论文部分内容阅读
摘要：雄安新区是我国中东部地热资源最丰富、开发利用条件最好的区域，充分利用地热资源，对雄安新区未来的绿色低碳城市建设具有重要意义，雄安新区地热资源丰富，未来可以满足大约1亿平方米建筑面积。本文以大王探采1井为例，主要从井身结构、钻井参数、钻井液技术和固井技术等几方面介绍了雄安新区地热井钻探工艺技术，为雄安新区地热资源开发利用提供技术支撑。
关键词：雄安新区；地热井；井身结构；钻井参数优化
1 地质概况
雄安新区是我国中东部地热资源最丰富、开发利用条件最好的区域，充分利用地热资源，对雄安新区未来的绿色低碳城市建设具有重要意义。它构造上位于渤海湾盆地的冀中坳陷内，所在区域大部分被牛驼镇、容城、高阳3个地热田覆盖。构造总体特征为一系列北东向的断裂构造。主要断裂有NE向大兴断裂、容城断裂、牛东断裂、保定断裂、高阳-博野断裂，NWW向牛南断裂。
雄安新区地表出露地层为第四系地层，第四系以下的岩层包括新近系（明化镇组、馆陶组）、古近系（东营组、沙河街组、孔店组）、中上元古界（蓟县系雾迷山组、杨庄组；长城系高于庄组、大红峪组、团山子组、串岭沟组和常州沟组）、太古界，普遍缺失古生界，不同区域受构造、剥蚀等因素影响，地层发育序列和厚度有所不同，所在区域地层剖面图如图1所示。
图1 雄安新区地层剖面图
中国石化新星石油公司在渤海湾盆地冀中坳陷容城凸起南部部署首口地热勘探井——大王探采1井，为精细刻画热储分布、科学合理开发地热资源提供了依据，为雄安新区开发奠定了坚实的基础。根据雄安新区地层特征，结合周边已钻井资料分析，对大王探采1井钻探工艺技术进行优化研究，指导钻井现场施工，为雄安新区地热资源开发利用提供技术支撑。
2 雄安新区地热井钻探存在的主要风险
根据周边已完钻的地热井资料分析，大王探采1井主要存在以下风险：
（1）蓟县系雾迷山组和长城系高于庄组，易发生失返性漏失，引起井下复杂。区域上多口井出现漏失：城南1井三开雾迷山组钻进过程中1396.00～1404.00m发生井漏泥浆不返出；城南3井从雾迷山组1605～1780m全漏；城南4井在雾迷山组井深955米发生大漏，直到完井井内均无岩屑返出。
（2）地层发生失返性漏失时，易造成上部沉砂卡钻和井壁坍塌，区域上多口井钻井过程出现卡钻事故，被迫填井侧钻或挪井口。
3 井身结构优化设计
雄安新区大王探采1井地层自上而下依次为第四系、新近系、古近系及蓟县系，本井目的层位蓟县系雾迷山组。设计为三开井身结构，井身结构示意图如2所示，各开次要求如下：
一开采用Ф444.5mm钻头钻至井深550m，下Ф339.7mm表层套管至549m，以满足封隔表层松散地层、下入水泵和保护地表水的要求，水泥返至地面；
二开采用Ф311.15mm钻头钻至井深2402m（进入雾迷山组地层不超过2m中完），下Ф244.5mm技术套管至2401m，封固蓟县系以上地层，为三开安全钻进创造条件，技术套管上预留30m水泥塞；
三开采用Ф215.9mm鉆头钻至完钻井深，尾管悬挂，重叠20m，下Φ177.8mm复合管柱：悬挂器+套管（含2套管外封隔器）+盲板+花管至目的层底部，能够满足分层试水的需要。
4 钻井液技术
大王探采1井钻井液设计主要思路是把岩屑从井底携带至地面，清洁井底，稳定井壁，安全钻进等。根据钻遇地层情况设计各开次钻井液主要性能、体系和配方，具体见表1所示。
0-550m地层：钻遇地层主要为第四系和新近系，上部地层为黄砂层，易塌易漏且造浆率低，下部地层为软泥岩，造浆严重。在钻进过程中，上部适当提高钻井液粘度、切力，加入HV-CMC并降低滤失量，防止地层垮塌与井漏发生。下部加入大分子聚合物胶液控制地层造浆，维护钻井液性能稳定，维持足够的粘切，保证良好的携砂、悬浮和稳定井壁的能力，采用预水化膨润土钻井液体系。
