DZK02中高温地热井钻完井工艺技术实践与探讨

时间：2024-07-28

杨卫，聂世均，邢玉軒，范伟华

（1.中国石化集团新星石油有限责任公司，北京100083；2.中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川成都610051；3.中国石油大学〈北京〉石油与天然气工程学院，北京102249）

杨卫*1，聂世均2，邢玉軒3，范伟华2

随着社会经济和生态环境建设的需求，中国地热资源开发利用每年以12%的速度增长。实践表明，中高温地热井的能量品位和经济效益远高于低温地热井，但我国在中高温地热井的钻井和成井工艺方面研究和经验相对不足，无形中增加了中高温地热井钻井、建井成本，及热能数据获取不准确等问题。以DZK02中高温地热井钻完井为例，详细探讨了中高温地热井钻完井过程中面临的难题及配套解决措施，并探讨了中高温井钻完井中几个关键问题，为类似中高温地热井的勘探开发提供参考经验。

地热井；DZK102；中高温；钻完井工艺；技术探讨

在全国已发现的3200处地热异常中，超过90%的为中低温地热系统，仅8%为中高温地热系统。而在已开发的地热井，除西藏羊八井、羊易地热和广东丰顺地热外，绝大部分地热井仍属于低温地热[1-3]。因此相对比较成熟的中低温地热井钻完井工艺，中高温地热井钻完井工艺上还处于探索研究中[4-7]。本文以DZK02中高温地热井钻完井工艺技术实践为例，探讨了中高温地热井钻完井难点及配套技术措施，并针对其存在的问题提出了相应的研究思路和方向，为后续区域乃至其他地区的中高温地热井钻完井作业提供参考经验。

1 DZK02井基本情况

DZK02井地处西部某河左岸一级阶地，位于该断裂下盘、断裂破碎带上，阶地下伏破碎带厚度大于560m，在其近东西、北西向纵张裂隙发育带上水量补给充足。阶地附近有3处温泉出露（水温37℃～48℃）和1口地热探井（水温65℃/H45m），地表地温在7.2℃～8.0℃，属地温异常区。根据邻井水温曲线（图1），基岩中水温与覆盖层中水温相差30℃，且进入基岩后水温具有显著升高的特征，表征该阶地具有良好的地热开发前景。

图1 某邻井水温随井深变化曲线

2 DZK02井钻完井难题及工艺措施

本井采用二开二完井身结构，完钻井深1847m，二开完钻后采用裸眼完井。在钻完井过程中，虽然遇到了较多在中低温地热井未出现的钻完井难题，但现场通过优化工艺技术、调整施工方案、完善配套措施等，确保了该区域第一口高温地热探井的顺利完钻。

2.1 地层出水严重

整个钻井作业期间，为保证对地层损伤最小，取准取全该井第一手地层资料，使用清水作为钻井液，采用欠平衡或微欠平衡钻井工艺，全井出现了多达18个水层显示（图2），最厚达到64.3m。

图2 DZK02井水显示位置及厚度

导管作业钻至井深59m时钻遇水层，66m时钻遇高压高温水层，出水量20～30m3/h。循环出口温度75℃～78℃，井口钻井液温度最高达到87℃；表层和生产层段钻进期间，井口返出钻井液的温度经常高于沸点（该井海拔3100m，水的沸点90℃），最高达到102℃。在地层涌水量大、井口温度高且蒸汽量大，易出现：①下放阻力高，套管不易下到设计位置；②井口作业施工难度高，易对作业人员造成伤害；③电测、固井等后期作业困难，使用新配重浆压井情况下易压漏地层，同时新浆可降低地层温度，使得电测温度曲线与实际地温曲线有较大误差，影响后期资源评估等。为保证钻井及后续作业正常进行，主要采取的技术措施：

（1）为控制导管钻井地层出水量，采用高密度钻井液压井，降低地层流体进入井筒速度。但最终由于地层出水量大，重泥浆被快速稀释、井内掉快严重等，导致套管下至71.8m（完钻井深80m）后无法下放，被迫采取就地固井。

（2）二开钻进过程中使用高粘切稠浆携砂洗井，确保井眼干净畅通无沉砂。起钻和取芯前使用高粘切重稠浆压井，控制井内出水量，确保钻台人员安全作业，满足了后期电测、下套管、固井施工作业需要。

