深部資源探測施工流程及工程控制技術探討

許成勇

（山東省地質礦產勘查開發局第七地質大隊，山東 臨沂 276002）

深部地熱資源鉆井是開發利用深部地熱及地表淺層地熱能的唯一直接途徑，鉆井工藝的選擇以及施工程序直接影響著地熱資源的開發利用效率。由于深部地熱資源賦存地層的特殊性、破碎漏失地層是地熱鉆井井場鉆遇的地層，快速解決穿越這類地層地熱鉆井技術的關鍵。

1 地深部資源探測工程控制技術探討

就目前國內深部地熱鉆井情況來看，普遍存在著鉆井效率慢、深井事故頻發、非正常鉆進時間過長等問題。鉆井技術領域中新技術引進與研發醫乏，一般仍采用傳統鉆井工藝，鉆進過程對地熱資源儲層影響大，嚴重影響地熱資源開發效率和經濟效益。地熱鉆井技術主要發展方向如下：

（1）引進和推廣石油鉆井裝備和工藝。目前，我國石油鉆井深度己達7000余米以上，其設備能力、鉆進工藝和鉆進效率在整個鉆井工程領域一直處于領先地位。所以，引進和推廣石油鉆井成熟技術將會對地熱鉆井技術的發展起到積極推動作用。但是石油設備以及配套裝備價格高昂，從而限制了石油鉆井技術的推廣應用，應將其與地熱鉆探特點相結合并推廣應用。

（2）綠色鉆探，智能化鉆探。智能及自動化可降低鉆探過程“人為性事故”等不利因素，減少降低勞動力數量和強度，并對提高鉆井的精準度和保障井內安全都有重要作用，是未來發展方向。綠色鉆探無論是在鉆井還是在其前后階段，都強調環保清潔、節能高效等思想，將對自然的損害和破壞減少到最低程度，在當前我國社會各界普遍的“青山綠水”環保要求大背景下，綠色鉆探技術無疑是鉆探工程發展繞不開的必經之路[1]。

（3）多工藝復合鉆井技術。針對同一口井鉆遇不同地層分別采用正循環泥漿鉆進、空氣潛孔錘鉆進、氣舉反循環鉆進、井底螺桿馬達驅動鉆進等工藝，或者采用兩種、三種以上工藝組合。優點是:回避了鉆井裝備不足問題，重點解決鉆進工藝問題。

（4）地熱鉆井逐步向高深度、高溫度、高壓力方向發展。當前我國中低溫地熱資源開發技術己基本成熟，而對于干熱巖等高溫資源如何開采，目前還沒有統一的認知，三千至六千余米的深度，幾百攝氏度的高溫以及巨大的地層壓力，對地熱鉆井技術是個挑戰，例如如何提高鉆井液的耐高溫性能，保證螺桿、液動錘、測井儀器等井下器具在高溫高壓條件下正常工作，達到高效碎巖攜巖等目的。故而對抗高溫鉆井液技術、抗高溫隨鉆測控技術、高溫固完井技術和高效破巖輔助工具的耐高溫無故障工作研究是未來重要方向。

2 深部資源探測井施工流程

2.1 物探測井

通過物探測井并結合鉆探獲取的地層資料，確定含水層埋深、厚度以及井（孔）壁的完整性、井徑等信息，為壓裂增水作業提供準確資料和設計依據。測井參數包括井深、井徑、靜水位、水溫和井孔巖層的完整性、含水裂隙層段數及其發育程度、埋深與厚度、低電位電阻率、自然伽馬等；根據測井結果，選擇壓裂目標層段和封隔座封段的深度與厚度，為壓裂試驗提供準確資料。

2.2 壓裂方案

（1）壓裂液:常用壓裂液有水基壓裂液、乳化壓裂液、泡沫壓裂液等類型。本次壓裂施工采用清水作壓裂液，取材方便，成本低。其優點是：①價格低廉、對地層無污染，安全可操作性強；②以高壓作用剪切、沖蝕破壞天然裂縫中的充填膠結物，使得裂隙擴展并疏通；③高壓作用使原始的微裂隙、孔隙層張開并連通，增水效果好；④成本低。缺點是:工作效率低，注水量大，要求較高的泵注排量。

