恩施盆地恩熱1井鉆探工藝技術研究及應用

洪 毅， 鄭興華， 張所邦， 譚建國， 雷祝蓉， 葉輝兵， 陳 程， 周鵬飛

(湖北省地質局 第七地質大隊,湖北 宜昌 443000)

中國具有豐富的可開發地熱資源，據估算，淺層地熱資源量可折合7億t標準煤，水熱型地熱資源量可折合12 500億t標準煤，干熱巖遠景資源量可折合856萬億t標準煤[1-2]。目前開發利用的地熱資源以水熱型地熱為主[3]。地熱資源的獲取依賴于地質、物探、鉆探等技術手段的應用，其中鉆探是最為直觀的手段之一[4-7]。隨著一些新型破巖方法等新技術、新工藝[8-11]的提出和使用，進一步提高了地熱井的鉆探質量、效率和成功率。

恩施地處湖北省西南部，所處的恩施盆地具有良好的水熱型地熱資源成礦條件[12]。2019年，恩施州人民政府與湖北省地質局決定在恩施地區合作開展地熱資源專項調查工作，并確定在恩施市龍鳳鎮小龍潭村部署一口地熱井——恩熱1井。該井于2020年9月25日開鉆，2021年1月5日完鉆，經抽水試驗，日涌水量達700 m3，井口出水溫度最高達44.2℃，且含豐富的礦物質成分，達到理療地熱水標準，水溫、水量、水質均滿足商業開發利用。

恩熱1井是恩施州首口大口徑中深層地熱井，其成功實施具有很強的工程示范意義。本文在分析該井技術難點基礎上，總結鉆探工藝技術方法和施工過程，形成針對深層、高溫和硬質地層的高效鉆探技術方案，為區域地熱資源開發中鉆探方案優選和技術攻關提供借鑒。

1 鉆井概況及技術難點

恩熱1井位于恩施市城區，恩施盆地北部的小龍潭一帶。恩施盆地為一近南北向延伸的條帶狀盆地，盆地內海拔高程為430～500 m。盆地內主要出露下奧陶統婁山關組—中三疊統巴東組、上白堊統跑馬崗組和第四系地層。構造線總體呈NNE向展布，發育恩施大斷裂和黃巖路向斜、白果壩背斜、高橋壩向斜、慶陽壩背斜等褶皺。恩熱1井位于恩施大斷裂東側和白果壩背斜北東段，因此該井所處位置具有復雜的地質條件。

恩熱1井設計井深2 000 m，鉆探目的是基本查明工作區地層巖性、構造等地質特征，確定熱儲層、蓋層、導水與控熱構造發育情況，鉆獲有開發價值的地熱水，并對地熱水資源的開發潛力、對周邊地熱井的影響及環境影響進行評價。該井最終終孔深度為2 000.05 m，鉆遇白堊系、志留系、奧陶系和寒武系地層(表1)，其中奧陶系和寒武系地層為該井探索的主要熱儲層。

表1 恩熱1井地層信息Table 1 Stratigraphic information of Enre 1 well

在鉆探過程中經常遇到各種技術問題，主要存在的難點如下：

(1) 對鉆井沖洗液性能要求高。540 m以淺地層主要為中—厚層狀細砂巖、含礫細砂巖，碎屑粒度大小混雜，并為鈣質膠結。790 m以淺含有多層炭質泥巖、炭質頁巖。地層易水化膨脹、縮徑等情況均有發生。

(2) 地層復雜，井壁穩定性差。該井為區域性探采結合井，沒有實物鉆探資料可供比對。同時該井受恩施大斷裂影響，巖體較破碎，井壁穩定性差，出于對熱儲層的保護要求，限制了某些帶有封堵性材料的使用，容易造成坍塌掉塊，極易引發井內事故。

(3) 取心難度大。取心位置為泥頁巖層段，地層容易引起“打滑”，井壁容易水化剝落[13]。加之該地區沒有大口徑取心案例,無經驗方法可供借鑒，造成在某些井段取心較困難。

2 鉆探工藝技術

2.1 主要設備

恩熱1井鉆探作業的主要設備包括DB3500型電動水源鉆機，JJ135/31-K型井架，F-500泥漿泵，630 kVA變壓器，QXZ172-101型和DZ-146型取心鉆具，配備ZS/Z-1型直線振動篩、CSQ-150型和LW450×1 000-N2型離心機等固控設備。

2.2 井身結構設計

該井身結構依據工作區的地質構造特征進行設計。該井在0～100.88 m一開井段穿越強風化帶和淺含水層，下入Φ339.7 mm表層套管。在100.88～935.00 m二開井段穿越炭質泥巖段，有縮徑現象發生，經過測井數據顯示該段溫度不理想，因炭質泥巖容易對水質產生影響，遂在該井段下入Φ244.5 mm技術套管。在935.00～1 861.86 m三開井段，井內發生明顯垮孔掉塊現象，伴隨卡鉆現象的發生，通過測井數據顯示，推測該段為斷層帶，遂于該井段下入Φ177.8 mm花管和實管交叉連接的生產套管。鑒于保障水溫水量和設置沉砂段的要求，在1 861.86～2 000.05 m四開井段采用Φ152.4 mm鉆頭鉆至完井，四開為裸孔。恩熱1井實際井身結構如圖1所示。

