大同地区高温超深地热孔钻探难点分析与施工方案设计

赵长亮，王勇军，陈师逊

(1. 山东省地勘局第二水文地质工程地质大队(山东省鲁北地质工程勘察院)，山东德州 253072；2. 山东省地热清洁能源探测开发与回灌工程技术研究中心，山东德州 253072；3. 山东省地质矿产勘查开发局第三地质大队，山东烟台 264004)

0 引言

大同盆地重点地区深部高温地热资源详查钻探工程由山西省第一水文地质工程地质队批准建设，拟施工1眼岩心钻探孔(DR4)，设计孔深4000 m，全孔取心。

山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队中标承担该项目施工任务，该孔为国内设计最深的高温地热全孔取心勘探钻孔，地层复杂且有高温高压水储层，施工难度大。为顺利完成钻探任务，在分析研究地层资料和总结前期施工经验的基础上，对钻探技术工艺进行优化和探索[1]。

1 工程概况

1.1 工程目的和要求

该工程的施工目的是通过钻探获取地层岩心和结构等资料，揭示深部岩层物质组成、结构、产出、构造等属性，获取地下温度场以及岩体物理参数等，以查明深部地热成因机制和高温地热资源的赋存特征，科学评价地热资源量。钻孔设计孔深4000 m，钻孔倾角90°(直孔)，终孔直径不小于NQ口径(75 mm)。

钻孔技术指标及质量要求：①要求全孔取心(覆盖层可不取)，岩心采取率≥70%，岩心保持原状；②300 m以浅井斜角≤1°，1000 m以浅井斜角≤3°，2000 m以浅井斜角7°，4000 m以浅井斜角≤10°，每钻进100 m，孔斜测量不少于一次；③每钻进100 m校正孔深一次，终孔后要进行一次孔深测量，误差≤1‰；④严格监测高温泥浆循环液的消耗量，严格监测泥浆循环液的进出温度，每班次详细监测孔口水温；⑤详细记录钻进过程中坍塌、掉块及钻具陷落位置，2.0～3990.0 m段进行全方位井下物探测井及测试、试验工作；⑥第四系、新近系、太古界变质岩0～500 m采用普通硅酸盐水泥浆止水，变质岩500～3000 m采用耐高温油井水泥系列助剂止水；⑦采用自然伽马、声幅和电阻率测井；⑧根据实际钻探情况填写野外原始记录材料。

1.2 地质条件

调查区位于华北北缘板内活动带中段天镇—阳高块凸一带，总体呈北东—南西走向，地势总体北东高、南西低[2]。

新太古代阳高岩组是区内最老的构造岩石地层单位，主要为基性火山—硅铁建造。古元古代集宁岩群为一套经历了麻粒岩相变质作用和深层次构造变形改造，是典型孔兹岩系岩石组合特征的变质表壳岩。中元古代地层为一套滨浅海相碎屑岩—泥质—碳酸盐岩沉积建造。晚古生代地层为海陆交互相碎屑岩及含煤碎屑岩建造，中生代地层为河湖相碎屑岩及含煤碎屑岩建造。

调查区侵入岩主要为新太古代五台期、古元古代吕梁期、中新元古代晋宁期、中生代印支期、燕山期和新生代侵入岩。其中新太古代岩浆活动早期为基性火山岩的喷发，中晚期以大量原岩相当于英云闪长岩、奥长花岗岩岩系为主，其变质程度达麻粒岩相。古元古代的岩浆活动以黑云角闪斜长片麻岩和黑云角闪二长片麻岩为主，中新元古代晋宁期以NW-SN向的辉绿岩墙为代表，中生代以燕山期花岗岩株为主，并伴生有大量酸性脉岩，新生代侵入岩区内不发育，局部可见具侵入产状的玄武玢岩、辉绿岩脉、煌斑岩等。