（2）壓裂工藝：依據成井結構，本地熱井采用井內裸眼雙座封壓裂器具組合和單封座封壓裂器具組合、單管路頂液的壓裂工藝方法壓裂，共進行2個段次的壓裂。確定雙座封工藝壓裂作業井段在300m～680m之間；單座封壓裂作業井段在660m以下。根據本地熱井的物探測井資料，確定雙座封壓裂作業的上、下座封位置分別為323m，672m處；單座封位置667m處。

2.3 壓裂前準備

壓裂施工前的準備工作包括場地踏勘，鉆桿測量，地表壓裂設備與孔內器具配置、連接，水源供給等。

地表設備安裝:壓裂泵車一管路一管匯一管路一高壓水龍頭。

（1）高壓管匯連接：首先，將壓裂泵車停放在距離井口約40m、地勢平坦、視野開闊的地方，將地面管匯安放在壓裂泵車和井口距離的中間，放平放穩。然后通過高壓膠管等分別將壓裂泵車與立軸連接。

注意事項：連接前需要用鋼絲刷將由任接頭上的銹斑除掉，防止滲、滴、刺水，預防安全事故；按照管匯上的進出水指示箭頭依次由壓裂泵車一管匯一水龍頭連接。

（2）配備壓裂設施與鉆桿、變徑接頭，按下入深度測量管柱并排序，同時查驗各下井器具有無損傷，絲扣連接有無損壞，封隔器橡膠有無損壞等。然后依次下入井內，絲扣要采取密封措施，纏麻、涂抹絲扣油，待井下器具安裝完畢后，安裝井口高壓水龍頭。

（3）供水設備安裝：壓裂施工需要大量壓裂液(清水)，施工過程中，壓裂液(清水)供應不能中斷，否則會導致壓裂暫停而影響壓裂效果。本井壓裂作業采用1臺最大泵量100m3/h的壓裂泵車，配備2臺泵量分別為60m3/h、15m3/h,揚程20m的供水泵，壓裂作業時根據需要開啟1臺或2臺泵供水。將施工現場約80m3的泥漿池蓄滿水作備用供水水源，同時不間斷往泥漿池注水。

注意事項:泥漿池中的供水泵不能接觸蓄水池底板，設置濾網防止吸入泥沙、雜物等，施工期間。

（4）壓裂泵調試：進行調試、循環試壓，地面設備與井內壓裂器具安裝完完畢后，需要對壓裂泵檢查系統流程的暢通性、安全性。

啟動壓裂設備發動機按鈕，觀察發動機運轉情況和顯示器發動機參數，判斷發動機聲音是否正常，查看壓裂設備是否有漏機油和防凍液情況，如有上述征象，當即停機維修。

確認發動機處于正常狀態后，壓裂泵車自帶儲水箱加滿壓裂液(清水)，將壓裂管路閥門打到“內循環”狀態，壓裂泵掛一檔，觀察顯示端壓裂泵參數，仔細聽壓裂泵泵體聲音是否異常。順次測試二至六各個檔位壓裂泵的性能參數。

壓裂泵體設備測試通過后，將壓裂管路、管匯旋塞閥門打到“外排”狀態，將高壓膠管出口端放到開闊場地或水池中，開動壓裂泵供水，觀察管匯出口水流狀態和壓裂系統地面管路狀態是否正常，測試試驗合格后再準備壓裂作業。

2.4 壓裂泵車壓裂

2.4.1 第一試段壓裂

準備工作完成后，進行試運行檢查壓裂設備、管線以及泵的運行情況。首先進行打壓測試，關閉管匯閥門，開啟壓裂泵，憋壓，地面管線與閘門試壓20MPa,5分鐘不刺漏為合格，然后準備壓裂工作，壓裂時各崗位有專人負責監督。