550-2402m地层：钻遇地层主要为新近系、古近系。主要岩性由泥岩、砂岩、细砂岩不等互层、砾细砂岩。要求钻井液具有良好的携砂能力和护壁性，防止井壁失稳，采用聚合物钻井液体系。
2402-3500m地层：钻遇地层为蓟县系。主要岩性由白云质砂岩、白云岩、白云质灰岩组成，易漏失，要求钻井液能够保护热储层和携砂能力，采用无固相聚合物钻井液体系。
5 钻井及水力参数优化研究
在地热井钻进过程中及时把岩屑携带出来，是安全快速钻进的重要条件之一。钻井参数及水力参数优化设计，主要是在现有设备条件下，提高钻井的水力参数，达到辅助破岩、净化井眼的目的，以利发挥优选钻井参数钻井提高钻速的作用。
5.1钻井参数优化研究
钻柱在钻井过程中，不论是起下钻、接单根还是划眼正常钻井时，钻柱受到作用力数值较大的力是拉力，所以钻柱设计主要考虑钻柱自身重量拉伸载荷以及遇到卡钻、处理事故时的提伸拉力和扭矩。采用wellplan软件对大王探采1井钻井过程中钻柱受到的最恶劣条件进行分析和优化。
基本分析条件：（1）钻具组合：F215.9mm钻头+F158.8mm无磁钻铤1根+F213mm螺旋稳定器+F158.8mm钻铤1根+F213mm螺旋稳定器+F158.8mm钻铤7根+F127mm加重钻杆30根+F127mm钻杆。（2）钻压：100kN；转速：120r/min。（3）排量：36L/min。（4）钻井液密度：1.05g/cm3。（5）最大扭矩：5000N·m。
根据钻柱疲劳分析计算结果可知，G105的钻柱的强度能够满足提升和下放施工作业要求，分析结果见图3所示。
为了实现优快钻井，提高钻井效率，开展不同转速钻井模拟分析研究，计算结果见图4所示，根据模拟计算结果可知当钻井转速在135rpm、155rpm、192rpm时钻柱产生应力集中，容易发生钻柱故障，从安全优快钻井考虑，钻井转速优化为60～120rpm。 5.2水力参数优化研究
井筒内除去钻屑是钻井作业中的非常重要的部分，任何井眼都应保持有效的清洁，无法有效清除钻屑将导致大量钻进复杂情况，如起钻时超提力太大、转盘扭矩高、转盘扭矩高、卡钻、井眼堵塞、钻速低、循环终止等后果，严重影响着钻井安全，合理的水力参数设计有利于提高钻井安全和钻井速度，影响水力参数的主要因素是排量，因此对排量进行优化设计。
根据大王探采1井的井身结构设计数据、钻具组合和钻头等参数，采用wellplan软件对钻井排量进行优化设计。基本分析条件：钻头位置3500m，钻井液密度1.05g/cm3，钻速5m/h，岩屑直径5mm。
从图5模拟分析结果可知，当排量大于1.70m3/min时，井眼具有自清洁能力，不会形成岩屑床，有利于井下安全和优快钻井，考虑经济性和设备情况，将排量优化为1.70m3/min～2.16 m3/min。
6 现场应用效果
大王探采1井于2018年4月21日完井，完钻井深3500m，完钻层位高于庄组，井身质量合格，全井平均机械钻速5.17m/h，实现了安全优快钻井。2018年3月9日到17日进行了试水。试水水温93.1℃，为区域内温度最高的地热井，水量140m3/h，静液位116米，动液位100米，降深16m，取得了良好鉆探效果。大王探采1井的成功完钻和良好试水效果，为雄安新区后续钻井提供经验，为资源评价和综合开发利用提供科学依据，对雄安新区未来的绿色低碳城市建设具有重要意义。
7 结论与认识
（1）雄安新区岩溶热储采用三开井身结构，能够满足安全高效钻井的需要，顺利实现地质钻探目的，为后续区域内安全钻井提供经验。
（2）钻井液设计不仅能够满足携砂、悬浮和稳定井壁的要求，而且确保地热井安全钻井施工及录取资料的要求。
（3）通过对钻井参数和水力参数优化研究，不仅能够满足钻井各项施工作业的要求，而且有利于井下安全和优快钻井。
（4）雄安新区大王探采1井试水水温93.1℃，水量140m3/h，揭示了区域内良好的地热资源潜力，为资源评价和综合开发利用提供科学依据，对雄安新区未来的绿色低碳城市建设具有重要意义。
