地热井, 由于注采水工艺的不同利用定向井工艺技术开采地下热能, 不仅能够节约立井成本, 从环保角度也能间接的减少有毒、有害气体的排放来达到真正意义上的绿色能源的有效利用。
1 设计概况
1.1 布井
根据对地热井开采多以地下含水层压力的消耗为代价, 是开采过程中地层压力逐年下降, 地热回灌技术作为有效减缓地层压力的最有效的手段之一, 甲方决定开采一口或多口与之热储层相通的定向从式井, 所布井能够增加水层的预热面积, 提高热储产量, 完善注采水一体化工艺的同时也能满足甲方的建筑供暖需求。
1.2 地层
故城县城区在构造上位于沧县隆起南部武城凸起上, 武城凸起面积1362km2, 东、西分别以沧东断裂和武城断裂为界, 东部为德州凹陷, 西部为大营镇凹陷。故城城区东北部发育一条大断层, 走向近北西, 倾向东北, 基岩断距1000m以上。武城凸起高点位置基岩埋深小于1000m, 故城城区基岩埋深2000m左右, 为奥陶系、寒武系地层。本区分布的地层由新至老分述如表1-1。
1.3 井身结构设计
依据《河北绿源地热能开发有限公司钻井工程招标任务书》、《井身结构设计方法》 (SY/T5431-2008) 进行井身结构设计。井身结构数据见表1-2。
2 技术难点
2.1 井眼轨迹控制难度大:
地热井定向井不同于常规定向井, 定向段设计要求不允许使用润滑剂, 所以在造斜的时候随着井深不断的增加位移也就随之增大, 相应的磨阻也就越来越大, 井眼轨迹不好控制。
2.2 井漏对仪器的正常工作影响大:
稳斜段所钻遇的目的层为基岩热储层, 钻至该井段会发生井漏。工程上采用常规堵漏时, 由于堵漏材料的固态颗粒大会造成造成MWD仪器驱动头堵塞导致信号弱, 严重时会导致驱动头卡死而无法工作。
3 主要定向施工措施
3.1 优选钻具组合 (BHA) 的组合方式
采用柔性双驱钻具组合。
3.2 优选钻井参数
使用PDC, 控制钻压;
控制转速, 降低地层对方位角Φ的影响;
高泵量, 有效清楚井筒内的岩屑。
3.3 定向措施
3.3.1 选用匹配的螺杆, 配合稳定的工具面来控制造斜率来达到施工要求;
3.3.2通过邻井地层资料的对比, 利用Navigator轨迹定向软件及时的控制和预测轨迹变化情况, 复合、滑动钻进相结合来使得全角变化率平稳;
3.3.3 及时的做好井眼轨迹的模拟和预测工作, 做好预留轨迹控制提前量, 避免预留量不够造成无法挽回地步;
3.3.4 控制钻压能够有效的防止井斜角过快的变化, 确保井眼轨迹光滑;
3.3.5 控制转盘转速可以防止钻具摆动幅度过大对方位造成影响。
3.3.6 及时预测井斜角α、方位角Φ提前量变化情况;
3.4 测量措施
3.4.1 优选测量仪器
考虑地热井会发生井漏状况, 在选用仪器上采用结构简化、易操作、抗干扰能力强、可打捞的正脉冲无线随钻仪器 (MWD) 。
3.4.2 优化测量方式
目前普遍采用的两种测量方式:
动态测量:所谓动态测量就是在钻完一根单根后, 上下活动好钻具无需停泵直接测量。
静态测量:每钻完单根后上下活动好钻具后在确保井下无异常的情况下, 静止钻具1分钟左右, 开泵测量。
由于故城地区上部地层蠕动快, 井壁不稳定, 易沙卡, 钻具在井内静止时间不易过长, 所采用动态的测量方法进行测量。
3.4.3 测量施工措施
对于下井仪器进行地面的组装和测试, 坚决做到测试不正常坚决不入井的原则;
每钻进一根单根时都要及时的清理钻杆滤清, 确保水眼通畅;
在测量过程中发生井漏时可停止测量工作, 强行钻穿漏层后, 观察待井下安全时再进行测量;
在测量作业时, 上下活动钻具或循环泥浆确保井下正常的前提下方可进行测量工作, 避免在测量时发生卡钻事故;
在井漏发生时, 如条件允许的情况下最好把仪器先取出再进行堵漏作业。
4 应用效果分析
目前故城已钻完2口地热井。信誉1井直井, 井深3000.33米, 井斜角偏大最大井斜角7°, 施工周期30天;信誉2井定向井采用三段制的井深结构, 完钻井深3130米, 完钻周期25天。结合邻井的实钻资料对比, 优化定向、测量措施来完成该井的施工。2井定向应用效果如下:
4.1 信誉2井施工设计
