雄安新區中深層地熱井鉆完井難點分析及對策探討

馬鵬鵬

（1.中石化新星（北京）新能源研究院有限公司，北京 100083；2.國家地熱能源開發利用研究及應用技術推廣中心，北京 100083）

雄安新區地質構造上位于渤海灣盆地的冀中坳陷內，主要構造單元有徐水凹陷、容城凸起、牛駝鎮凸起、霸縣凹陷、保定凹陷、高陽低凸起，大部分被牛駝鎮地熱田、容城地熱田、高陽地熱田覆蓋。其中，碳酸鹽巖熱儲地熱資源十分豐富，位于地下1 000～4 000 m 深度范圍內，千米深處的溫度在60 ℃以上，主要為中上元古界薊縣系裂隙巖溶熱儲，總厚度可達數千米，形成了罕見的大型巖溶熱儲，主要分布于容城縣東部，雄縣西部、北部及安新縣中東部地區，呈北東向連續分布，巖溶裂隙發育，連通性好，尾水可以全部回灌到地下，實現循環利用[1-6]。但是，雄安新區范圍內構造單元復雜，基巖頂界埋深變化大，勘探資料較少，已有的一百多口地熱井多集中分布在縣城內[7-10]，在缺乏準確勘探資料的情況下，對地熱井的設計、施工和產能預測造成了較高的難度。近幾年實施的地熱井多部署于雄安新區內的地熱勘探空白區，鉆井施工復雜與事故率較高，對于大規模開發利用地熱資源有不利影響。通過分析近五年實施的地熱井所碰到的井下復雜問題，借鑒其他區域處理井下復雜問題的技術[11-21]，根據雄安新區巖溶熱儲的地層特點，系統分析了雄安新區地熱井鉆完井施工面臨的難點和風險點，對前期施工經驗、主要技術的應用效果以及最新的研究成果進行了總結分析[22-28]，對該區域下一步鉆井工程安全施工和技術攻關具有借鑒意義。

1 薊縣系頂部風化殼漏失嚴重卡層困難

1.1 風化殼漏失風險及案例分析

雄安新區范圍內第四系黏土、砂質黏土和明化鎮組膠結不完全的砂泥巖較松散易垮塌，薊縣系霧迷山組頂部風化殼段地層破碎、巖性松散，成分復雜，極易發生失返性漏失，導致井筒內壓力迅速下降，上部未封固的明化鎮松散地層失去支撐而坍塌，導致下漏上塌的鉆井復雜情況，是該區域鉆井工程風險控制的重點和難點。由于區域研究程度較低，地質資料精度不高，風化殼頂面埋深預測精度不夠高，卡層困難，使得部分井二開鉆遇漏失層后引發上部地層失穩導致卡鉆，甚至井眼報廢。如RD3 井設計井深2 250 m，2018 年7 月23 日開鉆，8 月19 日二開鉆進至955.12 m 時發生失返性漏失，出現“下漏上塌”情況，劃眼堵漏后二開套管僅能下至930 m，后又面臨清理100 多m 沉沙、補下Ф206 mm 技術套管封隔破碎層、多次卡鉆等井下復雜情況，至10 月31 日因繼續處理難度較大、成本較高不得不放棄該井，因井漏復雜處理共歷時71 d，造成了較大的經濟損失。

1.2 針對風化殼漏失的防塌井身結構優化設計方案

常規地熱井一般設計為三開結構，一開采用Ф444.5 mm 鉆頭鉆完泵室段深度即可，下入Ф339.7 mm表層套管；二開采用Ф311.1 mm 鉆頭鉆至完整基巖，揭開熱儲層，下入Ф244.5 mm 技術套管；三開采用Ф215.9 mm 鉆頭鉆至設計井深，下入Φ177.8 mm 花管完井（圖1（a））。為了解決薊縣系頂部風化殼漏失引起的鉆井復雜問題，提出了三種井身結構設計優化方案，如圖1 所示。

圖1 井身結構優化設計方案示意圖Fig.1 Diagram of optimization design schematic for well structure

