固相聚合物鉆井液體系。

5 鉆井及水力參數優化研究

在地熱井鉆進過程中及時把巖屑攜帶出來，是安全快速鉆進的重要條件之一。鉆井參數及水力參數優化設計，主要是在現有設備條件下，提高鉆井的水力參數，達到輔助破巖、凈化井眼的目的，以利發揮優選鉆井參數鉆井提高鉆速的作用。

5.1鉆井參數優化研究

鉆柱在鉆井過程中，不論是起下鉆、接單根還是劃眼正常鉆井時，鉆柱受到作用力數值較大的力是拉力，所以鉆柱設計主要考慮鉆柱自身重量拉伸載荷以及遇到卡鉆、處理事故時的提伸拉力和扭矩。采用wellplan軟件對大王探采1井鉆井過程中鉆柱受到的最惡劣條件進行分析和優化。

基本分析條件：（1）鉆具組合：F215.9mm鉆頭+F158.8mm無磁鉆鋌1根+F213mm螺旋穩定器+F158.8mm鉆鋌1根+F213mm螺旋穩定器+F158.8mm鉆鋌7根+F127mm加重鉆桿30根+F127mm鉆桿。（2）鉆壓：100kN；轉速：120r/min。（3）排量：36L/min。（4）鉆井液密度：1.05g/cm3。（5）最大扭矩：5000N·m。

根據鉆柱疲勞分析計算結果可知，G105的鉆柱的強度能夠滿足提升和下放施工作業要求，分析結果見圖3所示。

為了實現優快鉆井，提高鉆井效率，開展不同轉速鉆井模擬分析研究，計算結果見圖4所示，根據模擬計算結果可知當鉆井轉速在135rpm、155rpm、192rpm時鉆柱產生應力集中，容易發生鉆柱故障，從安全優快鉆井考慮，鉆井轉速優化為60～120rpm。

5.2水力參數優化研究

井筒內除去鉆屑是鉆井作業中的非常重要的部分，任何井眼都應保持有效的清潔，無法有效清除鉆屑將導致大量鉆進復雜情況，如起鉆時超提力太大、轉盤扭矩高、轉盤扭矩高、卡鉆、井眼堵塞、鉆速低、循環終止等后果，嚴重影響著鉆井安全，合理的水力參數設計有利于提高鉆井安全和鉆井速度，影響水力參數的主要因素是排量，因此對排量進行優化設計。

根據大王探采1井的井身結構設計數據、鉆具組合和鉆頭等參數，采用wellplan軟件對鉆井排量進行優化設計?；痉治鰲l件：鉆頭位置3500m，鉆井液密度1.05g/cm3，鉆速5m/h，巖屑直徑5mm。

從圖5模擬分析結果可知，當排量大于1.70m3/min時，井眼具有自清潔能力，不會形成巖屑床，有利于井下安全和優快鉆井，考慮經濟性和設備情況，將排量優化為1.70m3/min～2.16 m3/min。

6 現場應用效果

大王探采1井于2018年4月21日完井，完鉆井深3500m，完鉆層位高于莊組，井身質量合格，全井平均機械鉆速5.17m/h，實現了安全優快鉆井。2018年3月9日到17日進行了試水。試水水溫93.1℃，為區域內溫度最高的地熱井，水量140m3/h，靜液位116米，動液位100米，降深16m，取得了良好鉆探效果。大王探采1井的成功完鉆和良好試水效果，為雄安新區后續鉆井提供經驗，為資源評價和綜合開發利用提供科學依據，對雄安新區未來的綠色低碳城市建設具有重要意義。

7 結論與認識

（1）雄安新區巖溶熱儲采用三開井身結構，能夠滿足安全高效鉆井的需要，順利實現地質鉆探目的，為后續區域內安全鉆井提供經驗。

（2）鉆井液設計不僅能夠滿足攜砂、懸浮和穩定井壁的要求，而且確保地熱井安全鉆井施工及錄取資料的要求。

（3）通過對鉆井參數和水力參數優化研究，不僅能夠滿足鉆井各項施工作業的要求，而且有利于井下安全和優快鉆井。

（4）雄安新區大王探采1井試水水溫93.1℃，水量140m3/h，揭示了區域內良好的地熱資源潛力，為資源評價和綜合開發利用提供科學依據，對雄安新區未來的綠色低碳城市建設具有重要意義。

作者簡介：張海雄，工程師，2009年畢業于西南石油大學石油工程專業，現任地熱工程所所長，現從事地熱鉆完井技術研究和管理工作。

（作者單位：中國石化集團新星石油公司新能源研究院）