（3）在用高粘切重稠浆压井条件下，井口作业人员仍要求穿戴特种作业服，确保人员安全，防止地层高温流体烫伤。

2.2 清水钻井液加剧钻进复杂

为实施欠平衡或微欠平衡钻井作业，最大程度保护储层，获取地热资源和与地热相关的地层结构、地质结构、岩性、地温变化、热储的渗透性、地热流体压力及其物理性质和化学成分，取得代表性计算参数，进行资源量计算，本井全井作业采用清水作为钻井液。

表1 DZK02导管钻井作业压井处理程序

研究表明，除钻井参数外，钻井液本身的密度、动塑比、表观粘度、塑性粘度等性能参数都影响到环空岩屑的携带。根据公式（1）、（2），岩屑沉降速度随表观粘度增加而降低，而表观粘度随动塑比的升高而增加，因此提高动塑比可以增加岩屑的运移能力。

岩屑自由沉降速度：

其中动塑比：

对于钻井液密度来说，随密度的增加，固液两相的密度差减小，岩屑颗粒在泥浆中的有效重量下降，岩屑运移能力增强，起到了清洗井眼目的。而地热井采用较低密度和动塑比的清水钻井液后，岩屑的悬浮和携带能力严重不足，导致钻头在井底重复切削岩屑，钻头的钻速和单位进尺都严重降低（表3、表4）。因此为防止钻头对岩屑的重复切削，在一开、二开钻井阶段，钻进过程中每50～80m使用高粘切稠浆携砂洗井一次，确保井眼干净、畅通和无沉砂。每次起钻和取芯前再使用高粘切重稠浆压井，控制井内出水量，确保钻台人员安全作业，满足电测、下套管、固井施作业要求。

表2 DZK02井各开钻井液配方及性能表

表3 DZK02井各开井段钻井参数及钻速对比表

表4 DZK02井不同钻头钻井参数及钻速对比表

2.3 钻具断裂

地热井钻井过程中，钻具和井下工具的使用寿命受到影响较大[9]，DZK02井前后出现两次井下工具断裂事故。分析发现工具断裂主要是因为中高温地热井钻井条件下，由于高温、清水钻进、蒸汽量大、出水量大、交变应力作用等造成钻具的疲劳破坏和氢脆延迟断裂。

地热钻井中，由于受温度、压力、振动、扭转等交变载荷的影响，钻具很容易产生裂纹和断裂的现象，即使钻具最大工作应力小于静载荷下的屈服极限σs，井下钻具长期在交变的机械应力或热应力工作条件下也会产生疲劳破坏，主要特征表现为断裂是突然的，无任何先兆，且断口形貌特殊，断口上有明显不同的区域等（图3）。

氢脆延迟断裂现象是由于钻具内部的氢向应力集中的部位扩散聚集，应力集中部位存在原子点阵错位、空穴等金属缺陷。通过式（3）、（4）的化学分解与合成，液态的水形成气态的氢，当氢扩散到这些缺陷处，氢原子变成氢分子，产生巨大的压力，这个压力与材料内部的残留应力及材料受的外加应力，组成一个合力，当这合力超过材料的屈服强度，即氢浓度C达到管材临界断裂值Cth时，就会导致断裂发生。

图3 DZK02井钻具断裂图

应力集中处的氢浓度为：

式中：CH——管材中的平均氢浓度；

VH——氢在管材中的偏摩尔体积（恒温、恒压下加入1摩尔氢所引起的金属体积的变化）；

α——应力集中系数。

若氢的浓度达到临界值Cth时断裂，对应的外应力即为氢致滞后断裂的门槛应力σth：

若σ＜σth，即使经过长时间扩散也达不到临界氢浓度，不会发生氢致滞后断裂；若σ＞σth，经过时间tf后，发生断裂，且应力越大，滞后断裂时间越短。

针对DZK02地热井钻井情况，本井选用G105一级钻杆，其强度能满足本井安全钻进需求，同时钻进中加强入井钻具检查和防刺漏监测等钻具管理措施，每趟钻均进行钻具检查和倒换。同时根据本区域地层特点，钻具在井下应力变化频繁，易发生钻具氢脆、疲劳损坏等，由专业钻具检测单位对钻具进行探伤并将探伤周期缩短为正常的1/2。

