高溫高壓地熱井施工泥漿工藝

趙漢偉，王松珍

(1.河南省地質礦產勘查開發局 第一地質勘查院，河南 鄭州 450001；2.河南省地質礦產勘查開發局 第一地質環境調查院，河南 鄭州 450014)

阿爾及利亞民主人民共和國位于非洲西北部，面積238.17萬km2。地熱開發自流井工程地點為瓦格拉省北部EL HADJIRA鎮，成井深度1 650 m，水量210 L/s，水溫53 ℃，地表壓力1.39 MPa。該工程較好地解決了當地5萬人口的飲水問題及13.33 km2農田的灌溉問題[1]。在熱井鉆探施工中，鉆遇了泥頁巖水敏地層和鹽膏地層，最終到達阿爾必階高壓含水層；因進地層不同所采用的泥漿體系也不盡相同，本著安全與節約的原則在施工中自上而下不同階段進行泥漿體系轉換[2-4]，效果良好，可以為相似的工程作業提供參考。

1 區域地質概況

阿爾及利亞區域上有2大單元組成，北部為撒哈拉阿特拉斯褶皺帶(馬格里布阿爾卑斯褶皺帶)，南部為撒哈拉地臺(非洲阿拉伯地帶)，兩者以向北傾斜的南阿特拉斯斷層為界。

工區位于三疊盆地區域內(拉格瓦特、圖古爾特以南阿夫盧以東的沙漠地帶)；白堊系阿爾必階地層中蘊含有豐富的地下水，且自西北向東南傾斜，在蓋爾達耶地區埋深300 m左右，到蓋拉拉(Gherara)、宰勒法納(ZELFANA)埋深700 m左右，而到了哈吉拉(HAJRA)埋深到了1 200 m左右，圖古爾特、瓦爾格拉地區埋深1 500 m左右。不同地點層厚也均不同，各地區地表高程也不一樣，地表水壓也不會一樣，這就形成了不同的水井結構和不同的成井工藝。

2 工程點地質簡述

該井流量210 L/s，地表水壓141 m水柱，水溫53 ℃，施工自上而下所見地層如圖1所示。

圖1 工程區地質示意Fig.1 Geological diagram of the project area

(1)上新世覆蓋層(Moi-pliocène)。0～180 m主要成分為砂礫混合物，淺黃、灰白色，隨著深度增加呈輕度膠結狀，且局部夾有少量紅色黏土。

(2)始新世(Eocène)。180～300 m為淺灰色砂巖，結構復雜，裂隙發育，常夾有棕紅色黏土。

(3)賽諾階碳酸鹽沉積相(Sénoniencarbonaté)。300～550 m以灰白色白云質石灰石與白堊石為主，夾雜有薄層硬石膏。

(4)賽諾階潟湖沉積相(Sénonienlagunaire)。550～700 m為雜色黏土、蒸發鹽巖、白云石互層。其中巖鹽層厚98 m。

(5)土倫階(Turonien)。700～1 100 m為白堊狀灰巖和淺黃色白云石，泥灰巖以及暗灰色白云石。

(6)森諾曼階(Cenomanien)。1 100～1 280 m為黑色暗綠色泥巖、泥灰巖夾雜硬石膏。

(7)阿爾必階(Albien)。1 280～1 650 m為灰白色淺黃色砂巖，膠結差孔隙率高，為該地區最重要的含水層，偶爾夾有薄層棕紅色砂巖。

(8)阿普第階(Aptien)。1 650 m以下棕紅色黏土夾有暗綠色薄層砂巖。

3 井身結構設計

為便于施工井身結構設計為三開：①一開井段。0～300 m，鉆孔直徑660 mm，下入φ473 mm×11.05 mm的API-K55套管，水泥漿固井。②二開井段。300～1 300 m，鉆井直徑445 mm，0～1 300 m下入φ339.7 mm×10.92 mm的API-N80套管，水泥漿固井。③三開井段。1 300～1 650 m，鉆井直徑311 mm，0～1 650 m下入φ245×11.05 mm的API-P110套管1 280 m+固井封隔器+φ219 mm×9 mm不銹鋼體+slot20不銹鋼纏絲濾水管370 m組合。