作者简介：张海雄，工程师，2009年毕业于西南石油大学石油工程专业，现任地热工程所所长，现从事地热钻完井技术研究和管理工作。
（作者单位：中国石化集团新星石油公司新能源研究院）
关键词：雄安新区；地热井；井身结构；钻井参数优化
1 地质概况
雄安新区是我国中东部地热资源最丰富、开发利用条件最好的区域，充分利用地热资源，对雄安新区未来的绿色低碳城市建设具有重要意义。它构造上位于渤海湾盆地的冀中坳陷内，所在区域大部分被牛驼镇、容城、高阳3个地热田覆盖。构造总体特征为一系列北东向的断裂构造。主要断裂有NE向大兴断裂、容城断裂、牛东断裂、保定断裂、高阳-博野断裂，NWW向牛南断裂。
雄安新区地表出露地层为第四系地层，第四系以下的岩层包括新近系（明化镇组、馆陶组）、古近系（东营组、沙河街组、孔店组）、中上元古界（蓟县系雾迷山组、杨庄组；长城系高于庄组、大红峪组、团山子组、串岭沟组和常州沟组）、太古界，普遍缺失古生界，不同区域受构造、剥蚀等因素影响，地层发育序列和厚度有所不同，所在区域地层剖面图如图1所示。
图1 雄安新区地层剖面图
中国石化新星石油公司在渤海湾盆地冀中坳陷容城凸起南部部署首口地热勘探井——大王探采1井，为精细刻画热储分布、科学合理开发地热资源提供了依据，为雄安新区开发奠定了坚实的基础。根据雄安新区地层特征，结合周边已钻井资料分析，对大王探采1井钻探工艺技术进行优化研究，指导钻井现场施工，为雄安新区地热资源开发利用提供技术支撑。
2 雄安新区地热井钻探存在的主要风险
根据周边已完钻的地热井资料分析，大王探采1井主要存在以下风险：
（1）蓟县系雾迷山组和长城系高于庄组，易发生失返性漏失，引起井下复杂。区域上多口井出现漏失：城南1井三开雾迷山组钻进过程中1396.00～1404.00m发生井漏泥浆不返出；城南3井从雾迷山组1605～1780m全漏；城南4井在雾迷山组井深955米发生大漏，直到完井井内均无岩屑返出。
（2）地层发生失返性漏失时，易造成上部沉砂卡钻和井壁坍塌，区域上多口井钻井过程出现卡钻事故，被迫填井侧钻或挪井口。
3 井身结构优化设计
雄安新区大王探采1井地层自上而下依次为第四系、新近系、古近系及蓟县系，本井目的层位蓟县系雾迷山组。设计为三开井身结构，井身结构示意图如2所示，各开次要求如下：
一开采用Ф444.5mm钻头钻至井深550m，下Ф339.7mm表层套管至549m，以满足封隔表层松散地层、下入水泵和保护地表水的要求，水泥返至地面；
二开采用Ф311.15mm钻头钻至井深2402m（进入雾迷山组地层不超过2m中完），下Ф244.5mm技术套管至2401m，封固蓟县系以上地层，为三开安全钻进创造条件，技术套管上预留30m水泥塞；
三开采用Ф215.9mm鉆头钻至完钻井深，尾管悬挂，重叠20m，下Φ177.8mm复合管柱：悬挂器+套管（含2套管外封隔器）+盲板+花管至目的层底部，能够满足分层试水的需要。
4 钻井液技术
大王探采1井钻井液设计主要思路是把岩屑从井底携带至地面，清洁井底，稳定井壁，安全钻进等。根据钻遇地层情况设计各开次钻井液主要性能、体系和配方，具体见表1所示。
0-550m地层：钻遇地层主要为第四系和新近系，上部地层为黄砂层，易塌易漏且造浆率低，下部地层为软泥岩，造浆严重。在钻进过程中，上部适当提高钻井液粘度、切力，加入HV-CMC并降低滤失量，防止地层垮塌与井漏发生。下部加入大分子聚合物胶液控制地层造浆，维护钻井液性能稳定，维持足够的粘切，保证良好的携砂、悬浮和稳定井壁的能力，采用预水化膨润土钻井液体系。
550-2402m地层：钻遇地层主要为新近系、古近系。主要岩性由泥岩、砂岩、细砂岩不等互层、砾细砂岩。要求钻井液具有良好的携砂能力和护壁性，防止井壁失稳，采用聚合物钻井液体系。
2402-3500m地层：钻遇地层为蓟县系。主要岩性由白云质砂岩、白云岩、白云质灰岩组成，易漏失，要求钻井液能够保护热储层和携砂能力，采用无固相聚合物钻井液体系。
