容東潛山大漏失深層復雜地熱井設計及實踐

葉永盛，高艷芳，謝 波，張 彬，鄧明毅，劉 華

（1.華北油田公司工程技術研究院，河北任丘062552；2.河北雄安華油清潔能源有限公司，河北任丘062552；3.渤海鉆探井下作業公司，河北任丘062552；4.西南石油大學，四川成都610000）

1 概述

容東地區地熱資源豐富，潛山熱儲層以裂縫發育為主，儲層物性好，出水量大，水質佳，熱儲層地層穩定，回灌壓力小，經濟效益可觀。

潛山地層巖性主要以白云巖為主，部分層段含有紫紅色泥巖，地層壓力低，易漏失，上部地層主要以砂泥巖為主。該地區鉆井過程中，揭開潛山地層，及進入潛山段均發生不同程度的漏失，其中單井最大漏失量超過4000m3，同時伴有泥巖垮塌的現象，鉆進風險極高[1]。

2 井筒設計

2.1 設計概況

設計井深3000m。井口出水溫度大于60℃，出水量達到200m3/h以上。

2.2 設計難點

（1）調研周邊鄰井進潛山后漏失嚴重，無法正常鉆進。因此該地區內的井在鉆進潛山和在潛山內鉆進時，發生漏失的可能性非常大。且霧迷山井段固井，可能發生漏失。

（2）潛山裸眼井段較長，下部地層含紅色、紫紅色泥巖夾薄層泥質白云巖，可能會同時發生井漏、井垮，處理難度大。

（3）潛山地層含有易垮塌井段，完井設計需考慮。

2.3 井身結構設計

（1）一開主要目的是封固上段松軟地層、地表淡水層，安裝井口，保證表層套管具有足夠能力懸掛生產套管。

（2）二開主要目的是封固霧迷山以上地層，為霧迷山使用低密度鉆井液打下良好基礎。

（3）三開鉆達完鉆井深，下入套管和篩管復合管柱，采用油井水泥封住非儲層段環空[2-4]。井身結構數據見表1。

風險預案：鉆進過程中存在垮塌，井漏等風險，若無法鉆進時，啟用風險預案：擴眼后懸掛D244.5mm套管固井。四開用D215.9mm鉆頭鉆進，懸掛D177.8mm篩管完井。

2.4 鉆井液設計

（1）一開表層平原組成巖性差，膠結較為疏松，易漏；大尺寸井眼鉆進，鉆井液要充分滿足攜巖要求，設計膨潤土鉆井液體系。清水100m3左右，單泵地面循環，在漏斗中加入燒堿、純堿，再加入膨潤土，充分循環后，密度為1.03～1.05g/cm3，馬氏粘度大于30s，預水化后進行一開。

（2）二開主要巖性為砂泥巖，考慮長裸眼段砂泥巖可能發生井壁坍塌、虛厚泥餅阻卡等復雜，設計聚合物鉆井液體系。以黃原膠XC為抑制地層造漿、控制坂土含量上升；NPAN降濾失；改性植物油潤滑劑，降低摩阻防卡[5]。

表1 井身結構參數表

（3）三開潛山段地層，主要巖性為灰巖、白云巖，地層壓力系數低，設計清水或低固相鉆井液。通過降低鉆井液密度，提高地層的攜巖能力，保障鉆井提速和安全鉆進。儲備足夠清水，以備井漏發生時及時堵漏。鉆井液性能參數設計見表2。

表2 鉆井液性能參數表

2.5 難點技術對策

（1）為避免二開揭開潛山時發生的漏失，首先是卡準潛山界面。卡準潛山界面的措施有：

①進入設計潛山面50m前，加密砂樣的錄取；

②錄井技術人員及地質人員現場共同討論，確認進山的深度；

③按照錄井隊的現場要求，由監理指令鉆井隊停止鉆進，進行循環觀察，直到滿足地質要求為止。如果判定未進潛山，繼續鉆進，循環觀察，直到確認進入潛山。

（2）注水井在潛山內鉆進時發生漏失，不能堵漏，①漏速較小，能建立循環，采用邊漏邊鉆方式繼續鉆進；②若不能建立循環，可采用充氣鉆井、泡沫鉆井液、氣舉反循環等成熟技術進行鉆進；③以上措施無效時，根據現場情況現場論證是否可采用邊漏邊鉆。

采水井在非儲層段鉆進時發生漏失，可進行堵漏，用復合堵漏劑堵漏，若橋堵堵漏措施無效，打水泥塞堵漏。而高于莊組漏失時，可采用注水井潛山內鉆進措施。

（3）為了防止采水井潛山內固井時水泥漿發生漏失，一方面采用防漏水泥漿體系，或采用超低密度水泥漿體系。

若評估上述措施仍無法解決固井漏失時，可采用套管串上帶封隔器進行地層封固，不進行固井作業。完井管串為：懸掛器+套管若干根+封隔器+套管串+封隔器+套管若干根+篩管。

