范家屯鎮(zhèn)地熱資源ZK-1地熱井鉆探施工技術

楊振雷

(吉林省水文地質調查所，長春 130103)

0 引言

本地熱井位于吉林省公主嶺市范家屯鎮(zhèn)東南，鉆井性質為探采結合井，通過對該地熱井鉆探的設備選型，人員及材料投入，進度安排，技術措施及鉆井和成井工藝方法的論述，為今后在該區(qū)域內開展地熱井鉆探施工掌握一手資料。

1 勘查區(qū)地質條件與成礦背景

1.1 地質概況

根據勘查區(qū)已掌握的資料，地層主要為中生界碎屑巖和新生界玄武巖，松散堆積層。古生界志留系下統(tǒng)桃山組，主要巖性為片理化安山巖、片理化凝灰?guī)r、變質砂巖構成了本區(qū)基底。中生界白堊系下統(tǒng)泉頭組共劃分四段，巖性為泥巖、砂巖、砂礫巖，與下伏地層呈不整合接觸。中生界白堊系下統(tǒng)青山口組，主要以灰綠色粉砂質泥巖、泥巖為主。姚家組以暗紫色、棕紅色泥巖為主。第四系中更新統(tǒng)沖、洪積層，主要巖性黃土狀亞黏土所組成底部廣泛分布中粗砂。第四系全新統(tǒng)新凱河條帶狀河谷平原，上部為部分沖積亞砂土，下部為中粗砂、中部分布不連續(xù)的淤泥質亞黏土層。從物探可控源大地電磁測深電阻率反演層面上看，總的構造形態(tài)為東南高西北低的單斜構造形態(tài)。斜坡內局部斷層發(fā)育，其走向多為北西向。該地熱井位于斷層控制的斷層-巖性圈閉內。

1.2 地熱成礦背景

本區(qū)位于長白山隆起帶與松遼平原交匯帶上，這個地帶存在一條北東走向的松遼東緣斷裂帶，該斷裂帶形成于侏羅紀以前，深達上地幔中、新生代仍有強烈繼承性活動，白堊系地層中見有褶皺及斷裂變動，晚近期不斷有火山活動，直至現(xiàn)代仍有較頻繁的地震活動，該斷裂帶為巖石圈斷裂帶，斷裂切割深度大，斷裂溝通于上地幔，使地殼內部的余熱沿斷裂帶向上傳導，構成了熱源通道。

2 設計方案、技術措施及施工工藝方法

2.1 施工人員組織、設備及主要材料投入

2.1.1 施工人員組織

根據我單位現(xiàn)有的地熱鉆井設備和以往的工作經驗，及所掌握的該地區(qū)的地層特點，為順利完成該項目的全部工作，我單位組織一個機臺，共投入人員31名。

2.1.2 施工設備

(1)鉆機采用張家口探礦機械總廠生產的RPS-3200型地熱鉆機一臺套。通過以往工作實踐證明，該鉆機功率大，兩臺動力并車匹配合理、安全可靠；氣動控制，操作靈活方便，自動化程度高；卷揚機采用氣胎離合器提升，雙抱閘剎車，加用水剎車后降低卷筒和剎帶的磨損。

(2)鉆塔采用張家口探礦機械總廠生產的AG31型A型鉆塔。該鉆塔為成熟產品，塔高31 m，移擺立根長度17.5 m，天車輪6個，天車承載能力1350 kN。

(3)泥漿泵采用山東青州石油機械廠生產的QZ3NB-1300型泥漿泵。該泵為臥式三缸單作用往復式活塞泵，具有結構成熟、使用可靠、互換性好、易于維護保養(yǎng)等優(yōu)點。

(4)鉆具配備φ127 mm鉆桿2000 m，φ203 mm鉆鋌40 m，φ178 mm鉆鋌60 m，φ159 mm鉆鋌80 m，與鉆頭構成塔式鉆具組合。

2.2 井身結構設計

一開采用φ339.7 mm PDC金剛石鉆頭鉆至400 m，下φ273 mm×8.9 mm表層套管；二開采用φ244.5 mm PDC金剛石鉆頭鉆至1850 m左右終孔(基巖地層采用三牙輪球齒鉆頭鉆進)，下φ177.8 mm×8.9 mm技術套管及濾水管，井身結構示意圖見圖1。

圖1 井身結構示意圖

2.3 成孔方案及工藝方法

2.3.1 工藝流程

開鉆前準備→技術、安全交底→安全驗收→一開鉆井→測井→下表層套管→一次固井→候凝→二開鉆井→測井→下二開技術套管及濾水管→二次分段固井→候凝→洗井→抽水試驗→拆塔退場。

2.3.2 鉆井方法與鉆具組合

PDC金剛石鉆頭配合牙輪鉆頭正循環(huán)全面回轉鉆進。一開鉆具組合：φ339.7 mm PDC鉆頭+φ203 mm鉆鋌2根+φ178 mm鉆鋌4根+φ159 mm鉆鋌4根+φ127 mm鉆桿+方鉆桿。二開鉆具組合：φ244.5 mm PDC鉆頭+φ203 mm鉆鋌4根+φ178 mm鉆鋌6根+φ159 mm鉆鋌8根+φ127 mm鉆桿+方鉆桿。根據地質設計1786 m以下為花崗巖，鉆進時視地層實際情況花崗巖地層用牙輪球齒鉆頭。