圖1 恩熱1井實際井身結構圖Fig.1 Actual well bore structure diagram of Enre 1 well

2.3 取心工藝及鉆進技術參數

2.3.1取心工藝

該井要求階段性取心。二開采用QXZ172-101型取心工藝取心，取心結束后采用Φ311.1 mm鉆頭擴孔。該取心工具利用巖心爪與巖心之間的摩擦力，使得巖心爪收縮包心實現割心，一般適用于中硬—硬地層或成巖性較好的軟地層取心。因為該井為區域性探采結合井，無相應取心經驗供參考，為了規避堅硬地層取心困難問題，本次施工期間同時配備了DZ-146型取心鉆具作預備，該鉆具采用金剛石鉆頭，口徑更小。

2.3.2鉆進施工技術參數

一開鉆具組合：Φ444.5 mm鉆頭+變徑接頭+Φ203 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。一開的重點是防斜，該段井身質量情況很大程度上決定了整口井的井身質量。由于上部巖性為細砂巖夾石英砂巖、礫巖，鉆進速度較快，容易引發井斜問題的發生，因此一開采用塔式鉆具組合防斜，有效規避了井斜問題的發生。同時該井嚴格控制測斜間距，使用施工單位自行改進研發的KXP-3D型連續測斜儀加密單點間距，及時跟蹤井斜并調整鉆進參數，始終將井斜控制在規范要求范圍內。

二開鉆具組合：Φ311.1 mm鉆頭+變徑接頭+Φ203 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。二開井段上部巖性主要為粉砂質頁巖、水云母頁巖、粉砂巖，下部巖性為炭質泥巖夾炭質頁巖、泥質灰巖，易發生縮經問題。該段的重點除了防止井斜外，還要抓好鉆井沖洗液性能控制，防止井壁失穩坍塌、掉塊等，以免引發卡鉆、埋鉆事故。

三開鉆具組合：Φ215.9 mm三牙輪鉆頭+變徑接頭+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿和Φ215.9 mm PDC鉆頭+Φ172 mm螺桿鉆具+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。三開地層上部為灰巖，下部為中—厚層狀結晶白云巖、薄—中層夾厚層狀白云巖，地層較為穩定，是提高鉆進效率的主要階段。該井段采用兩種鉆具組合，依據實際井斜和鉆進效率變化情況及時調整鉆進工藝。

四開鉆具組合：Φ152.4 mm PDC鉆頭+變徑接頭+Φ121 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。該井段主要為沉砂段，采取祼孔鉆進(表2)。

表2 鉆進參數Table 2 Drilling parameters

2.4 鉆頭選擇

井深935.00 m以上井段分別選用Φ444.5 mm LS517G型三牙輪鉆頭、Φ311.1 mm LS517G型三牙輪鉆頭、121/4HAT127型鋼齒鉆頭，配備了Φ216 mm復合片鉆頭和特制Φ152 mm金剛石鉆頭(圖2)用于取心。935.00～2 000.05 m井段選用Φ216 mm LS1663型5刀翼PDC鉆頭和LS537G型三牙輪鉆頭，同時配備了Φ152.4 mm LS1654型5刀翼PDC鉆頭。在鉆頭的選擇上，由于缺乏區域鉆探實物資料的參考，該井在各開次備足備全了各類鉆頭，以減少停等和輔助時間[14-15]。

為了分析選用鉆頭的合理性，對其進行仿真計算[16-17]，得到PDC鉆頭鉆進過程中的巖石Mises應力云圖(圖3)。從圖3可以看出，巖石的最大Mises應力值通常出現在與PDC鉆頭切削齒接觸的單元體上，隨著PDC鉆頭切削深度的增加，巖石中的Mises應力呈現先增大后略有減小的趨勢，說明較大的切削深度有利于提高PDC鉆頭的破巖效率。然而，在實際工程應用中，考慮到地層的非均質性、破巖工具工作條件的波動會對PDC鉆頭產生影響，如果切削深度過大，PDC鉆頭可能會因承受過大的沖擊載荷而損壞，因此在實際應用中應采取一些必要措施控制PDC鉆頭的切削深度。

圖2 取心鉆頭Fig.2 Coring bit

圖3 PDC鉆頭井眼形成過程和巖石Mises應力云圖Fig.3 Formation process of PDC bit borehole andMises stress contour of rock