（4）為防止楊莊組紫紅色泥巖段發生垮塌，應加足防塌劑。在上部潛山不漏前提下可適當增加鉆井液密度防垮。

（5）霧迷山井漏、楊莊組垮塌，無法鉆進時，建議啟用應急預案。

2.6 完井設計

地熱井的完井方法主要有裸眼法、襯管（篩管和濾水管）法和射孔法三類。裸眼成井適用的條件是地層堅實，不垮塌、不掉塊。在碳酸鹽巖熱儲層段常采用裸眼成井方法。射孔成井是采油中最常用的方法，但地熱井用的較少，增加固井、射孔成本。篩管和濾水管成井是在松散、易垮塌巖層中常采用的成井方法。

采水層位屬于碳酸鹽巖儲層，但考慮存在出現裸眼段垮塌的問題現象，因此，設計采用篩管完井方式。

2.7 抽水試驗設計

為了確定地熱井的實際生產水量，評價含水層的富水性，推斷和計算地熱井的最大涌水量，在完井洗井結束后，進行抽水試驗來確定產能。

抽水試驗應在洗井達到水清砂凈后，經準確測定井口穩定水頭壓力后進行。抽水試驗必須做三個落程，求得相應的井口涌水量和水溫資料。抽水試驗最大一次降壓的延續時間不少于48h，其它兩個落程的穩定時間分別為8h及16h。每個降深段的穩定抽水時間均大于24h，抽水試驗結束后應立即測定恢復水位。

3 施工情況及處理工藝技術

3.1 施工井概況

該地區施工的容東熱5-1井，實際井深2548m，定向井，最大井斜31.98°。設計井身結構為三開，后期發生鉆具卡鉆復雜情況，采用爆破松扣技術措施，成功解卡，最后注水泥下斜向器側鉆完井，實際井身結構為四開。

3.2 鉆具組合確定

（1）一開地層主要以膠結疏松的砂巖及松軟的泥巖為主，地層松軟，采用塔式鉆具組合，合理加壓，均勻送鉆，注重防斜打直，嚴格控制井斜角不超過1°，確保泵室段的井身質量。?660mm鉆頭鉆深405m，下入?508mm套管至392.69m，鋼級為J55，壁厚為12.7mm。

鉆具組合：?660mm鉆頭+托盤+?228.6mm NDc×1根+?228.6mmLDc×8根+?127mmDp。

（2）二開采用增斜鉆具組合，下入鉆具前調整好方位。采用多點測斜儀測斜。?444.5mm鉆頭鉆深980.8m，?339.7mm套管下至980.69m，鋼級為J55，壁厚為9.65mm。

鉆具組合：?444.5mm鉆頭+托盤+?228.6mm NDc×1根+?228.6mmLDc×2根+?203.6mmLDc×3根 +?177.8mmLDc×9 根 +?127mmWDp×15 根 +?165mm 隨 鉆 震 擊 器 +?127mmWDp×6 根 +?127mmDp。

（3）三開采用PDC+螺桿復合鉆具組合，利用MWD隨鉆測斜實時調整軌跡，精確中靶，同時配合PDC鉆頭鉆井提速。?241.3mm鉆頭鉆深1832m，?177.8mm套管下至1596m，鋼級為P110，壁厚為9.19mm。

鉆具組合：?241.3m鉆頭+?197mm單彎螺桿鉆具（1°）+鉆具浮閥+?165mmNDc×2根+?165mm LDc×10根+?127mmWDp×15根+隨鉆震擊器+?127mmWDp×6根+?127mm鉆桿。

（4）側鉆井段采用?152.4mm鉆頭鉆深2548m，? 127mm套管下至2132m，鋼級為P110，壁厚為9.19mm。

鉆具組合：?152.4mm鉆頭+?120mm單彎螺桿鉆具（1°）+鉆具浮閥+?120.7mmNDc×2根+?120.7mm Dc×10根+?88.9mmWDp×15根+?121mm隨鉆震擊器+?88.9mmWDp×6根+?88.9mmDp×1000m+?127mm Dp。

3.3 鉆進工藝技術

3.3.1 鉆井液正循環鉆井工藝

與油氣井類似，大部分地熱井目前主要采用正循環鉆井工藝。根據鉆井液設計的要求，一開采用常規膨潤土鉆井液體系，二開砂泥巖地層采用聚合物鉆井液體系，抑制泥巖造漿，控制失水，穩定井壁，提高攜巖效率，保證井下施工安全。該井鉆頭主要以PDC為主，牙輪鉆頭為輔，有利于鉆井提速。

