洪 毅， 鄭興華， 張所邦， 譚建國， 雷祝蓉， 葉輝兵， 陳 程， 周鵬飛

(湖北省地質局 第七地質大隊,湖北 宜昌 443000)

中國具有豐富的可開發(fā)地熱資源，據估算，淺層地熱資源量可折合7億t標準煤，水熱型地熱資源量可折合12 500億t標準煤，干熱巖遠景資源量可折合856萬億t標準煤[1-2]。目前開發(fā)利用的地熱資源以水熱型地熱為主[3]。地熱資源的獲取依賴于地質、物探、鉆探等技術手段的應用，其中鉆探是最為直觀的手段之一[4-7]。隨著一些新型破巖方法等新技術、新工藝[8-11]的提出和使用，進一步提高了地熱井的鉆探質量、效率和成功率。

恩施地處湖北省西南部，所處的恩施盆地具有良好的水熱型地熱資源成礦條件[12]。2019年，恩施州人民政府與湖北省地質局決定在恩施地區(qū)合作開展地熱資源專項調查工作，并確定在恩施市龍鳳鎮(zhèn)小龍?zhí)洞宀渴鹨豢诘責峋鳠?井。該井于2020年9月25日開鉆，2021年1月5日完鉆，經抽水試驗，日涌水量達700 m3，井口出水溫度最高達44.2℃，且含豐富的礦物質成分，達到理療地熱水標準，水溫、水量、水質均滿足商業(yè)開發(fā)利用。

恩熱1井是恩施州首口大口徑中深層地熱井，其成功實施具有很強的工程示范意義。本文在分析該井技術難點基礎上，總結鉆探工藝技術方法和施工過程，形成針對深層、高溫和硬質地層的高效鉆探技術方案，為區(qū)域地熱資源開發(fā)中鉆探方案優(yōu)選和技術攻關提供借鑒。

1 鉆井概況及技術難點

恩熱1井位于恩施市城區(qū)，恩施盆地北部的小龍?zhí)兑粠?。恩施盆地為一近南北向延伸的條帶狀盆地，盆地內海拔高程為430～500 m。盆地內主要出露下奧陶統(tǒng)婁山關組—中三疊統(tǒng)巴東組、上白堊統(tǒng)跑馬崗組和第四系地層。構造線總體呈NNE向展布，發(fā)育恩施大斷裂和黃巖路向斜、白果壩背斜、高橋壩向斜、慶陽壩背斜等褶皺。恩熱1井位于恩施大斷裂東側和白果壩背斜北東段，因此該井所處位置具有復雜的地質條件。

恩熱1井設計井深2 000 m，鉆探目的是基本查明工作區(qū)地層巖性、構造等地質特征，確定熱儲層、蓋層、導水與控熱構造發(fā)育情況，鉆獲有開發(fā)價值的地熱水，并對地熱水資源的開發(fā)潛力、對周邊地熱井的影響及環(huán)境影響進行評價。該井最終終孔深度為2 000.05 m，鉆遇白堊系、志留系、奧陶系和寒武系地層(表1)，其中奧陶系和寒武系地層為該井探索的主要熱儲層。

表1 恩熱1井地層信息Table 1 Stratigraphic information of Enre 1 well

在鉆探過程中經常遇到各種技術問題，主要存在的難點如下：

(1) 對鉆井沖洗液性能要求高。540 m以淺地層主要為中—厚層狀細砂巖、含礫細砂巖，碎屑粒度大小混雜，并為鈣質膠結。790 m以淺含有多層炭質泥巖、炭質頁巖。地層易水化膨脹、縮徑等情況均有發(fā)生。

(2) 地層復雜，井壁穩(wěn)定性差。該井為區(qū)域性探采結合井，沒有實物鉆探資料可供比對。同時該井受恩施大斷裂影響，巖體較破碎，井壁穩(wěn)定性差，出于對熱儲層的保護要求，限制了某些帶有封堵性材料的使用，容易造成坍塌掉塊，極易引發(fā)井內事故。

(3) 取心難度大。取心位置為泥頁巖層段，地層容易引起“打滑”，井壁容易水化剝落[13]。加之該地區(qū)沒有大口徑取心案例,無經驗方法可供借鑒，造成在某些井段取心較困難。

2 鉆探工藝技術

2.1 主要設備

恩熱1井鉆探作業(yè)的主要設備包括DB3500型電動水源鉆機，JJ135/31-K型井架，F-500泥漿泵，630 kVA變壓器，QXZ172-101型和DZ-146型取心鉆具，配備ZS/Z-1型直線振動篩、CSQ-150型和LW450×1 000-N2型離心機等固控設備。