方案一：設計為三開井身結構（圖1（b）），鉆頭和套管程序不變，區別在于為了避免二開底部揭開目的熱儲層風化殼時發生嚴重漏失，形成“上塌下漏”的復雜情況，根據巖石力學分析結果計算井壁坍塌壓力，計算出必封點，一開鉆至必封點下入套管固井，二開用技術套管封隔風化殼破碎地層，三開為目的層段。潘德元等[26]據此思路計算出區域一開井深設計最少應為550 m。該方案能夠解決風化殼發生惡性漏失時上部井壁失穩坍塌的問題，但是對于后續二開固井等復雜問題無法解決。

方案二：設計為三開井身結構（圖1（c）），區別在于二開鉆至薊縣系上覆的松散破碎地層頂部固井，二開技術套管由上至下調整為Ф244.5 mm×n根+Ф273 mm×1 根，三開鉆穿松散破碎地層后用膨脹管封隔不穩定地層，膨脹管和二開底部的Ф273 mm 套管重疊，保證封固效果，之后繼續用Ф215.9 mm 鉆頭鉆進三開井段。DW1 井按照此思路設計了井身結構，實際鉆進時卡層較準確，未使用所準備的膨脹管即順利完井。

方案三：設計為四開井身結構（圖1（d）），鉆頭和套管程序不變，二開鉆至薊縣系上覆的松散破碎地層頂部固井，專門使用Φ177.8 mm 三開技術套管封隔松散破碎地層，四開采用Φ149.2 mm 鉆頭鉆至設計井深裸眼完井或者下入Φ114.3 mm 尾管，如樊臘生等[27]在D03 井的施工中即采用了四開井身結構設計程序。

另外，考慮到增大井徑對后期開發有利，潘德元等[26]提出了一種井身結構設計優化方案，即一開Ф444.5 mm 鉆頭（Ф339.7 mm 套管泵室段）+二 開Ф311.2 mm 鉆頭（Ф273.1 mm 套管）+三 開Ф241.3 mm鉆頭（Ф193.7 mm 套管）+四開Ф165.1 mm 鉆頭終孔。

2 碳酸鹽巖井段持續漏失鉆井井下風險大

2.1 碳酸鹽巖井段頂漏鉆進施工不利因素及案例分析

雄安新區薊縣系和長城系碳酸鹽巖熱儲層地層溶洞、裂縫發育，溶蝕孔洞直徑一般在0.2～10.0 cm，部分井鉆井過程中出現鉆具放空現象。對研究區域內24 口井裂縫解釋成果統計表明，裂縫發育儲層段約占總地層的20%，裂縫線密度一般為0.17～0.70 條/m，以高角度構造裂縫為主，傾角大于60°的裂縫占80%以上。地層承壓能力低，井漏極為普遍，根據統計數據，90%以上的井發生井漏，其中，60%以上為失返性漏失。熱儲層厚度大，鉆井施工井段長（根據統計數據，巖溶熱儲層中鉆進井段長度為500～2 000 m），上部地層漏失嚴重，且持續存在漏失現象，井壁穩定性差，井下鉆遇情況復雜，對下部井段施工造成較大的風險。如某片區D-2 井，設計井深1 638 m，于2020 年12 月30 日開鉆，2021 年1 月24 日鉆至937 m進入本井目的層霧迷山組時，遇地層破碎嚴重、裂隙破碎帶極為發育，造成鉆井液瞬間大漏失返。在地層漏失期間先后進行16 次堵漏作業，累計投入103 t復合堵漏、環保膨脹堵漏、護壁堵漏等堵漏材料用于穩固地層，但未見明顯效果。