3.3.2 清水強鉆工藝

鉆遇到潛山地層，巖性主要以白云巖為主，存在裂縫漏失。由于漏失量較大，漏失快，難以快速配漿，采用清水作為鉆井液，邊漏邊打，既省成本，又能快速補充鉆井液。唯一的難點就是巖屑難以返出到地面，懸浮在井筒中，容易造成井下復雜。

3.3.3 堵漏工藝

該井三開鉆進至982m發生井漏失返情況，一開始采用常規堵漏工藝，先后注入堵漏漿100m3，仍然井漏失返；接著下入光鉆桿，配置大果殼堵漏漿，井口未見返出；最后采用水泥堵漏，注入水泥30m3，循環過程中依舊井漏失返，說明本井地層裂縫發育明顯，難以依靠常規手段進行有效封堵。

3.3.4 泡沫鉆井工藝

泡沫鉆井工藝采用泡沫流體作為鉆井液，主要功能是減輕井內的液柱壓力，同時泡沫的攜巖能力比一般的水基鉆井液要強，鉆遇大尺寸的裂縫時，泡沫會在壓力下進入裂縫空間，封堵空隙和裂縫，在填充完成后會極大地減少漏失量。

三開潛山地層堵漏未見效果后，決定降低鉆井液密度，嘗試使用泡沫鉆井液鉆井工藝技術，邊漏邊打。后續2次采用泡沫鉆井液鉆進[6]，密度為0.89～0.90g/cm3之間，效果不太明顯。

3.3.5 邊漏邊鉆工藝配合稠漿攜砂工藝

多次嘗試后效果不佳，恢復現場低固相鉆井液體系鉆進。由于邊漏邊鉆，巖屑難以返到地面，懸浮在井筒中，鉆頭重復破碎，機械鉆速緩慢，進尺少，決定間斷配置稠漿攜砂，利用鉆井液漏失的特點將鉆頭附近的巖屑帶至漏層，效果顯著，順利鉆至1832m，通過漏失層段[7-8]。

3.4 卡鉆復雜情理工藝

3.4.1 充氣鉆井工藝

該井在1689～1690m之間起下鉆、短起下工況下多次遇阻，前期鉆頭劃眼順利通過，后期未見明顯效果，且風險增加，嘗試采用充氣鉆井工藝技術，出口有返出，后續逐漸失返，攜砂能力有限，后續放棄使用。

3.4.2 撈砂筒隨鉆鉆進工藝

采用稠漿劃眼的施工模式，劃眼處理12次，處理至1267m，收效不明顯，井內砂子不能返出也未進入地層，地層吸砂能力有限。

決定采用撈砂筒隨鉆鉆進工藝，加工16m撈杯配合直徑更細的鉆具進行撈砂作業。隨著處理井段加深，井內砂子減少，井下部分井段情況改善。最后撈砂至1460m。起鉆更換鉆頭進行劃眼作業。然后下鉆通井過程中（劃眼井段1687～1696m）發生卡鉆。經活動鉆具、間斷開泵頂通、地下震擊器震擊等處理手段均未解卡。爆炸松扣，成功解卡。

3.5 洗井工藝

為了最大限度獲取地熱水，破壞和洗去井壁泥餅，達到出水量和水溫設計要求。在進行抽水試驗之前首先要進行沖孔換漿（就是用清水替換井筒中的泥漿）和洗井工作。

地熱井洗井實踐中，洗井工藝流程只有幾種洗井方法組合在一起使用，才能形成一個完整的洗井作業程序。每個程序水泵抽水洗井結束獲得準確的水量和水溫結果，為制定下一個洗井程序或進入抽水試驗階段提供依據。

容東安置區霧迷山組、高于莊組地層裂縫、孔洞發育，屬于基巖裂縫型地層，推薦采用噴射洗井+酸化洗井（酸壓洗井）+氣舉洗井的洗井方法。

3.6 抽水試驗現場應用

在容東安置區完成潛山霧迷山組、高于莊組現場抽水試驗。

霧迷山組抽水試驗采用雙電泵機組并聯運行試水，靜水位93.03m，雙泵運行動水位穩定在151.2m，最大降深58.17m，穩定排量6000m3/d。

高于莊組抽水試驗在177.8mm套管內下入現有潛油電泵試水，靜水位189.61m，運行穩定動水位238.38m，累計最大降深73.36m，折算排量979m3/d。

4 結論

該井是容東地區井下工況最復雜的一口地熱井。鉆井過程中采取泡沫鉆井、氣體鉆井、撈砂筒鉆井等多種工藝技術，攻克潛山長裸眼井段安全鉆井技術瓶頸，實現安全鉆穿霧迷山嚴重漏失坍塌井段，順利鉆至太古屆變質巖完鉆。該井的順利完井，為容東地區地熱資源的開發提供了最新的技術資料，為華北地區潛山地熱井的施工提供了寶貴的經驗。