和國磊，宋志彬，胡志興，許本沖，馬漢臣，陳浩文，杜垚森

(1.中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北 邢臺 054000)

0 引言

CGSD-01井是由中國地質(zhì)調(diào)查局部署并組織實施的一口水熱型地熱資源調(diào)查井，旨在揭示天津典型地區(qū)的深部熱儲的空間分布形態(tài)特征，查明地熱資源潛力及可利用性，解決深部地熱熱源機制等基礎(chǔ)地質(zhì)問題，評價深層地熱資源及其可利用性。通過實施鉆探工作，獲取了天津地區(qū)典型熱儲層的巖心、巖屑等實物資料，結(jié)合地球物理測井，對工作區(qū)的深部熱儲分布有了新的認識。完井后進行抽水試驗，獲得了高溫大流量穩(wěn)定熱流體，為進一步推動京津冀地區(qū)清潔能源深層次開發(fā)起到了引導和示范作用。

CGSD-01井設(shè)計完鉆井深4000 m，完鉆目的層為中元古界薊縣系霧迷山組二段。實際完鉆深度4051.68 m，終孔直徑216 mm，自第四系以下每100 m取心1回次，共獲取巖心140.78 m。該井是迄今為止天津地區(qū)最深的地熱井。通過優(yōu)化鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理選用鉆井工藝，解決了漏失地層鉆進、裂隙發(fā)育地層取心等技術(shù)問題，同時完成了新技術(shù)、新裝備的應(yīng)用示范。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

工作區(qū)所處大地構(gòu)造位置為華北準地臺(Ⅰ)-華北斷坳(Ⅱ)-滄縣隆起(Ⅲ)-潘莊凸起(Ⅳ)的中部東側(cè)。華北斷坳時華北準地臺的二級構(gòu)造單元，是新生代以來的裂陷區(qū)。滄縣隆起位于冀中坳陷東側(cè)，西以第三紀缺失線為界，東以滄東斷裂[1]為界，與黃驊坳陷為鄰。潘莊凸起位于滄縣隆起北段，北以寧河-寶坻斷裂為界，西以天津北斷裂與武清凹陷為鄰，東以滄東斷裂為界。主要由中、上元古界和古生界組成，缺失中生界和下第三系[2]。本井主要受滄東斷裂影響。新生界地層較穩(wěn)定，古生界地層漏失情況較多，中、新元古界地層裂隙較發(fā)育。地層壓力為正常地層壓力，約以1.0 MPa/100 m遞增。

1.2 地層

本區(qū)屬于新生代沖積平原，地層從新到老為：新生界(第四系和新近系)、古生界(奧陶系和寒武系)、中新元古界(青白口系和薊縣系)[3],鉆遇地層簡表如表1所示。

表1 鉆遇地層簡表Table 1 Brief drilled formation

第四系地層巖性主要為沖洪積相粘土，與下伏地層明化鎮(zhèn)組整合接觸。

新近系明化鎮(zhèn)組上段巖性以砂巖為主，主要為灰色、灰綠色砂巖夾雜色泥巖呈不等厚互層，下段巖性以泥巖為主，與灰綠、灰白色細砂巖互層，與下伏地層館陶組整合接觸。館陶組巖性以粉砂巖、礫砂巖為主，地層整體較堅硬，性脆，可鉆性差，鉆進過程中伴隨有劇烈跳鉆。

寒武系張夏組巖性以灰白、灰、淺綠灰、灰褐色灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r為主，與下伏饅頭組為連續(xù)沉積。饅頭組以紫灰、灰紫色泥、頁巖為主，夾多層灰色條帶狀泥灰?guī)r、鮞?；?guī)r，致密，堅硬，可鉆性差。昌平組上部為肉紅色、白色白云質(zhì)灰?guī)r，地層有漏失；下部為灰褐色，少量灰白色白云質(zhì)灰?guī)r，含較多的泥質(zhì)灰?guī)r。昌平組裂隙發(fā)育，鉆遇時出現(xiàn)泥漿漏失。