构造演化可以划分为早前寒武纪、中元古代—晚古生代、中生代—新生代3大演化阶段，其中早前寒武纪地质构造因调查区处于NEE-EW向和 NE向构造带交汇部位，具有极为复杂的演化历史，构造带内各种地质体均受到强烈改造，多期次构造相互叠加，以中—深层次构造变形为主。中元古代—晚古生代阶段是区内构造活动相对平静阶段，总体上以纵向构造运动为主。中生代印支期—燕山期构造活动较为频繁，既有侏罗和白垩纪新生陆相盆地的扩张、沉积，也有大规模的火山喷发活动。新生代总体上以垂向运动为主，形成了山间断陷盆地和坳陷盆地。

根据工作区附近以往钻孔资料显示，本项目可能钻遇地层见表1。

表1 DR4井预测地质分层表

2 钻探施工难点

(1)地层复杂。工作区第四系及新近系地层结构松散，存在塌孔的风险；300 m以深均为太古界集宁群的黑云斜长片麻岩、角闪岩，地层岩石硬度高、研磨性高、可钻性较低，可能存在构造发育、岩石破碎的孔段，要特别关注冲洗液性能，维持孔壁稳定，同时要采取措施提高钻进效率和岩心采取率；太古界集宁群钻进时要注意钻头的选型，防止钻具过度磨损，提高硬岩地层钻进效率；太古界集宁群破碎层段钻进时应注意掉块卡钻的问题，需要采用能力大的钻机。在设备选择、施工工艺(口径)、泥浆配置等各方面需要予以充分考虑[3]。

(2)高温高压水。根据前期的钻探资料可知，孔深1500 m左右时温度已超过150 ℃，下部温度可能会更高，钻井液和井下钻具的抗高温性能要满足要求；该孔存在高温高压热储层的可能性极大，应特别注意观察井喷前兆，采取针对性措施预防井喷的发生，要做好井喷一旦发生的相应处置措施和物资储备，作好加重泥浆储备、井控和固井等技术措施。

(3)防斜与纠斜。该钻孔垂直度要求高，要充分考虑造斜地层和钻孔垂直度的矛盾，采取相应的施工工艺和保直措施[4]。

(4)高地应力。从目前国内施工的超深孔情况来看，孔深超过3000 m均存在不同程度的高地应力造成的井壁失稳、坍塌、缩径、漏失、卡钻等一系列复杂情况[5]，地应力会随着孔深的增加而增大，要重视下部孔段施工，钻孔结构上留有充分的余地。

3 钻孔结构设计

3.1 钻孔结构

该勘探孔地层复杂，且可能钻遇高温、高压流体，因此钻孔结构设计应将大口径钻探和绳索钻探的各自优点进行融合，不仅要考虑孔内安全和钻探成本，同时要满足固井和预防井喷等要求。为保证施工顺利，本着“大径开孔，充分留有余地”的原则，备用1～2级口径以解决钻探中可能出现的各种复杂性问题[6]。钻孔结构如图1所示。

图1 井身结构图

3.2 套管和施工程序

(1)采用直径508 mm钻头开孔钻进至20～30 m，下入直径406.4 mm套管后固井。

(2)一开采用346 mm口径合金钻头钻进至基岩面，换用单动双管取心钻具(钻头直径214 mm)钻进取心至基岩面下大于40 m，346 mm口径扩孔钻进至孔底，上部井段测井，下入直径273.1 mm套管，固井，连接防喷器。

(3)二开用川8-4(SQX 180×105，钻头直径214 mm)双管取心钻具钻进并提钻取心至高温高压储水层下部完整地层(预计1500～1600 m)，加重泥浆压井，上部井段测井，下入直径177.8 mm套管，固井。