碳酸鹽巖井段發生井漏后，常規鉆井工藝多采用清水頂漏鉆進，在井漏失返的情況下用清水鉆進能夠節省泥漿材料，依靠大排量將巖屑帶入地層，適用于大部分儲層溶洞、裂縫發育較好的地熱田。但其缺點也較為明顯：一是頂漏鉆進的巖屑會隨著漏失而進入熱儲層中，對熱儲層造成一定的影響；二是鉆進產生的較大塊巖屑無法隨清水進入到裂隙中，會導致井底積累的大塊巖屑隨鉆進逐漸增多，造成重復破碎，影響鉆進效率，甚至可能出現沉沙卡鉆等復雜情況；三是清水鉆進攜巖效果較差，巖屑極易堆積沉底，井底清潔程度不夠，導致取芯操作困難、取芯收獲率較低、并造成了較大的施工安全隱患。如DW1 井共取芯三次，第一次取芯井段2 577.00～2 583.00 m，進尺6.00 m，芯長1.10 m，收獲率18.33%；第二次取芯井段2 873.89～2 882.09 m，進尺8.20 m，芯長1.15 m，收獲率14.02%；第三次取芯井段3 326.30～3 333.31 m，進尺7.01 m，芯長1.00 m，收獲率14.27%。而D03 井霧迷山組取芯鉆進41.05 m，平均巖芯采取率38.0%，平均機械鉆速0.23 m/h，平均回次長度2.41 m。區域破碎地層取芯鉆進的效率和巖芯采取率不高，有待進一步研究和完善。

2.2 基于層次分析法的欠平衡鉆井工藝優選

目前，地熱井在碳酸鹽巖井段發生漏失后主要采用清水頂漏鉆進的工藝進行作業。但是鑒于頂漏鉆進存在的一系列問題，許多學者開展了多種新型的欠平衡鉆井工藝的研究工作，并取得了一定的進展，主要包括清水充空氣正循環鉆井工藝、氣舉反循環鉆井工藝以及氣舉正循環鉆井工藝，其原理示意圖如圖2 所示。

圖2 三種欠平衡鉆井工藝示意圖Fig.2 Diagram of three types of underbalanced drilling process

1）清水充氣正循環鉆井工藝原理及應用。清水充氣正循環鉆井工藝（圖2（a））是在地面使用高壓空壓機將壓縮空氣通過文丘里管混氣室與泥漿泵泵送的清水充分混合后，通過常規鉆井設備建立循環體系，壓縮空氣和清水通過鉆桿輸送到井底，在環空上返的過程中，壓縮空氣在清水中膨脹后會降低鉆井液當量密度形成井底負壓。該技術由于空氣在清水中很容易滑脫積聚，建立循環難度較高，如接單根時間過長，環空內鉆井液中的空氣向上滑脫，形成段塞狀流體，造成鉆井液噴出。例如，容東區塊地層承壓能力低（0.80～0.99），采用清水鉆井時地層亦發生漏失，無法建立正常循環。容東熱5-1 井在鉆進過程中即采用了該工藝嘗試解決失返性漏失下的安全鉆進問題，充氣鉆井實施井段為984～1 680 m。在地層垮塌嚴重井段采用稠漿劃眼與充氣循環攜砂相配合的工藝成功劃過漏層。在充分清洗井筒后下入套管封隔霧迷山組漏層，在一定程度上解決了容東熱5-1 井霧迷山組鉆井液惡性漏失難題。

2）氣舉反循環鉆井工藝原理及應用。氣舉反循環鉆井（圖2（b））上部為雙壁鉆桿，通過混氣閥接頭與下部常規鉆桿相連，使用空壓機將壓縮空氣通過雙壁鉆桿環狀空間送至雙壁鉆桿底部的混氣閥，氣體進入雙壁鉆桿內管內，壓縮空氣在鉆桿內與鉆井液混合形成氣泡后，氣泡膨脹形成動能，推動鉆井液上升，形成循環。該技術需要控制鉆速鉆進，鉆速過快極易堵塞鉆具，且接單根時，需要先將鉆桿內環空的巖屑循環干凈方可卸扣接單根，影響效率。例如，雄安新區D19 井為應對熱儲層鉆進嚴重漏失的問題，選用了氣舉反循環鉆進工藝。正常鉆進時，機械鉆速為1.5～2.0 m/h，相比于常規未漏失的地熱井正循環鉆進效率提高25%～30%，有效解決了漏失問題，達到了保護熱儲層的目的。但是該井鉆進至3 226 m時遇斷層帶，進尺很快，鉆進約1 m 后即出現堵塞現象，不能恢復循環時需要起鉆清理鉆具內堵塞物，起鉆清理鉆具后再次下放鉆具井底巖屑沉積較多，且經常出現堵塞現象，嚴重影響正常鉆進，鉆進效率很低。而DW1 井在采用氣舉反循環鉆進時多次堵塞鉆具，無法順利鉆進，放棄應用該技術。