青白口系景兒峪組巖性為泥灰?guī)r和含泥含白云質(zhì)的灰?guī)r。地層上部硬度大，可鉆性差，下部硬度較小，并見有較多的方解石裂隙充填物。龍山組為一套砂、泥巖和頁巖的組合，上部為灰綠色、灰紫色頁巖；中部為灰綠色海綠石石英砂巖；下部為較純的灰綠色、白色中粗砂巖，夾砂礫巖，致密，堅硬，可鉆性差。

薊縣系霧迷山組巖石組合為一套富鎂碳酸鹽巖，巖性主要為白云巖、燧石條帶白云巖、硅質(zhì)白云巖、夾2～5層棕紅、紫紅色泥巖和頁巖，地層研磨性強。

1.3 熱儲層特征

工作區(qū)內(nèi)從上到下發(fā)育有5個熱儲層：新近系明化鎮(zhèn)組，新近系館陶組，奧陶系、寒武系昌平組，薊縣系霧迷山組。其中新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組熱儲層為孔隙型熱儲，奧陶系、寒武系和薊縣系霧迷山組熱儲層為巖溶裂隙型熱儲[4]。本井目的層為薊縣系霧迷山組熱儲層。該熱儲層巖性以白云巖為主，巖溶裂隙較發(fā)育，富水性強，是本區(qū)主要的基巖熱儲層。

2 井身結(jié)構(gòu)

CGSD-01井設(shè)計完鉆井深4000 m，完鉆層位預測為薊縣系霧迷山組二段[5]。由于鉆井中不可預見的因素較多，實鉆中地質(zhì)情況與預計有一定差別，存在易漏、易坍塌等復雜情況。因此，確定井身結(jié)構(gòu)時應(yīng)充分考慮地層和壓力可能的變化，選擇的套管程序應(yīng)為各開次鉆井安全留有余地，以保證完成鉆探目的。CGSD-01井實際井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CGSD-01井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Casing program of Well CGSD-01

本井上部地層不穩(wěn)定，易漏、易坍塌。第四系粘土、砂質(zhì)粘土和明化鎮(zhèn)組上段膠結(jié)不完全的砂泥巖厚度較大，易垮塌。由于設(shè)計深度較大，為保障鉆井安全，為后續(xù)施工留有鉆探口徑，一開井段盡量要長。一開?444.5 mm鉆至館陶組底部，下入?339.7 mm表層套管作為泵室段，同時封隔上部易垮塌地層。

二開?311.2 mm正常鉆進至揭露霧迷山組地層后結(jié)束，下入?244.5 mm套管，封隔寒武系、青白口系易漏失地層。

三開?215.9 mm鉆遇霧迷山組地層漏失嚴重，應(yīng)注意堵漏、防塌；如堵漏效果不理想，可考慮氣舉反循環(huán)鉆進和泥漿正循環(huán)取心鉆進多種工藝施工[6]。三開全井段?215.9 mm鉆至終孔，下入?177.8 mm套管和篩管。

3 設(shè)備選型

本井二開以淺使用4000 m巖心鉆機(XD-40型)進行應(yīng)用示范(如圖2所示)。后期鉆井施工選用寶雞石油裝備有限公司生產(chǎn)的ZJ40型鉆機(如圖3所示)。2臺設(shè)備主要性能如表2所示。

圖2 XD-40型鉆機Fig.2 XD-40rig

圖3 ZJ40型鉆機Fig.3 ZJ40rig

表2 2種鉆機主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of two rigs

4 鉆井工藝

4.1 一開井段

一開鉆具組合：方鉆桿+?127 mm鉆桿+?178 mm鉆鋌(6根)+?203 mm鉆鋌(4根)+?445 mm三牙輪鉆頭。

鉆進參數(shù)：轉(zhuǎn)速50～70 r/min，鉆壓30～50 kN，排量30～36 L/s，泵壓3.5～6 MPa。

一開完鉆原則為鉆穿館陶組底部。0～1460 m為第四系，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組地層。地層以粘土、粉砂巖、砂礫巖為主，鉆進時采用大泵量，小鉆壓吊打鉆進工藝[9]。一開完鉆后下入?339.7 mm套管，管外環(huán)空用水泥封固。