信誉2井位于河北省故城县信誉家园小区部署的一口从式定向井, 该井设计井斜19.88°井底闭合位移800米。
4.2 信誉2井定向技术
本井直井段井斜控制好, 位移小, 确保下部定向施工能够顺利进行, 按照设计要求从620米开始定向造斜钻进。
(1) 钻具组合:121/4″钻头+1.25°螺杆+308mm扶正器+定向接头+61/2″无磁钻铤*1+5″加重钻杆*14根+5″钻杆
(2) 钻进参数:钻压40-60KN转速60rpm泵量42l/s泵压15MPa
(3) 施工措施
理论上螺杆造斜工具造斜能力要大于井眼的10%-20%, 选择1.25°单弯螺杆能满足4-6°/30米的造斜率, 定向时控制好工具面左右不得超过10度左右;
定向井段:620m-827m, 设计全角变化率5°/30m。实际平均全角变化率为3.8°/30m, 最高4.5°/30m井眼轨迹控制效果好。如图4-1。
利用有利的地层倾角, 采用少定向多复合的原则, 基本复合滑动比为80%.利用复合加压自然增斜的理念。必要时进行短程起下钻, 及时的清理井壁上吸附的岩屑, 保证一个良好畅通的井眼有利于定向施工。
钻进过程中如遇到快钻时必须紧跟钻压防止掉井斜, 相反慢钻时控制钻压防止增井斜。
因为地层倾角的变化, 转盘转速的快慢能够有效的控制方位的左右摆动, 实际作业过程中方位角的变化率为1-2°/30m。
根据软件计算控制好井斜角α, 方位角Φ的提前量。中靶前方位控制在高边2-3°, 井斜控制在低边3度左右, 利用地层倾角的自然变化优势复合中靶。
定向前仪器要做地面组装、地面测试、井口测试、入井后中途测试, 到底后要和多点仪器测量结果做对比, 如遇井斜、方位误差超过1-1.5°时, 则坚决不能使用。
4.3 信誉2井稳斜段定向技术
(1) 钻具组合:8 1/2″PDC钻头+172mm螺杆+扶正器 (208-210mm) +5″无磁WDP*1根+5″加重*21+5″钻杆
(2) 钻进参数:钻压40-60KN转速60rpm泵量32l/s泵压10MPa
(3) 施工措施:
采用PDC+螺杆+欠尺寸的扶正器组合能够有效的防止井斜的增大趋势;
由于定向段良好的控制, 稳斜段小钻压, 高转速能够有效的避免井眼轨迹大幅度的发生变化;
更换钻具组合, 改变近钻头稳定器与相邻钻铤之间的距离。改变的范围为10-30米, 距离越短, 增斜率越低, 距离越长, 增斜率越高;
稳斜段施工排量控制在设计排量的上限能够有效的清除井底岩屑, 降低滑动时的磨阻;
控压、控速的方法钻进稳斜井段:872m-3130m, 整个稳斜段井斜控制在设计线上下2°左右, 方位控制在设计方位线1-2°之间, 设计全角变化率为3°/30m, 实际全角变化率平均为2°/30m, 最高2.2°/30m。由此采用上述施工方法来进行稳斜段的施工效果非常显著。如图4-2。
为了防止泥浆药剂里的固体颗粒进入到仪器内部, 在每次加单根时都要在钻杆母扣里放上匹配的滤网, 以防干扰仪器正常工作。
稳斜井段长, 在该井段测量时易发生卡钻事故, 如遇卡反应小可上下反复活动钻具, 活动开后进行测量作业, 如反应大测量, 确保安全测量。
5 认识与建议
(1) 地热井设计轨迹要简单。采用柔性定向钻具组合能够合理的解决不加润滑剂克服磨阻的作用。
(2) 通过该井的施工从中了解到了该区块地层倾角的变化规律, 今后针对类似井时能够更好的利用自然的地层优势, 结合先进的定向技术进行地热井定向井的施工
(3) 在定向段优选PDC钻头可以提高机械钻速, 减少平凡跟换钻头所消耗的时间。
摘要：随着从环保角度出发, 新能源的有效合理利用, 地热需求市场的不断扩展, 六普钻井分公司为了提高地热资源的有效产能, 不断的加大地热井水平位移来提高采收率。依靠现在不断成熟钻井施工工艺, 在此区块采用定向井工艺来满足市场的需求, 本文针对地热定向井的一些工艺和施工措施做出了一些阐述。
关键词：地热井,定向井,钻具组合,施工措施
参考文献
[1] 李小军.《河北信誉家园2井工程设计》, 2014.10.
[2] 李安宁, 孙友宏, 彭新明.北京地区地热井钻探技术[J].探矿工程 (岩土钻掘工程) , 2001. (5) .