3）雙壁鉆桿氣舉正循環鉆井工藝原理及應用。氣舉正循環鉆井（圖2（c））管串上部為雙壁鉆桿，通過混氣閥接頭與下部常規鉆桿相連，使用空壓機將壓縮空氣通過雙壁鉆桿環狀空間送至雙壁鉆桿底部的混氣閥，氣體進入雙壁鉆桿和套管之間的環形空間內，壓縮空氣在環空內與鉆井液混合形成氣泡后，氣泡膨脹形成動能，推動鉆井液上升，形成循環。該技術的研發解決了易漏地層的井漏問題，能夠形成正常的循環，對于易漏地層取芯、井眼軌跡控制和儲層保護均提供了有效的解決途徑。該技術在京津冀地區的某地熱井開展了現場試驗，試驗井三開采用PDC 鉆頭，井眼直徑為215.9 mm，在常規鉆井工藝定向鉆進至2 271 m 的白云巖地層時發生失返性漏失，清水強鉆至2 483 m，起下鉆時發現井下沉砂有近100 m 深，多次堵漏均未起到明顯效果，而且MWD無線隨鉆儀器沒有信號，采用該工藝試驗在不堵漏的情況下進行鉆進，進尺超過100 m，鉆進過程中漏失量逐漸減小，最低為0.3 m3/h，成功鉆穿漏失層。同時，容東片區RD3 井開展了該技術的先導性試驗應用，進一步驗證了技術原理的可行性。

4）基于層次分析法的欠平衡鉆井工藝優選評價。基于頂漏鉆進和三種欠平衡鉆進工藝的基本原理，通過關鍵技術分析研究和現場試驗驗證后，對比分析了每種工藝的優缺點，結果見表1。

表1 不同鉆井工藝技術特點對比分析Table 1 Comparative analysis of different drilling technology characteristics

鑒于幾種鉆井工藝各有優缺點，但是缺乏綜合分析的單值評價方法，不利于現場作業時進行選擇，因此，針對三種可以解決漏失問題的欠平衡鉆井工藝，提煉出機械鉆速、井壁穩定、施工成本和操作難度等關鍵指標，運用層次分析法建立了鉆井工藝優選的綜合評價模型，見表2。在區域地熱井施工時，項目決策者可根據不同地層特點、成本控制、周期要求和隊伍能力等條件，通過該模型計算優選最適用的鉆井工藝技術。

表2 不同欠平衡鉆井工藝評價的層次結構模型Table 2 Hierarchical structure model of different underbalanced drilling process evaluation

以雄安新區RD3 井為例，運用該層次分析模型評價該井在三開漏失時所應優選的鉆井工藝方法。通過參數分解和層層對比獲得了欠平衡鉆井工藝綜合評價的單值參數，具體實現過程如下所述。

1）結合本文建立的層次分析模型構建判斷矩陣，采取對評價指標進行兩兩比較的方法建立比較矩陣，并依據1～9 標度方法對指標進行賦值，應用方根法求解各指標的權重，判斷矩陣歸一化及各指標權重值，結果見表3；對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗結果見表4，CR值小于0.1，判斷矩陣的一致性可以接受。

表3 判斷矩陣歸一化及各指標權重值Table 3 Judgment matrix normalization and weight value of each index

表4 一致性檢驗計算結果Table 4 Calculation results of consistency test

2）為了比較不同鉆井工藝在機械鉆速、井壁穩定、施工成本和操作難度等方面的優劣，根據每種鉆井工藝的特點，對每種工藝在不同評價指標方面進行打分比較，構造了不同評價指標的判斷矩陣并進行歸一化處理，處理結果見表5～表8，得到不同工藝在同一指標參數下的權重，并進行一致性檢驗，判斷矩陣均滿足一致性要求。