4.2 二開井段

二開鉆具組合：方鉆桿+?127 mm鉆桿+?178 mm鉆鋌(6根)+?203 mm鉆鋌(4根)+?311 mm三牙輪鉆頭(PDC鉆頭)。

鉆進參數(shù)：轉(zhuǎn)速50～80 r/min，鉆壓40～70 kN，排量30～36 L/s，泵壓6～7.5 MPa。

二開完鉆原則為鉆遇霧迷山組。1460～2262 m為寒武系張夏組、饅頭組、昌平組，青白口系景兒峪組、龍山組地層。地層以泥巖、灰?guī)r、頁巖、砂巖、白云巖為主，地層互層變化頻繁。鉆進時采用大泵量，小鉆壓吊打鉆進工藝。二開完鉆后下入?244.5 mm套管，管外環(huán)空用水泥封固。

4.3 三開井段

三開鉆具組合：方鉆桿+?127 mm鉆桿+?159 mm鉆鋌(15根)+?172 mm螺桿+?216 mm三牙輪鉆頭。

鉆進參數(shù)：轉(zhuǎn)速20 r/min(轉(zhuǎn)盤)，鉆壓30～50 kN，排量18～22 L/s，泵壓11～13 MPa。

三開完鉆原則為進入霧迷山組二段。2262～4051.68 m為薊縣系霧迷山組，地層以白云巖為主。采用螺桿馬達+三牙輪鉆頭鉆進，通過提高鉆速，減少泥漿對儲層的侵入，保護儲層。三開完鉆后下入?177.8 mm套管及篩管組合，篩管位于霧迷山組二段取水段。在霧迷山組三段及二段分界面進行選擇性固井，固井采用正注反擠[10]的方式分隔下部霧迷山組三段及二段，同時封隔上部套管重疊段。

5 施工難點及應(yīng)對措施

施工過程中遇到大直徑套管下入安全系數(shù)不足、多處地層漏失、裂隙發(fā)育地層巖心采取率低等問題。通過采用浮力法下管，多種堵漏工藝，改進復雜地層取心工藝等措施解決了施工過程中的問題。

5.1 一開下套管安全系數(shù)不足

本井在一開施工階段選用的XD-40型鉆機的最大鉤載1350 kN，一開套管下入深度1463.67 m，套管懸重1327.8 kN，接近設(shè)備許用最大鉤載。下管時套管與孔壁的摩阻較大，鉆機處理事故能力儲備不足，下套管作業(yè)存在安全風險。同時該井在一開下套管過程中需要在套管外壁隨套管下入分布式測溫光纜，下入深度1000 m，在下套管過程中如果出現(xiàn)光纜損傷或信號異?，F(xiàn)象，受設(shè)備能力限制，無法將套管提出。

采用浮力法下入一開套管。一開井內(nèi)泥漿密度為1.20 g/cm3，套管浮重為1118 kN。經(jīng)計算允許套管內(nèi)泥漿液面比套管外環(huán)空泥漿液面高度低值為416.7 m，取值400 m，即套管內(nèi)掏空長度400 m，計算出套管浮重737 kN。滿足XD-40型鉆機的安全載荷。套管下入過程中，控制下放速度，避免沖擊載荷，每下入10根套管，向套管內(nèi)灌注泥漿5～6 m3，當套管下至1065 m時，停止注入泥漿。下入到設(shè)計深度時套管懸重742 kN，與設(shè)計吻合。

下管過程中，利用浮鞋、浮箍的單向通過性產(chǎn)生浮力。浮鞋接在套管柱末端，起引鞋和回壓凡爾的作用。浮箍接在距套管柱末端20～30 m處，起承托環(huán)和回壓凡爾的作用以減輕套管浮重。浮箍、浮鞋要求能夠承受掏空長度套管柱與井壁產(chǎn)生的反向壓差[11]，管串中選用鋁合金式浮箍、浮鞋，可保證實現(xiàn)反向壓力承托，且具有良好的可鉆性。