(4)三开使用直径152 mm/122 mm钻扩合一钻具，绳索取心钻进至2500～3000 m(依据地层状况充分施工)，测井，下直径146 mm套管。

(5)四开采用P口径绳索取心钻进至3000～4000 m，测井。

(6)五开采用直径98 mm绳索取心钻进至终孔，作为备用口径，如果P口径可以钻进至终孔，则不需要此口径，如果P口径钻进遇到复杂情况难以处理，就需要下入直径114 mm套管后，用直径98 mm 绳索取心钻进至终孔，套管下深依据现场施工的具体情况确定[7]。

4 钻机选型

目前深孔施工主要以立轴钻机、水井钻机和石油钻机等设备为主，结合本工程全孔取心要求与钻孔结构设计等特点，传统机械立轴式岩心钻机无法满足提升和钻进能力的需求，传统水井钻机转盘回转转速无法高效地实现全孔取心的施工要求，石油钻机可以满足深孔重载的能力要求，同时石油钻机可选用不同规格转盘以满足取心转速的需求。针对以上分析，委托中地装(北京)科学技术研究院有限公司对现有的ZJ30型机械传动石油钻机进行升级改造，主要改造内容是ZP175DB型高速变频电传动转盘和大吨位自动送钻系统。通过以上两项技术改造，在实现大直径、深孔绳索取心钻探施工能力的同时降低运行能耗，提高设备性能。

4.1 自动送钻系统

原钻机卷扬的电磁涡流刹车系统通过万向节与送钻减速机连接，控制主卷扬运转速度。送钻减速机采用独立送钻电机、减速箱、离合器，与起下钻电机并列运行，可用作慢速给进，也可用于起落塔、事故处理等。减速机电机采用变频电机可实现无级调速，零速启动平稳、送钻平稳、钻压控制平稳，可实现钻压显示，如图2所示。

1.主电机+减速箱；2.离合器；3.制动带；4.滚筒；5.制动带；6.电磁涡流刹车；7.万向轴；8.减速箱；9.底座；10.气胎离合器；11.变频电机；12.大速比减速箱

在开环控制状态下，满足金刚石钻头在硬岩取心钻进1.2 m/h以上的钻进速度(给进速度≥21 mm/min)。在电机带编码器闭环控制状态下，满足金刚石钻头硬岩取心钻进低于1.2 m/h的钻进速度。快绳速度≥5.18 m/s，金刚石钻头不低于0.5 m/min扫孔速度(10绳)。钩载不低于160 t(10绳)，兼顾起落塔、处理事故，满足3000 m深度地热、油气钻井施工的需要。自动送钻系统详细参数见表2。

表2 自动送钻参数

4.2 ZP175DB型变频电传动转盘

ZJ30型石油钻机原配ZP175型机械传动转盘，由于转盘的最高转速较低，无法满足金刚石绳索取心钻头切削需求，同时还有回转速度调节不便等缺点。现根据原有井架及转盘梁空间位置关系，以变频电机+变速箱的方式通过万向轴对转盘进行驱动，可实现转盘在多挡位区间内回转速度的连续调节，整个传动链采用直连的方式，与原皮带+链条的传动方式相比，传动效率和耐过载特性更好。变频电传动转盘结构如图3所示。

1.转盘；2.转盘轴套；3.万向轴；4.变速箱轴套；5.变速箱；6.底座；7.变频电机；8.弧形齿联轴器；9.惯性刹车

经过对原有钻机参数的分析和计算，选用200 kW变频电机作为动力源，最终可实现变频转盘的连续转速≥250 r/min，可满足150 mm口径金刚石取心作业的要求，此时钻头线速度为2 m/s，相当于76 mm口径地质岩心钻探的500 r/min；变频转盘的连续扭矩27 kN·m，最大扭矩41 kN·m，高于原设备的额定回转扭矩及最大扭矩，可满足3000 m深度大口径地热、油气钻井施工扭矩需求，详细参数见表3。

表3 变频转盘参数

4.3 泥浆泵改造

采用3NB-500泥浆泵，可以满足上部大口径孔段施工要求。由于其泵量过大，需要时可调整活塞缸径并更换大直径被动皮带轮，使其最小排量为1.5 L/s，满足绳索取心时小泵量的要求。