表5 不同工藝機械鉆速指標判斷矩陣歸一化結果Table 5 Normalization results of judgment matrix of mechanical drilling speed index in different processes

表6 不同工藝井壁穩定指標判斷矩陣歸一化結果Table 6 Normalization results of judgment matrix of different process wellbore stability index

表7 不同工藝施工成本指標判斷矩陣歸一化結果Table 7 Normalization results of judgment matrix of different process construction cost index

表8 不同工藝操作難度指標判斷矩陣歸一化結果Table 8 Normalization results of judgment matrix of different process operation difficulty index

3）將上述兩步驟計算得到的不同指標權重和不同方案在不同指標下的權重進行匯總，并根據權重值計算三種欠平衡鉆井工藝的綜合權重得分，結果見表9。由表9 可知，清水充氣正循環得分為0.337 187，氣舉反循環得分為0.302 277，氣舉正循環得分為0.360 547。根據計算結果，綜合得分最高者為最佳方案，則本井的最佳鉆井工藝為氣舉正循環鉆井，評價結果與項目決策者做出的決定一致。

表9 不同方案的指標權重值Table 9 Index weight value of different schemes

2.3 井漏情況下的取芯鉆具優選

為了提高取芯收獲率，根據DW1 井和RD1 井的取芯情況，及時分析原因，優選巖芯爪，調整取芯鉆具組合，將取芯收獲率由DW1 井的14%提高到了RD1 井的99%。圖3 和圖4 為優化前后使用的巖芯爪。設計取芯鉆具組合為：Φ215 mm 取芯鉆頭+Φ178 mm取芯筒+取芯筒上接頭+加壓接頭+Φ159 mm 鉆鋌+Φ127 mm 加重鉆桿+Φ127 mm 鉆桿。

圖3 DW1 井巖芯爪Fig.3 Core claw of DW1 well

圖4 RD1 井巖芯爪Fig.4 Core claw of RD1 well

3 地層造斜能力強易井斜超標

3.1 井斜超標原因及案例分析

雄安新區地質構造復雜，地層傾角較大（根據DW1 井地層傾角測量結果，霧迷山組地層構造傾角為10°～50°），層理發育，地層巖石具有明顯的各向異性性質。在鉆井中，地層傾角、地層變化、鉆具組合和鉆井參數不合理等均會導致井斜，在地層傾角較大的地層中更容易導致井斜。此外，地熱井在熱儲層段鉆進時多采用欠平衡鉆井工藝，這一工藝形成的井底負壓差會放大傾斜各向異性地層中井底上傾和下傾兩側巖石應力的不對稱性，增加地層的造斜能力，導致井斜加劇，而且井底負壓差對地層造斜能力的影響會隨著地層傾角的增加而增大。若井漏為失返性漏失，常規鉆井工藝隨鉆測量信號無法獲取，不具備隨鉆監測與定向調整手段，導致井眼軌跡控制難度大。雄安新區的地熱井在施工過程中已經有多口井因井斜超標而采取糾斜措施，或者采用輕壓吊打的方式防斜，極大地限制了鉆井速度的提高。如D03 井鉆至井深2 160.66 m 時，中途測井表明最大井斜角8.2°（井底），在井深1 980 m、2 070 m 處井斜角明顯增大，針對井斜增大的情況，不得不采取低鉆壓（30 kN）鉆進控制井斜。DW1 井鉆至井深2 588 m時，井斜升至12.7°，為了控制井斜，采取了定向鉆具糾斜和鐘擺鉆具組合吊打的措施，一直吊打至井深3 190 m 處，多耗時16 d 左右。因此，如何采取有效措施進行井斜控制是直接影響雄安新區中深層地熱井鉆井質量、鉆井效率和鉆井成本的關鍵所在。

3.2 井眼軌跡控制方案建議

井斜給鉆井作業、完井作業帶來了極大的安全隱患，而為了防斜、糾斜而采取的常規措施又會大大降低鉆井效率，因此，井斜應該以預防為主，主要施工建議如下所述。

1）采用塔式鉆具等常規鉆具組合防斜，增加鉆鋌數量，鉆壓控制在鉆鋌總質量的70%以內，井斜偏大時采用鐘擺鉆具組合進行糾斜，同時應加強井眼軌跡監測，一旦井斜有增大趨勢，立即調整鉆井參數或鉆具組合。