下入一開套管過程中同時在一開套管外下入分布式光纖，由于鉆機能力不足，不允許下管過程中上提套管。因此在一開鉆進結(jié)束后使用多種鉆具組合通井，保證井眼的規(guī)則、順暢。通井分別采用原鉆具組合通井、雙扶正器通井、套管串通井。下入套管前向孔內(nèi)注入水基潤滑劑，降低下套管時的摩阻。

5.2 地層漏失

本井鉆遇的寒武系、青白口系及薊縣系地層多漏失。主要漏失層位為館陶組底部、昌平組、霧迷山組。館陶組底部主要巖性為雜色礫巖，膠結(jié)性較差，鉆至1435.95～1460.67 m，泥漿消耗量為2～3 m3/h。昌平組主要巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，該地層巖溶裂隙發(fā)育，連通性好[12]，1966～1996.05 m處多次出現(xiàn)失返性漏失。三開井段薊縣系霧迷山組主要巖性為白云巖，巖溶裂隙發(fā)育，2262～4051.68 m鉆進過程中一直伴有漏失，泥漿消耗量3～10 m3/h。

5.2.1 館陶組地層漏失(1435.95～1460.67 m)

館陶組漏失多發(fā)生在館陶組底部，該地層由砂礫巖組成，膠結(jié)疏松，孔隙發(fā)育，滲透性好，泥漿易向地層中滲透。鉆遇該漏失地層時，鉆速加快。主要處理方法：(1)漏失量不大時，加入隨鉆堵漏劑堵漏；(2)鉆穿過該漏失地層后，起鉆靜止堵漏。

本井一開新近系館陶組底部鉆進過程出現(xiàn)漏失。由于對漏失有預判，進入館陶組底部之前，在泥漿中加入隨鉆堵漏材料[13]，控制漏失速度，穿過館陶組底部礫巖后，采用復合堵漏劑進行堵漏，將9%粘土+1%復合堵漏劑+0.07%純堿+0.02%CMC，配置成粘度45 s堵漏泥漿，注入井底，隨后提鉆，靜置后堵漏完成。處理漏失時采用的堵漏材料要求有足夠的水穩(wěn)定性、粘滯性和一定的強度。復合堵漏劑為不同粒徑的剛性顆粒、柔性顆粒、纖維物質(zhì)、片狀物質(zhì)按一定比例混合而成的物質(zhì)，能迅速形成具有一定強度的非滲透性屏蔽帶阻止泥漿中的液、固相侵入儲層，對封堵漏失性地層效果較好。

5.2.2 昌平組地層漏失(1966～1996.05 m)

昌平組地層由灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及少量頁巖組成。該地層由灰?guī)r、方解石等沉積顆粒形成原生孔隙和成巖作用與構(gòu)造形成的溶孔、裂縫等構(gòu)成漏失通道，極易發(fā)生失返性漏失[14]。昌平組漏層暫堵成功后由于承壓力不足，導致下部發(fā)生漏失時井內(nèi)液柱“激動”壓力變化反復打開上部漏點的現(xiàn)象。主要處理方法：(1)添加堵漏劑；(2)頂漏鉆進；(3)水泥封固。

二開基巖地層鉆進中，遇寒武系昌平組發(fā)生漏失，瞬間失返。漏失后，第一時間進行堵漏，主要采用復合堵漏劑進行堵漏，9%粘土+1%復合堵漏劑+0.07%純堿+0.02%CMC。暫堵后，泥漿建立循環(huán)，之后泥漿中加入單向壓力封堵劑，隨鉆隨堵，漏失量逐步減小。由于寒武系鉆遇大段漏層，泥漿數(shù)次失返，造成先期封堵地層反復打開，采用橋塞堵漏劑多次封堵，效果不理想。隨后1966～1996.05 m頂漏鉆進，穿過該漏失地層段后，用325號水泥配置早強劑，調(diào)整密度至1.65 g/m3進行封固，堵漏成功。本井昌平組堵漏采用了多種方法，效果對比如表3所示。

表3 昌平組堵漏方法效果對比Table 3 Comparison of leak sealing methods in Changping Formation

5.2.3 霧迷山組地層漏失(2262～4051.68 m)