2.4 井温测试误差大

本井在一开固井20d后，1190m井底套管内电测获取的地层温度129℃，推算地温梯度10.25℃/100m，但是在1847m二开完井后，电测的温度显示井底温度126℃,推算地温梯度仅6.44℃/100m。前后电测温度比较，二开温度测试数据误差较大，这是由于一开固井20d以后套管内的温度与地层温度已经平衡，测试的数据能够准确反映地层的真实情况，但是由于二开测试时，井口内流体一直喷涌而出，而井口装置难以满足边喷边下电测仪器进行电测的工艺，因此使用储备的重稠钻井液压井（温度为环境温度，当时平均温度约10℃），使得井底周围的地层温度因为注入的低温钻井液降低了该处的温度场，使得1847m的电测温度低于1190m的温度。

2.5 完井井口选择困难

依照普通地热井完井井口方式，本井设计采用井口帽（图4）的方式作为完井井口，即在井口焊接环形钢板。但本井是自流井，经测试获得井口温度116℃、流量50m3/h、表压0.34MPa，因此如果仍然使用原设计的完井井口，后续井口安装等工作将无法进行。

图4 设计的完井井口装置示意图

经过方案论证，采用油井的钻井四通作为完井井口（图5），这样既可以持续放喷取数据，还可以接生产管线进行生产。但是油井的钻井四通各种规格和参数都高于该井需要的要求，如果类似井都套用该模式，地热井完井成本将大幅度上升，因此中高温地热井井口成型产品还有待研制。

2.6 气液混合流量测试不准

地热水中有可能有伴生气存在，温度越高，出现伴生气的可能性越大，这是因为中高温地热井水温度较高，部分地热水会汽化，导致井口流量计测出的流体流量是地热水、蒸汽和伴生气的混合流量，但是这三者的热值是不一样的，因此要计算地热井的准确的热值，需要对混合流体的组分进行确定，这样设计出的装置才会有较高的转换效率。本井在井口用涡轮流量计测出的稳定混合流量为50m3/h，但是在放喷池内的收集到的地热水只有26m3/h，根据温度和压力关系换算，24m3的液体包括有闪蒸成的水蒸气和伴生气，但现场没有测试用的分离器和封闭取样装置，未能准确获知真实的混合流体成分。

图5 实际完井井口装置示意图

3 中高温地热井钻完井技术探讨

通过DZK02中高温地热井钻完井实践，对比中低温地热井和油气井钻完井特点，要做好中高温地热井成井，还需要在几个方面继续探索研究及现场试验。

（1）地热井勘探开发的目的是获得地下具有温度的清洁地热资源，而目前已探明的中高温地热井都是处于环境敏感区域，如果采用油气井钻井所使用的水基钻井液或油基钻井液，钻完井成本和环境处理成本将大幅度增加，对地热井的经济效益开发不利。因此推荐使用清水钻井液、泡沫钻井液或空气钻井液等作为携砂流。但使用清水钻井对压稳井筒、保护井壁、钻井中携砂、保护钻具等带来一定的困难，增加了井下复杂情况的风险。

（2）地热井的井喷风险远小于油气井，同时为了保证地层和流体不被污染和影响，中高温地热井钻井推荐采用近平衡或欠平衡钻井技术，并配套相应的欠平衡钻井防喷器装置，实现中高温地热井的高效、安全勘探开发作业。

（3）了解地热井的温度分布是地热开发中的关键环节，对于区域地热井的开采、开发具有重要意义。但对地层温度高、返出液量大的地热自流井（自喷井），准确了解地下温度绝非易事，首先是由于返出液量大、下放阻力高等导致电测工具下到目的层位难度大，其次是电测温度和真实地层温度存在较大的误差，但为保证工具下入，不得不用新配高密度、稠浆压井作业。根据热交换定律，在低温流体与高温流体混合后，实际电测到的温度低于预期值，这在不了解真实地层温度情况下给后期方案制定带来难题，建议在可行的条件下可以采用传输测井方式，在不替换钻井液条件下用钻杆或连续油管将电测仪器送入井底，但这会增加成本。

（4）由于国内中高温地热井比较少，因此配套的井口装备还需要持续进行研制，在降低成本同时提高井口装备的可靠性。通过DZK02井的完井测试表明，高温地热井流体中气液混合比较明显，为确保测试的真实性、准确性，完井后的井口测试工艺和设备需要配套气液分离器，测量气液的物性参数和流态参数设备、现场快速取样工具等，为各种参数的采集提供必要的技术支撑，为后续勘探、开发方案的制定奠定基础。