2.2 井身結構設計

該井身結構依據工作區(qū)的地質構造特征進行設計。該井在0～100.88 m一開井段穿越強風化帶和淺含水層，下入Φ339.7 mm表層套管。在100.88～935.00 m二開井段穿越炭質泥巖段，有縮徑現象發(fā)生，經過測井數據顯示該段溫度不理想，因炭質泥巖容易對水質產生影響，遂在該井段下入Φ244.5 mm技術套管。在935.00～1 861.86 m三開井段，井內發(fā)生明顯垮孔掉塊現象，伴隨卡鉆現象的發(fā)生，通過測井數據顯示，推測該段為斷層帶，遂于該井段下入Φ177.8 mm花管和實管交叉連接的生產套管。鑒于保障水溫水量和設置沉砂段的要求，在1 861.86～2 000.05 m四開井段采用Φ152.4 mm鉆頭鉆至完井，四開為裸孔。恩熱1井實際井身結構如圖1所示。

圖1 恩熱1井實際井身結構圖Fig.1 Actual well bore structure diagram of Enre 1 well

2.3 取心工藝及鉆進技術參數

2.3.1取心工藝

該井要求階段性取心。二開采用QXZ172-101型取心工藝取心，取心結束后采用Φ311.1 mm鉆頭擴孔。該取心工具利用巖心爪與巖心之間的摩擦力，使得巖心爪收縮包心實現割心，一般適用于中硬—硬地層或成巖性較好的軟地層取心。因為該井為區(qū)域性探采結合井，無相應取心經驗供參考，為了規(guī)避堅硬地層取心困難問題，本次施工期間同時配備了DZ-146型取心鉆具作預備，該鉆具采用金剛石鉆頭，口徑更小。

2.3.2鉆進施工技術參數

一開鉆具組合：Φ444.5 mm鉆頭+變徑接頭+Φ203 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。一開的重點是防斜，該段井身質量情況很大程度上決定了整口井的井身質量。由于上部巖性為細砂巖夾石英砂巖、礫巖，鉆進速度較快，容易引發(fā)井斜問題的發(fā)生，因此一開采用塔式鉆具組合防斜，有效規(guī)避了井斜問題的發(fā)生。同時該井嚴格控制測斜間距，使用施工單位自行改進研發(fā)的KXP-3D型連續(xù)測斜儀加密單點間距，及時跟蹤井斜并調整鉆進參數，始終將井斜控制在規(guī)范要求范圍內。

二開鉆具組合：Φ311.1 mm鉆頭+變徑接頭+Φ203 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。二開井段上部巖性主要為粉砂質頁巖、水云母頁巖、粉砂巖，下部巖性為炭質泥巖夾炭質頁巖、泥質灰?guī)r，易發(fā)生縮經問題。該段的重點除了防止井斜外，還要抓好鉆井沖洗液性能控制，防止井壁失穩(wěn)坍塌、掉塊等，以免引發(fā)卡鉆、埋鉆事故。

三開鉆具組合：Φ215.9 mm三牙輪鉆頭+變徑接頭+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿和Φ215.9 mm PDC鉆頭+Φ172 mm螺桿鉆具+Φ178 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。三開地層上部為灰?guī)r，下部為中—厚層狀結晶白云巖、薄—中層夾厚層狀白云巖，地層較為穩(wěn)定，是提高鉆進效率的主要階段。該井段采用兩種鉆具組合，依據實際井斜和鉆進效率變化情況及時調整鉆進工藝。

四開鉆具組合：Φ152.4 mm PDC鉆頭+變徑接頭+Φ121 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ89 mm鉆桿。該井段主要為沉砂段，采取祼孔鉆進(表2)。

表2 鉆進參數Table 2 Drilling parameters

2.4 鉆頭選擇

井深935.00 m以上井段分別選用Φ444.5 mm LS517G型三牙輪鉆頭、Φ311.1 mm LS517G型三牙輪鉆頭、121/4HAT127型鋼齒鉆頭，配備了Φ216 mm復合片鉆頭和特制Φ152 mm金剛石鉆頭(圖2)用于取心。935.00～2 000.05 m井段選用Φ216 mm LS1663型5刀翼PDC鉆頭和LS537G型三牙輪鉆頭，同時配備了Φ152.4 mm LS1654型5刀翼PDC鉆頭。在鉆頭的選擇上，由于缺乏區(qū)域鉆探實物資料的參考，該井在各開次備足備全了各類鉆頭，以減少停等和輔助時間[14-15]。

為了分析選用鉆頭的合理性，對其進行仿真計算[16-17]，得到PDC鉆頭鉆進過程中的巖石Mises應力云圖(圖3)。從圖3可以看出，巖石的最大Mises應力值通常出現在與PDC鉆頭切削齒接觸的單元體上，隨著PDC鉆頭切削深度的增加，巖石中的Mises應力呈現先增大后略有減小的趨勢，說明較大的切削深度有利于提高PDC鉆頭的破巖效率。然而，在實際工程應用中，考慮到地層的非均質性、破巖工具工作條件的波動會對PDC鉆頭產生影響，如果切削深度過大，PDC鉆頭可能會因承受過大的沖擊載荷而損壞，因此在實際應用中應采取一些必要措施控制PDC鉆頭的切削深度。