霧迷山組主要是由白云巖組成的碳酸鹽巖地層，孔洞性裂隙發(fā)育，連通性好。且裂縫的形態(tài)各異，分布和發(fā)育非常不均勻。由于該地層屬于區(qū)域主要熱儲層，出于保護儲層的目的，處理該地層漏失時不宜采用水泥封固。主要處理辦法：(1)漏失量較小時頂漏鉆進，及時補充泥漿，利用巖屑進行堵漏；(2)適當添加堵漏劑進行堵漏，保障泥漿建立循環(huán)，將巖屑帶出；(3)如鉆遇失返性漏失，可使用清水鉆進，條件允許時采用反循環(huán)鉆進工藝。

本井三開鉆遇霧迷山組地層時未見失返性漏失，但一直伴有漏失現(xiàn)象，漏速1～8 m3/h。根據(jù)漏失大小，主要采用復合堵漏劑和單向封堵材料進行適當堵漏，建立泥漿有效循環(huán)，防止漏失過大，影響巖屑上返。單向封堵劑和復合堵漏劑形成的非滲透性屏蔽帶可使儲層免受損害，后期通過洗井、射孔等手段可將該屏蔽帶解除。完井后進行洗井作業(yè)，水量良好，堵漏劑未對儲層產(chǎn)生不良影響。

5.3 裂隙發(fā)育地層取心

按地質(zhì)設(shè)計要求，CGSD-01井每100 m取心1次。本井在霧迷山組有大量取心工作，鉆孔孔位接近滄東斷裂，根據(jù)采取的巖心及巖屑，在鉆遇的霧迷山組時存在多層不等厚擠壓帶，地層裂隙較為發(fā)育，取心難度較大。

由于霧迷山地層裂隙發(fā)育，鉆進過程中受地層裂隙影響，井眼軌跡不規(guī)則，取心時巖心受垂直方向重力作用，同時還受到鉆具擺動的影響，加之鉆頭在碎巖過程中對巖心的擾動，導致巖心破碎加劇及楔形斷面之間壓、扭、摩擦等，造成堵心，回次取心長度短，巖心采取率不高。

為提高巖心采取率，對取心工藝進行了如下改進：

(1)優(yōu)選取心鉆頭。選用不同形式取心鉆頭進行試驗，包括表鑲金剛石取心鉆頭、孕鑲金剛石取心鉆頭、PDC取心鉆頭等。分別使用脊鑲式布齒聚晶金剛石鉆頭(IC379)、KT系列孕鑲金剛石取心鉆頭(KT216)、八刀翼小切削齒PDC取心鉆頭進行取心鉆進。3種類型鉆頭的機械鉆速、巖心采取率對比如表4所示。實踐證明，使用PDC鉆頭可提高機械鉆速，小直徑復合片(直徑6～8 mm)可減小碎巖對巖心的破壞，因此八刀翼小切削齒PDC鉆頭對裂隙發(fā)育的白云巖地層的適應(yīng)性較好。

表4 3種取心鉆頭應(yīng)用情況Table 4 Application of several coring bits

(2)采用孔底動力鉆具取心。霧迷山組取心過程中多次發(fā)生堵心。其原因主要是霧迷山組地層以白云巖為主，地層裂隙發(fā)育且具有晶體雜質(zhì)填充，巖石沿裂隙紋理易破碎。鉆具稍有彎曲容易導致巖心在鉆頭處斷掉，造成堵心。通過提高轉(zhuǎn)速，加快鉆頭切入地層速度，使得巖心能夠在較短的時間進入取心筒。同時，取心鉆進的過程中要盡量減小鉆頭橫向作用力和鉆柱的離心力。使用孔底動力鉆具可實現(xiàn)提高鉆頭轉(zhuǎn)速[15]，同時減小鉆頭的橫向力及鉆柱的離心力。