5 钻具

5.1 钻具组合

根据施工条件和以往施工经验，主要应用大口径提钻取心和绳索取心两种钻探工艺。浅孔时使用提钻取心，达到一定深度后采用绳索取心工艺，可以减少起下钻时间、提高钻探效率、降低钻探成本。同时，为提高硬岩地层钻效、解决破碎岩块堵心等问题，使用螺杆+液动锤配合常规取心钻探的技术[9]。

(1)0～1500 m孔段。采用双管单动取心钻具进行提钻取心，钻具组合：直径214 mm取心钻头+直径194 mm双管单动取心钻具+直径172 mm螺杆钻具(或液动锤)+直径215.9 mm扶正器+直径127 mm钻铤+直径114 mm钻杆。

(2)1500～3500 m孔段。采用加重S口径绳索取心钻具，钻具组合：直径152 mm/122 mm双钻头+直径146 mm厚壁短接(内设扶正机构)+S加重绳索取心钻具总成(内外管)+直径152 mm扶正器(设悬挂机构)+加重弹卡室+变丝接头+加重钻杆+过渡钻杆+直径114 mm绳索取心钻杆。

(3)2500～4000 m孔段。采用P口径绳索取心钻具，钻具组合：直径122 mm取心钻头+直径122 mm扩孔器+P绳索取心钻具(液动锤绳索取心钻具)+直径122 mm扶正器+直径114 mm绳索取心钻杆。

(4)3000～4000 m孔段。采用H口径绳索取心钻具，钻具组合：直径98 mm取心钻头+直径98 mm扩孔器+H绳索取心钻具(液动锤绳索取心钻具)+直径98 mm扶正器+直径89 mm绳索取心钻杆。

5.2 特种双管提钻取心钻具设计

单动双管提钻取心钻具结构形式如图4所示，钻具脑袋上部连接钻铤，下部与变丝接头和单动机构连接。单动调节机构由轴承、调整螺母等组成，设有分水眼和内管排水球阀。内外管分别为194 mm×15 mm和146 mm×7 mm的钢管，长度根据不同地层等长加接根数，上扩孔器(稳定器)内安装扶正环，下扩孔器作为厚壁短接，也安装扶正环，为了使钻头易于加工同时实现阶梯破碎岩石，可采用大小径双钻头套在一起使用。

图4 单动双管提钻取心钻具示意图

5.3 特种绳索取心钻具

H和P口径绳索取心钻具均采用常规或液动锤系列钻具。S加重绳索取心钻具是将P口径外管总成(包括扩孔器、弹卡室、弹卡挡头等)采用特种厚壁外管加工[10]，主要尺寸和结构如图5。

图5 S加重绳索取心钻具示意图

5.4 钻头设计

依据项目设计要求，钻探过程主要使用取心钻头，上部大孔径段需要使用牙轮钻头进行钻进或扩孔。取心钻进时，根据所遇地层岩石的可钻性、研磨性和破碎程度等情况，参照有关规程推荐的钻头选用标准及相似地层施工经验确定使用钻头类型。初步设计采用复合片和孕镶金刚石2种类型，具体结构参数根据地层条件设计。

6 钻进参数

取心钻探主要为金刚石钻探，影响金刚石钻进技术参数的因素很多[11]，诸如岩石的物理力学性质、钻头类型和结构参数、钻孔直径、钻孔结构和深度、钻探设备的性能、钻井液类型以及各种参数之间的合理配合等。选择钻进参数时，要根据具体条件，对上述因素进行综合分析，采取相应对策，才能获得最佳钻进效果。