2.3.3 鉆井參數

轉速40～80 r/min，鉆壓20～80 kN，泵量600～1200 L/min，泵壓3～10 MPa。

2.3.4 沖洗液

主要成份為鈉土粉+處理劑(堿、聚丙烯酰胺、防塌降漏失劑及水解聚丙烯腈銨鹽)，具體配方見表1。具體泥漿性能參數控制在以下范圍內：黏度20～25 s ，密度1.05～1.10 g/cm3，固相含量小于4%，濾失量小于8 mL/30 min，pH7～9。同時控制沖洗液調配方法及維護措施，在第四系地層鉆進使用低固相化學泥漿，需注意泥漿含砂量不宜過高?？刂颇酀{濾失量，增強其護壁性，防止黏附吸卡鉆具。二開按配方提示比例加入各種處理劑，保持低密度低固相，增強護壁性、防滲漏、防塌。嚴格控制固相含量，提高沖洗液的懸浮、攜帶巖屑能力，維護沖洗液性能在設計范圍內，及時依據實鉆地層壓力調整鉆井液密度。

表1 沖洗液配方

2.3.5 簡易水文觀測及巖屑錄井

鉆進過程中進行簡易水文地質觀測，主要有以下幾項：①測量鉆進過程中孔內水位的變化。②測量鉆孔中沖洗液的消耗量。③進行水文及其他相關觀測，本地熱井巖屑錄井自二開～800 m，每5 m取樣一次，800～1850 m，每2 m取樣一次，見熱儲顯示加密為1 m一次，巖屑樣品每包巖屑數量不少于500 g，供現(xiàn)場檢驗及挑樣用。巖屑必須為自然風干或低溫(小于80℃)烘干，保存樣用布袋或牛皮紙包裝?，F(xiàn)場及時定名和描述，并繪制錄井草圖，初步建立巖性剖面，并完成初步的地層對比工作。

2.4 成井方案及工藝方法

2.4.1 測井

一開、二開、完鉆固井后分別進行綜合測井，同時測井深、井斜、含水層位置及水溫的變化情況，通過物探測井資料劃分地層巖性厚度和含水層情況以及固井是否達到設計要求。

2.4.2 換漿及破壁

井孔完成后將鉆具下入孔底進行換漿，視地層情況適時采取二開破壁。下井管前孔內泥漿黏度不得大于20 s，密度不得大于1.10 g/cm3。

2.4.3 下技術套管及濾水管

0～400 m下φ273 mm×8.9 mm表層套管(材質J55)，400～1850 m下φ177.8 mm×8.9 mm技術套管(材質J55)與280 m濾水管φ177.8 mm×8.9 mm(材質J55)。濾水管采用鋼級J55壁厚8.9 mm 鋼管打圓孔加工而成，孔徑16 mm，孔隙率8%～10%。一開、二開套管重疊50 m。一開采用孔口提吊下管法，二開采用鉆桿送入下管法。

一開采用水泥漿全井固井，二開視測井情況分段固井。固井使用高標號固井水泥，水泥漿密度1.80～1.85 g/cm3，水灰比控制在0.5～0.6，并加入適當的水泥添加劑以改善水泥漿性能。

固井前替漿，管口密封逆止，采用固井車固井，固井后要檢查固井質量。完井后先下入φ89 mm鉆桿到孔底進行大泵量清水沖孔，之后視地層情況適時采取加活塞的洗井方法，必要時采用空壓機洗井及化學方法洗井，洗井效果達到水清砂凈。洗井完畢后，按設計要求進行三個落程抽水試驗，最大落程接近或大于設計要求出水量，穩(wěn)定持續(xù)時間為12 h以上，用以確定流量與水位的關系。

3 施工技術措施

每開段打完后劃眼圓孔，確?？妆诠饣?。φ203 mm、φ178 mm、φ159 mm鉆鋌和φ127 mm鉆桿組成塔式鉆具，減壓鉆進，鉆鋌配重大于15 t，鉆進壓力控制在20～80 kN，確保井孔的垂直度。

開孔輕壓鉆進，控制進尺，均勻加壓送鉆。

嚴格控制沖洗液性能，加強管理和維護，嚴格控制濾失量、含砂量，搞好泥漿凈化工作。本區(qū)根據物探資料解釋，斷裂較發(fā)育，泉頭組下部氣層可沿斷層向上運移斷裂發(fā)育部位形成氣藏，在鉆井過程中做好氣層預防工作。采用大密度泥漿壓噴護壁，配備重晶石粉，設置足夠容量的泥漿罐，鉆進過程中及時清除罐內巖屑和沉淀物，同時要安裝防噴器。

下管前做好以下準備工作：校正孔深，沖孔換漿，探孔，檢查，丈量井管，確?？咨钆c管長位置相吻合；做好井管強度校核及井管重量和鉆塔拉力計算。下置井管時，井管必須直立于井口中心，上端口保持水平，下管過程中要穩(wěn)拉慢放，嚴禁急剎車，下管遇阻不得猛墩。

4 結語

本地熱井于2016年8月16日施工完成，歷時46天，井深1850 m、日出水量為240 m3、水溫42℃，圓滿完成此次鉆探任務。在公主嶺范家屯地區(qū)掌握了第一手鉆探地質資料，同時也取得了良好的經濟效益。

參考文獻：

[1] 全國國土資源標準化技術委員會. 地熱資源勘查規(guī)范:GB/T 11615-2010[S].北京: 中國標準出版社,2011:1.

[2] 吳尊東. 淺談鉆探技術在地熱井中的應用[J]. 地球, 2016(1).