4 泥漿工藝

泥漿是一種黏土以膠體顆粒形態分散在處理劑溶液中的溶膠—懸浮體系，黏土顆粒與處理劑分子之間的相互作用提供了滿足鉆井要求的各項泥漿性能。在深井鉆探施工中，本著安全與節約的原則，針對不同井段配置了不同體系的泥漿。

4.1 普通細分散淡水泥漿

適用地層0～300 m。泥漿配方為膨潤土泥漿粉(10%)+純堿(1‰～3‰)+CMC-HV(2‰～5‰)+水(1 m3)，密度1.08 t/m3，黏度27 s，pH值9，標準失水量15 mL/30 min。

優點是價格便宜，較低的成本即可獲得較小的失水量；缺點是抗污染能力差。

4.2 飽和鹽水泥漿

適用于300～1 280 m孔段。三開段地層對泥漿性能要求是針對鹽層有抑制其融化作用，抑制石膏地層膨脹，抑制泥巖造漿作用，同時要求泥漿有低失水率，適當的黏度和密度。因該孔段要穿越大段巖鹽地層，故選擇飽和鹽水泥漿體系進行該孔段施工。

眾所周知，鹽水泥漿的配制有2種情況：①先用抗鹽黏土在鹽水中制備分散性泥漿，加入分散劑，再加入適量絮凝劑然后加鹽至飽和；②用前一開次的泥漿浸鹽轉換而成。2種鹽水泥漿制備工藝都采用，300～600 m段用細分散泥漿加鹽轉化，600 m以后用抗鹽黏土制備新漿補加。

抗鹽泥漿粉主要成分為凹凸棒土。膨潤土泥漿粉價格相當于抗鹽泥漿粉的60%左右。

4.2.1 由淡水泥漿轉為鹽水泥漿

泥漿性能的變化與泥漿中含鹽量(NaCl)關系密切。①含鹽量小于1%時，泥漿的失水量、黏度，剪切力變化不大，屬淡水泥漿；②泥漿中含鹽量大于1%時，泥漿的失水量、黏度，剪切力的變化與含鹽量表現為正相關，隨含鹽量的增大而迅速上升，當含鹽量達到臨界值時(由黏土特性而定)時，泥漿黏度、剪切力同步達到最大值；③當含鹽量超過臨界值時，泥漿黏度和剪切力隨含鹽量的增加而下降，表現為負相關，但失水量則繼續增大；④泥漿pH值隨含鹽量的增加呈下降趨勢。

淡水泥漿加NaCl后的性能變化如圖2所示。

圖2 淡水泥漿加NaCl后的性能變化Fig.2 Change of properties of fresh water slurry after adding NaCl

如果簡單地在分散泥漿中加鹽，必然會導致泥漿的絮凝，破壞泥漿性能，進而導致泥漿報廢。其轉換步驟：①對前一開次的泥漿進行處理，使泥漿的密度降到1.05 t/m3左右；②加入分散劑，CMC、褐煤堿液、PAC等；③加NaOH以提高pH值到需要的范圍(8～11)；④加鹽轉為鹽水泥漿，加鹽量控制在200 kg/m3，使其成為高鹽泥漿；⑤檢測鉆井液性能，調整黏度和失水量；⑥再加鹽至飽和。

實際施工中，鹽層以上可用高鹽泥漿鉆進，對石膏地層有較好的抑制性，在鉆至鹽層前需將泥漿含鹽量加至飽和。

4.2.2 用咸水直接配制泥漿

因膨潤土在較高鹽度的鹽水中不容易發生水化反應，而類似于惰性固體，所以失去了增黏降失水的作用。而海泡石或凹凸棒土因其成分特殊，在鹽水環境中分散更好，造漿率較高，雖然價格較高，但其配制的泥漿具有較高的黏度和較低的失水量，故而在飽和鹽水體系中被優先選用。