本文選用8 mm復合齒鉆頭進行仿真分析，齒的前角為20°，齒倒角為45°，倒角半徑為0.5 mm。在模擬過程中，切削深度分別取1.5、2和2.5 mm，圖4顯示了切削過程中PDC鉆頭齒上的接觸壓力分布情況。從圖4可以看出，隨著切削深度的增加，PDC鉆頭齒上的接觸壓力逐漸增加，在接觸邊緣產生較大壓力。這是因為隨著切削深度的增加，切削齒與巖石之間的接觸面積增大，巖石對切削齒阻力也增大。同時，齒上的切削力、摩擦阻力和系統的總能量也逐漸增加。切削過程中，切削力和摩擦阻力應力值波動情況符合脆性材料的基本特性。當切削深度相對較小時，主要產生擠壓破碎的粉末碎片，此時切削力的最大變化不明顯，波動趨勢也不是很明顯。當切削深度增加時，大多數切削過程會產生大顆粒塊狀斷屑，此時隨著大顆粒切屑的產生，切削力將大幅波動，同時巖石材料的不均勻性也使切割過程變得不穩定。

2.5 鉆井沖洗液技術

一開施工難點為該井段地層膠結性差，巖質疏松；含流砂層、礫石層井壁不穩定，易坍塌掉塊，滲透率高易漏失，鉆井沖洗液消耗量大，因此采用不分散體系。二開、三開、四開施工難點為該井段泥頁巖造漿縮徑、斷裂帶坍塌和掉塊問題，因此采用聚合物防塌體系。鉆井沖洗液配方及性能如表3、表4所示。

圖4 不同切削深度時PDC鉆頭齒上壓力分布Fig.4 Pressure distribution on PDC bit teeth at different cutting depths

表3 鉆井沖洗液配方Table 3 Drilling fluid formulation

表4 鉆井沖洗液性能Table 4 Drilling fluid performance

在鉆進過程中，鉆井沖洗液施工堅持做好以下幾項重點工作：

(1) 鉆進過程中，加強固控設備的管理及使用，保證三級固控設備性能穩定，從設備上控制鉆井沖洗液性能。

(2) 嚴格堅持2 h/次的鉆井沖洗液性能監測，及時掌握鉆井沖洗液性能變化，注意及時添加處理劑，調整鉆井沖洗液性能。

(3) 泥漿鉆進過程中，保持鉆井沖洗液低失水、低摩阻、抑制能力強，以及良好的流變性；嚴格控制鉆井沖洗液密度，保證安全快速鉆進。

(4) 多與地質技術人員溝通，及時、全面收集地層巖性和特點，提前預測下部地層情況，以便提前調整鉆井沖洗液性能。

3 應用效果

恩熱1井共施工102 d，完鉆井深2 000.05 m，鉆進時效為1.74 m/h。鉆探施工達到了設計目的和要求，最終施工效果如下：

(1) 井身結構。恩熱1井按探采結合井設計，井身為四開結構，一開孔徑Φ444.5 mm，孔深100.88 m；二開孔徑Φ311.1 mm，孔深935.00 m；三開孔徑215.9 mm，孔深1 861.86 m；四開孔徑Φ152.4 mm，孔深2 000.05 m。各井段按設計施工，滿足取樣、測井、完井和未來開采要求。

(2) 鉆井沖洗液體系。有效抑制了泥頁巖段的分散坍塌，控制住了540 m以淺易水化分散地層，保證了巖屑樣錄取。巖屑采樣及時，標識醒目；巖性描述仔細，地層層位判斷準確；樣品采集足量，保管妥當(圖5)。

圖5 鉆井沖洗液體系在復雜地層的運用成果Fig.5 Application of drilling fluid system in complex formation

(3) 孔深與孔斜。根據項目設計要求，每鉆進100 m提鉆校正一次孔深，鉆進深度符合設計要求。即對井斜進行測量檢查，終孔后通過專業測井測得全孔平均井斜1.68°，成井井身質量符合《地熱鉆探技術規程》(DZ/T 0260—2014)[18]和《水文水井地質鉆探規程》(DZ/T 0148—2014)[19]等規定。

(4) 抽水試驗。成井后開展了3次降深的穩定流抽水試驗，最大降深460 m，最高水量700 m3/d，水溫>42℃，結果表明單井出水量滿足設計預期，符合規范要求，預期能取得良好的社會效益和經濟效益。

4 結論

(1) 恩熱1井主要存在鉆井沖洗液性能要求高、取心難度大、井壁穩定性差等技術難點，施工過程中結合地熱井井段的地質特點，選擇合適的鉆井沖洗液體系，開展高頻次的鉆井沖洗液性能測試，及時調整鉆井沖洗液性能；選擇合適的取心鉆頭，配備充足的各類鉆頭，提高巖性采取率和鉆進效率；合理設計井身結構，選用合適的鉆井設備，提高鉆探效率和成井質量。

(2) 考慮到地層的非均質性、破巖工具工作條件的波動會對PDC鉆頭產生影響，對PDC鉆頭破巖過程進行仿真計算，結果表明選擇牙齒切深為2 mm時，可有效減少鉆頭切削力的波動，延長鉆頭使用壽命。

(3) 恩熱1井為恩施州首口大口徑中深層地熱井，井身結構、完鉆井孔深、井身質量及抽水試驗等技術指標均滿足工程設計和規范要求，且單井出水量超過設計預期，最終成功探獲水溫>42℃的地熱水，具有很強的工程示范意義，其鉆探工藝對該區域地熱鉆井施工具有指導和借鑒意義。