6.1 钻压

切削具在轴向载荷的作用下，施力于岩石，由于切削具的形状、尺寸不同，产生的应力区亦不同，吃入深度、破碎区和压力成正比。如果压力过大，将产生钻柱弯曲或钻头损坏，在回转扭矩较大时，还会造成钻杆脱扣、扭断、烧钻或钻头胎体脱落等孔内事故，同时会使钻孔偏斜角度过大。因此，确定钻压值时，需要掌握岩石的压入硬度、抗压强度和金刚石的抗压强度等参数的同时，还应考虑到转速、钻头类型和钻头结构等因素。推荐钻压见表5和表6。

表5 孕镶金刚石钻头推荐钻压值

表6 复合片钻头推荐钻压值

6.2 转速

转速是影响金刚石钻进效率的主要因素之一，钻头转速根据钻头线速度计算。按照地质岩心钻探规程推荐，孕镶金刚石钻头唇面线速度应满足1.5～3.0 m/s，复合片钻头线速度一般0.5～1.5 m/s。考虑到随着孔深增加，阻力增大，钻杆强度和设备动力等因素的影响，各取心孔段转速参考值见表7和表8。

表7 孕镶金刚石钻头适用转速

表8 复合片钻头适用转速

6.3 泵量

泵量选择应主要考虑地层条件和钻头类型[12]。钻进坚硬致密岩层时，钻速低、岩粉少、颗粒细，冲洗液量可较小；钻进软、中硬的岩层或易糊钻的岩层时，钻速较高，为了快速排粉，钻井液量宜大一些；钻进研磨性强岩层时，由于高速摩擦产生的热量较多，液量应较大；钻进漏失地层时，为补偿损失的液量，应大于正常情况。孕镶钻头由于金刚石出刃量小，唇面与孔底岩石接触面积大，过水条件差，又多采用高转速钻进，为及时冷却金刚石和胎体，避免金刚石石墨化和重复破碎岩石，应采用较大泵量。采用孔底动力钻具时还要考虑孔底动力机具(液动锤、螺杆)所需泵量。根据经验，金刚石钻进常用的冲洗量如表9。施工时应根据上述因素并结合实际情况，适当调整泵量。

表9 金刚石钻进推荐泵量

7 耐高温钻井液体系

7.1 钻井液配方设计

为应对高温地层导致钻井液失效的问题，采用耐240 ℃高温水基钻井液及耐220 ℃高温封堵剂，该体系钻井液及封堵剂在某干热岩勘探中已成功经受住了236 ℃高温的考验[13]。

(1)膨润土钻井液配方：1 m3水+0.5～1.0 kg烧碱+60～100 kg钠膨润土+5～8 kg增黏剂。

(2)低固相聚合物钻井液配方：1 m3水+0.5～1.0 kg烧碱+20～50 kg钠膨润土+10～15 kg降滤失剂+3～5 kg增黏剂+2～3 kg包被剂，其他材料还有稀释剂、防塌型随钻堵漏剂、重晶石等。

(3)耐高温钻井液配方：1 m3水+30～40 kg钠膨润土+5～10 kg HPS+10～20 kg GCL-1+10～20 kg SPNH+5～10 kg GCL-2+5～10 kg JSSJ+5～10 kg SMT+3～5 kg GDP+3～5 kg GHTS+10～30 kg耐220 ℃高温封堵剂GPA-220(根据地层情况加入)+重晶石(根据地层情况加入)。

7.2 分段钻井液性能控制(表10)

表10 分段钻井液性能参数表

7.3 加重压井钻井液

使用适合地层特性的钻井液体系，储备合理的加重钻井液、加重剂和其他处理剂是本工程井控重点措施之一。配备加重钻井液储备罐，储备密度不小于1.40 g/cm3的加重钻井液20 m3以上，并在储备罐安装搅拌设备，随时根据井控需要制备相应密度的钻井液[14]。整个施工过程中现场储备加重材料(重晶石)30 t以上，如果地层压力要求加重钻井液密度在1.60 g/cm3以上，要增大加重钻井液和加重材料的储备。