選用凹凸棒土(MOSTAGHANEN產)，在生產中配制的飽和鹽水泥漿達到14～19 m3/t。配方：5%凹凸棒土+35%鹽+0.6%的Na-CMC-HV+1%的PAC+0.5%的GK-97+0.2%的NaOH+水。

配制方法與步驟：在制漿池中加入清水50 m3，加入鈉鹽15 t使其充分溶解，加入100 kg燒堿，加入2.5 t泥漿粉浸泡24 h。次日充分混合泥漿粉和鹽水，然后加入250 kg的GK-97、500 kg的PAC、300 kg的CMC-HV。再攪拌均勻2 h后檢測pH值并調整到9～11。再加入5 t鈉鹽攪拌，只會溶解部分鈉鹽，至此飽和鹽水泥漿配置完畢，檢測失水量、剪切力、密度是否與設計相符。鉆進過程中隨著泥漿的消耗應加入配好的漿液，不能在循環系統中加水，對于因地層中黏土顆粒的混入而造成黏度上升，應定期啟動離心機除泥。對于泥漿失水量應重點觀察，控制在8 mL以內，在鉆進中可在循環系統中加入PAC和GK-97來調整失水量。剪切力可用飽和鹽水膠液維護。

飽和鹽水施工中一定要保持Cl-含量處于飽和，才能保證井壁質量，控制井徑擴大，為下套管固井創造良好的條件。固相控制是飽和鹽水鉆井液施工的關鍵。鉆井液施工過程中一定要打破傳統觀念，定期使用離心機，清除泥漿中有害固相，保證鉆井液性能穩定。

4.3 加重泥漿

1 280～1 650 m孔段為阿爾必階含水層，其特點是孔隙率大、透水性能好，地層壓力高。鉆進該段主要是壓力平衡鉆進，預計地層壓力2.65 MPa，套管下入1 280 m，平衡泥漿密度1.211 t/m3，實際操作泥漿密度1.3～1.4 t/m3。

該級孔徑311 mm，泥漿泵排量20 L/s，泥漿上返速度300 cm/s，所以對泥漿的主要指標為密度和失水量，其他為次要指標。密度1.3～1.4 t/m3，泥漿標準失水量5 mL以內。漏斗黏度30～80 s，剪切力 4～8 Pa。

飽和鹽水泥漿各項指標均符合該孔段鉆進對泥漿的要求，但成本要比淡水泥漿高一些，出于節約考慮，對三開泥漿(飽和鹽水泥漿)進行密度和失水量2項指標維護就可以滿足施工需要。方法簡單，在循環系統中加入抗鹽降失水聚合物PAC、GK-97即可。泥漿密度的維護，泥漿中加入重晶石粉，以維持泥漿密度在1.35 t/m3。隨著施工會消耗漿液，漿液補充只能加入配好的原液，不能在循環系統中加水處理。下面為對各泥漿性能進行測定的結果(表1)。

表1 泥漿性能測定Tab.1 Determination of slurry properties

此外，該工程下部地段地層溫度預為53 ℃，為降低泥漿處理劑成本可加入1.0%～1.5%的淀粉(該地區淀粉價格和泥漿粉價格差不多)替代部分Na-CMC、CMS、PAC等處理劑，同樣能夠起到增黏降失水的作用。

5 結論

阿爾及利亞瓦爾格拉地區深水井開發過程針對不同的地層配置了不同的泥漿，包括普通細分散淡水泥漿、飽和鹽水泥漿和加重泥漿等，此外還因地制宜用淀粉替代部分泥漿處理劑，都取得了良好效果。