開啟壓裂泵，先以小泵量供水，水量控制在200L/min～300L/min之間，壓入井內，監測壓裂泵控制臺參數，記錄轉速、泵量、瞬時壓力值等工況的變化情況，期間分析地層起裂壓力和裂縫延伸壓力值的變化；與此同時密切關注井口動態，井口是否有反水等異常；地面管路、管匯工作狀況是不是正常。當系統壓力穩定較低壓力值且無變化時，再逐步增大供水量直至本壓裂段結束。壓裂實施過程參數:

泵排量15.2m3/h持續供水10分鐘，壓力維持在4.8Mpa左右，地面壓裂管路和井口無異常；調整泵量至37.1m3/h，壓力增至7.2Mpa，逐步調整泵量至65m3/h，泵壓力增至最大10.5Mpa，持續工作至88min，系統壓力突降至9-9.5Mpa,泵量自動升至68.8m3/h，連續壓裂作業203min結束，本壓裂試段共壓入水量193.3m3。

壓裂工作結束后，打開管匯上的旋塞卸荷閥，將系統內的水泄出，再卸開高壓水龍頭，往鉆桿內投球，等待鋼球落入卸荷閥內球座上，重新連接高壓水龍頭，開泵送水，頂開卸荷內滑套露出溢流口，將鉆桿內的水柱泄出，同時封隔器收縮，然后提出井內器具。

2.4.2 第二試段壓裂

因680m以下鉆孔口徑為152mm，無法下入封隔器(外徑180mm)，現場研究分析后決定采用去掉下封隔器，將上封隔器設置在216mm孔段的方法進行壓裂。單座封壓裂器具組合為:自下而上依次為底堵一短鉆桿一上封隔器(置于668m處)一定壓開啟閥一卸荷閥一鉆桿一井口水龍頭一至地表系統。

開啟壓裂泵，先以小泵量供水，設定泵壓力在10MPa左右，通過調控壓裂泵車的轉速控制泵流量在12m3/h～13m3/h之間，最大泵量15m3/h，連續壓入61.3m3清水。卸荷后壓入井內的水大部分返出井口，至此壓裂車壓裂作業全部結束。

2.5 效果分析

2.5.1 抽水試驗方法

壓裂前后進行了抽水試驗，采用出水量20m3/h、揚程200m的潛水電泵作抽水機具、三角堰和水表測流量，壓裂前水井水量13m3/h，壓裂后水量增至19m3/h,基本達到預期效果。

2.5.2 壓裂車壓裂效果分析

本次壓裂作業共安排了2個段次，采用雙座封、單座封兩種壓裂工藝方法對不同井段實施了壓裂增水，累計壓入水量254.6m3；最小泵排量12.m3/h，最大泵排量71.m3/h；泵壓力最大10.5Mpa。

由物探測井資料結合壓裂施工過程中的實際工況推斷，本次壓裂在300m以下，處在構造下盤上，依據物探測井資料劃分地層為三個裂隙破碎帶，0m～300m井段裂隙破碎厚度約124m，為主要含水層段；300m～700m累計裂隙破碎厚度約72m，為次要含水層段；700m～1200m井段累計裂隙破碎厚度約36m，為弱含水層段。根據壓裂卸荷后經地層閉合井內返水情況判斷，基本印證了上述推斷，第一壓裂試段壓入地層的水部分返出地表，第二壓裂試段壓入地層的水大部分返出地表，最上部井段由于井徑大及可能的與常溫水裂隙溝通而沒有實施壓裂[2,3]。

3 結語

天然存在的含水層裂隙內，充填有破碎膠結物、巖屑顆粒等，阻擋了過水通道，滲透率低，經過高壓流體的強力剪切、沖蝕和運移后，使得原本細微的裂隙得到擴展和疏通，同時充填物可隨著裂隙的壓裂延伸，隨高壓流體卡塞到裂隙中，起到支撐作用。裂隙中的水流由徑向流變為線性流，滲流條件得以改善，地熱井資源量得以提高。