8 钻孔防斜与纠偏

8.1 防斜

(1)使用弯螺杆加MWD随钻导向钻井技术。由于上部采用大口径提钻取心，在双管取心钻具上部连接弯螺杆和MWD系统，可随钻进行防斜控制[15]。

(2)满眼钻具组合防斜。在152 mm口径绳索取心孔段，井底采用“钻具+加重钻杆+稳定器”的形式，形成长孔段的满眼钻具，同时使钻杆中性点下移，实现井底加压，上部钻杆柱处于拉直状态，提高钻具的稳定性，有效防止井斜。

(3)液动锤绳索钻具。常规绳索取心孔段要采用液动锤钻进工艺，并加大对孔斜的检测力度，发现井斜超过控制指标时立即采取措施。

8.2 纠斜

钻进过程中，发现钻孔弯曲严重时要立即停止钻进，采用螺杆钻具进行纠斜，螺杆钻具的型号和弯接头要根据不同的孔径和弯曲强度合理选择[16]。

9 固井与井控

9.1 固井

根据钻孔结构设计，导管和一开井段采取全套管段水泥固井，二开井段需要部分套管段进行水泥固井作业，三开及下部根据实际情况在没有承压水气的情况下可不固井。水泥浆设计要考虑到漏失和提高窄间隙顶替效率问题，直径244.5 mm套管采用常规密度水泥体系，直径177.8 mm套管采用耐高温水泥体系。

固井作业程序：下套管至井底→循环钻井液→注前置液→注水泥浆→注后置液→替浆→起钻→候凝。固井作业前要按照相关要求，召集有关人员召开施工准备会，明确施工程序，贯彻固井措施，进行岗位分工，交代安全事项和异常情况下的应急措施，并明确联系信号，保证施工协调一致[17]。固井结束之后，水泥塞钻开前应用点测井检测固井量，固井质量不达标时要及时采取措施进行补救，固井质量检测合格后方可进行下步工作。

9.2 井控设计

由于该井存在地下高温高压热水层的可能性极大，为预防高温地下水气化而发生井喷事故，要特别关注井控设计。

一开下管固井作业结束后，首先在直径244.5 mm石油套管上安装密封压力不小于5 MPa的生产闸板，然后在生产闸板上安装密封压力大于14 MPa的双闸板防喷器，防喷器由液压控制系统控制，井口装置结构见图6。二开和三开井段，须配齐钻杆内防喷工具，方钻杆上、下旋塞，防喷短节(起下钻铤过程中遇井喷时使用)，钻杆回压凡尔(承压能力与防喷器承压能力相一致)。

图6 井口装置结构示意图

开钻前由钻井队工程师(或技术员)负责向全队职工进行地质、工程、钻井液、井控装置和井控措施等方面的技术交底，并提出具体要求。钻井液密度和其他性能须符合设计要求，并按设计要求储备压井液、加重剂、堵漏材料和其他处理剂。起下钻(钻杆)过程中应随时监控出浆槽，发生溢流时，应抢接钻具回压阀(或旋塞阀)，迅速关井；起下钻铤过程中发生溢流，应抢接带旋塞的防喷单根、并迅速关井。钻进中遇到钻速突然加快、放空、井漏等情况时，应立即停钻观察分析，经判断无井喷预兆后方可继续钻进。

10 结语

随着我国地热能清洁能源的不断开发和利用，地热勘探钻探技术研究越来越受到重视，高温地质岩心钻探有很大的发展前景。目前高温深孔钻探的工程不多，没有成熟的经验可以借鉴，需要不断摸索和总结[18]。本钻探工程的施工是国内绳索取心钻进在高温超深勘探井中的一次尝试，针对地层复杂、高温、高压等施工难题，应精心设计组织施工，目前的技术方案和措施是施工条件和前期施工经验的基础上设计的，还需要在施工中不断改进和优化。