先后應(yīng)用KT-194系列取心鉆具、川83系列取心鉆具配合5LZ172×7Y螺桿馬達進行取心作業(yè)?？椎足@頭的轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)盤驅(qū)動時的50 r/min提高到110 r/min ，取心長度明顯增加，取心率顯著提高。本井取心過程中，泥漿排量選擇即要考慮泥漿的攜巖能力問題，也要考慮驅(qū)動井下動力鉆具高速自轉(zhuǎn)給巖心帶來的擾動。螺桿馬達驅(qū)動鉆具時，鉆壓控制在40～60 kN，排量控制在10～20 L/s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速12～20 r/min 。以八刀翼小切削齒PDC取心鉆頭為例，不同驅(qū)動方式的取心情況對照如表5所示。應(yīng)用結(jié)果表明，取心鉆進時使用螺桿馬達取心鉆具，可顯著提高單次取心長度和巖心采取率。

表5 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動及螺桿驅(qū)動取心情況對照Table 5 Comparison of coring results between the rotary table drive and mud motor drive

6 洗井及抽水試驗

6.1 洗井

洗井是地熱井成井工藝中的一個重要環(huán)節(jié)。本井采用多磷酸鹽洗井、壓縮空氣洗井、水泵抽水洗井的組合方式洗井。

首先進行多磷酸鹽洗井。本井洗井采用的多磷酸鹽為焦磷酸鈉。將鉆桿下放至井底，通過泥漿泵將調(diào)配的焦磷酸鈉溶液(濃度0.8%)共計11.27 m3輸送至指定井段(3715～4051.68 m)浸泡7 h，使附在井壁上不易脫落的泥皮脫落，而后用清水沖洗，直到水清砂凈。其次采用壓縮空氣震蕩洗井，下入633 m鉆桿，將壓縮空氣注入井內(nèi)，氣體托舉水柱上升，達到臨界值時，水柱噴出井筒，井內(nèi)瞬間形成負壓[16]。下部出水段在負壓的作用下將地層中的巖屑等雜物吐出，達到洗井的目的。壓縮空氣洗井共進行36 h。最后采用水泵抽水洗井，選擇揚程190 m，排量130 m3/h熱水泵進行抽水洗井，將地層中熱水抽出，同時地層中的熱水補給到井筒中，達到洗井目的。多種洗井方式進行組合洗井，有利于排除進內(nèi)泥漿和沉淀物，彼此可以揚長補短，改善單獨洗井辦法的效果。

6.2 抽水試驗

本井進行單井穩(wěn)定流抽水試驗。在進行正式抽水試驗前，以抽水設(shè)備能力作一次最大降深抽水試驗。通過試抽水，合理選擇水位的降深。試抽工作結(jié)束后，待水位恢復至靜止水位，進行正式抽水試驗。抽水用揚程190 m、排量140 m3/h的井用熱潛水泵進行抽水試驗，水位測量采用萬用表、測線測量，水量采用堰測法測量。抽水試驗正式抽水做3次降深的穩(wěn)定流抽水試驗，本井3個降次抽水試驗的出水量分別為130.2、94.5、43.9 m3/h；井口出水水溫分別為98.5、98.5、94 ℃。

7 結(jié)語

(1)基巖地熱井大多采用152 mm口徑裸眼完井。在地質(zhì)條件復雜的基巖地層中宜增大終孔直徑，采用篩管完井。這樣既可保證采水段孔壁的穩(wěn)定性，又可保留足夠的泄流面積，同時為鉆探工作預留事故處理口徑。

(2)工作區(qū)昌平組為含水層，地層大多漏失嚴重，在該層位進行堵漏工作造成了很大的困擾，如：水泥封固水泥層薄，強度不夠；橋塞封堵極易打開等。堵漏施工往往不可能一次成功，需要仔細分析漏層位置，采用多種方法進行堵漏[17]。

(3)井下動力鉆具位置更接近鉆頭，在深井取心作業(yè)中能降低鉆具高速旋轉(zhuǎn)過程中對巖心的擾動，對提高巖心采取率具有較好的效果。

(4)通過對薊縣系霧迷山組二段熱儲層的抽水試驗，證實天津地區(qū)主力開采層以深存在高產(chǎn)能的熱儲層。