5 钻井及水力参数优化研究
在地热井钻进过程中及时把岩屑携带出来，是安全快速钻进的重要条件之一。钻井参数及水力参数优化设计，主要是在现有设备条件下，提高钻井的水力参数，达到辅助破岩、净化井眼的目的，以利发挥优选钻井参数钻井提高钻速的作用。
5.1钻井参数优化研究
钻柱在钻井过程中，不论是起下钻、接单根还是划眼正常钻井时，钻柱受到作用力数值较大的力是拉力，所以钻柱设计主要考虑钻柱自身重量拉伸载荷以及遇到卡钻、处理事故时的提伸拉力和扭矩。采用wellplan软件对大王探采1井钻井过程中钻柱受到的最恶劣条件进行分析和优化。
基本分析条件：（1）钻具组合：F215.9mm钻头+F158.8mm无磁钻铤1根+F213mm螺旋稳定器+F158.8mm钻铤1根+F213mm螺旋稳定器+F158.8mm钻铤7根+F127mm加重钻杆30根+F127mm钻杆。（2）钻压：100kN；转速：120r/min。（3）排量：36L/min。（4）钻井液密度：1.05g/cm3。（5）最大扭矩：5000N·m。
根据钻柱疲劳分析计算结果可知，G105的钻柱的强度能够满足提升和下放施工作业要求，分析结果见图3所示。
为了实现优快钻井，提高钻井效率，开展不同转速钻井模拟分析研究，计算结果见图4所示，根据模拟计算结果可知当钻井转速在135rpm、155rpm、192rpm时钻柱产生应力集中，容易发生钻柱故障，从安全优快钻井考虑，钻井转速优化为60～120rpm。 5.2水力参数优化研究
井筒内除去钻屑是钻井作业中的非常重要的部分，任何井眼都应保持有效的清洁，无法有效清除钻屑将导致大量钻进复杂情况，如起钻时超提力太大、转盘扭矩高、转盘扭矩高、卡钻、井眼堵塞、钻速低、循环终止等后果，严重影响着钻井安全，合理的水力参数设计有利于提高钻井安全和钻井速度，影响水力参数的主要因素是排量，因此对排量进行优化设计。
根据大王探采1井的井身结构设计数据、钻具组合和钻头等参数，采用wellplan软件对钻井排量进行优化设计。基本分析条件：钻头位置3500m，钻井液密度1.05g/cm3，钻速5m/h，岩屑直径5mm。
从图5模拟分析结果可知，当排量大于1.70m3/min时，井眼具有自清洁能力，不会形成岩屑床，有利于井下安全和优快钻井，考虑经济性和设备情况，将排量优化为1.70m3/min～2.16 m3/min。
6 现场应用效果
大王探采1井于2018年4月21日完井，完钻井深3500m，完钻层位高于庄组，井身质量合格，全井平均机械钻速5.17m/h，实现了安全优快钻井。2018年3月9日到17日进行了试水。试水水温93.1℃，为区域内温度最高的地热井，水量140m3/h，静液位116米，动液位100米，降深16m，取得了良好鉆探效果。大王探采1井的成功完钻和良好试水效果，为雄安新区后续钻井提供经验，为资源评价和综合开发利用提供科学依据，对雄安新区未来的绿色低碳城市建设具有重要意义。
7 结论与认识
（1）雄安新区岩溶热储采用三开井身结构，能够满足安全高效钻井的需要，顺利实现地质钻探目的，为后续区域内安全钻井提供经验。
（2）钻井液设计不仅能够满足携砂、悬浮和稳定井壁的要求，而且确保地热井安全钻井施工及录取资料的要求。
（3）通过对钻井参数和水力参数优化研究，不仅能够满足钻井各项施工作业的要求，而且有利于井下安全和优快钻井。
（4）雄安新区大王探采1井试水水温93.1℃，水量140m3/h，揭示了区域内良好的地热资源潜力，为资源评价和综合开发利用提供科学依据，对雄安新区未来的绿色低碳城市建设具有重要意义。
作者简介：张海雄，工程师，2009年毕业于西南石油大学石油工程专业，现任地热工程所所长，现从事地热钻完井技术研究和管理工作。
（作者单位：中国石化集团新星石油公司新能源研究院）