2）對地層自然造斜規律進行研究，對于地熱井而言，如果發生失返性漏失，隨鉆測量工具無法應用時，分析和掌握區域地層自然造斜規律可以避免不必要的浪費和井下復雜事故的發生，從而提高鉆速，降低鉆井成本，下一步可以對利用地層造斜規律進行井眼軌跡控制和優化進展開研究。

3）在隨鉆測量工具可用時，進行動力鉆具防斜技術現場應用，有利于防斜，且糾斜能力強，是一種能夠從根本上解決大傾角地層井斜問題的技術手段。

4 地層可鉆性差鉆頭磨損快壽命短

4.1 鉆頭使用壽命統計分析

薊縣系地層可鉆性級值高（4～7）、研磨性強（5～8）、硬度高、可鉆性較差、機械鉆速較低。對區域內該地層鉆進的鉆頭使用情況進行統計分析后發現，單只鉆頭進尺為28～302 m，平均進尺為190 m，平均機械鉆速為6.25 m/h，鉆頭使用壽命短主要是因為外徑磨損需要更換。以DW1 井為例，霧迷山組以白云巖、白云質灰巖為主，PDC 鉆頭極易先期損壞，進尺少。采用清水鉆進攜巖效果較差導致巖屑沉積，井眼清潔程度差，鉆頭外徑嚴重磨損，需要重復劃眼，形成惡性循環，起下鉆頻繁，影響整體鉆井速度和鉆井周期。該井鉆頭使用情況統計見表10。由表10可知，鉆進井段2 121.00～3 500.00 m，共使用215.9 mm鉆頭14 個，總進尺1 379 m，平均單個鉆頭進尺為98.5 m，純鉆時間為469 h，平均機械鉆速為2.92 m/h。

表10 DW1 井三開井段鉆頭使用情況統計表Table 10 Statistical table of bit usage in the third section of DW1 well

4.2 鉆頭優選及應用效果

通過調研分析區域薊縣系地層鉆頭使用情況，建議該地層將常用的HJ517 牙輪鉆頭調整為高級別、保徑能力強的HJ617 牙輪鉆頭，調整后，DW1 井單只鉆頭進尺能夠提高一倍以上。在RD1 井，牙輪鉆頭機械鉆速為4.5～5.2 m/h，經鉆頭優選后試驗混合鉆頭，使用井段1 491～1 600 m，機械鉆速提升為7.7～11.5 m/h，起鉆后軸承完好，PDC 外齒僅稍有崩損，使用過的鉆頭如圖5 所示。

圖5 RD1 井使用的牙輪鉆頭和混合鉆頭Fig.5 Cone bit and composite drill bit used in RD1 well

5 結論

薊縣系頂部風化殼漏失嚴重卡層困難、碳酸鹽巖井段持續漏失鉆井施工風險高、區域地層造斜能力強易井斜超標和地層可鉆性差鉆頭磨損快壽命短是當前雄安新區地熱井施工面臨的主要技術難點，針對這一系列難點，提出了以下解決方案。

1）針對薊縣系頂部風化殼漏失嚴重卡層困難的施工難題，提出了加深一開、膨脹管封隔和調整為四開結構等三種井身結構優化設計方案，均可解決風化殼漏失導致的“上塌下漏”等復雜情況。

2）清水充空氣正循環鉆井工藝、氣舉反循環鉆井工藝以及氣舉正循環鉆井工藝等三種欠平衡鉆井工藝能夠有效控制目前碳酸鹽巖井段持續漏失所造成的施工不利因素。基于層次分析法建立了三種工藝的評價優選模型，通過具體案例論述證明了模型的可靠性，可用于實際施工時優選最適用的工藝技術。

3）通過現場應用效果分析提出的易斜地層井眼軌跡控制方案、取芯鉆具和鉆頭優選方案實證有效，在一定程度上有利于指導現場解決區域地熱井井斜超標、取芯收獲率低和鉆頭壽命短的問題。