圖2 取心鉆頭Fig.2 Coring bit

圖3 PDC鉆頭井眼形成過程和巖石Mises應力云圖Fig.3 Formation process of PDC bit borehole andMises stress contour of rock

本文選用8 mm復合齒鉆頭進行仿真分析，齒的前角為20°，齒倒角為45°，倒角半徑為0.5 mm。在模擬過程中，切削深度分別取1.5、2和2.5 mm，圖4顯示了切削過程中PDC鉆頭齒上的接觸壓力分布情況。從圖4可以看出，隨著切削深度的增加，PDC鉆頭齒上的接觸壓力逐漸增加，在接觸邊緣產生較大壓力。這是因為隨著切削深度的增加，切削齒與巖石之間的接觸面積增大，巖石對切削齒阻力也增大。同時，齒上的切削力、摩擦阻力和系統(tǒng)的總能量也逐漸增加。切削過程中，切削力和摩擦阻力應力值波動情況符合脆性材料的基本特性。當切削深度相對較小時，主要產生擠壓破碎的粉末碎片，此時切削力的最大變化不明顯，波動趨勢也不是很明顯。當切削深度增加時，大多數切削過程會產生大顆粒塊狀斷屑，此時隨著大顆粒切屑的產生，切削力將大幅波動，同時巖石材料的不均勻性也使切割過程變得不穩(wěn)定。

2.5 鉆井沖洗液技術

一開施工難點為該井段地層膠結性差，巖質疏松；含流砂層、礫石層井壁不穩(wěn)定，易坍塌掉塊，滲透率高易漏失，鉆井沖洗液消耗量大，因此采用不分散體系。二開、三開、四開施工難點為該井段泥頁巖造漿縮徑、斷裂帶坍塌和掉塊問題，因此采用聚合物防塌體系。鉆井沖洗液配方及性能如表3、表4所示。

圖4 不同切削深度時PDC鉆頭齒上壓力分布Fig.4 Pressure distribution on PDC bit teeth at different cutting depths

表3 鉆井沖洗液配方Table 3 Drilling fluid formulation

表4 鉆井沖洗液性能Table 4 Drilling fluid performance

在鉆進過程中，鉆井沖洗液施工堅持做好以下幾項重點工作：

(1) 鉆進過程中，加強固控設備的管理及使用，保證三級固控設備性能穩(wěn)定，從設備上控制鉆井沖洗液性能。

(2) 嚴格堅持2 h/次的鉆井沖洗液性能監(jiān)測，及時掌握鉆井沖洗液性能變化，注意及時添加處理劑，調整鉆井沖洗液性能。

(3) 泥漿鉆進過程中，保持鉆井沖洗液低失水、低摩阻、抑制能力強，以及良好的流變性；嚴格控制鉆井沖洗液密度，保證安全快速鉆進。

(4) 多與地質技術人員溝通，及時、全面收集地層巖性和特點，提前預測下部地層情況，以便提前調整鉆井沖洗液性能。

3 應用效果

恩熱1井共施工102 d，完鉆井深2 000.05 m，鉆進時效為1.74 m/h。鉆探施工達到了設計目的和要求，最終施工效果如下：

(1) 井身結構。恩熱1井按探采結合井設計，井身為四開結構，一開孔徑Φ444.5 mm，孔深100.88 m；二開孔徑Φ311.1 mm，孔深935.00 m；三開孔徑215.9 mm，孔深1 861.86 m；四開孔徑Φ152.4 mm，孔深2 000.05 m。各井段按設計施工，滿足取樣、測井、完井和未來開采要求。

(2) 鉆井沖洗液體系。有效抑制了泥頁巖段的分散坍塌，控制住了540 m以淺易水化分散地層，保證了巖屑樣錄取。巖屑采樣及時，標識醒目；巖性描述仔細，地層層位判斷準確；樣品采集足量，保管妥當(圖5)。

圖5 鉆井沖洗液體系在復雜地層的運用成果Fig.5 Application of drilling fluid system in complex formation

(3) 孔深與孔斜。根據項目設計要求，每鉆進100 m提鉆校正一次孔深，鉆進深度符合設計要求。即對井斜進行測量檢查，終孔后通過專業(yè)測井測得全孔平均井斜1.68°，成井井身質量符合《地熱鉆探技術規(guī)程》(DZ/T 0260—2014)[18]和《水文水井地質鉆探規(guī)程》(DZ/T 0148—2014)[19]等規(guī)定。

(4) 抽水試驗。成井后開展了3次降深的穩(wěn)定流抽水試驗，最大降深460 m，最高水量700 m3/d，水溫>42℃，結果表明單井出水量滿足設計預期，符合規(guī)范要求，預期能取得良好的社會效益和經濟效益。

4 結論

(1) 恩熱1井主要存在鉆井沖洗液性能要求高、取心難度大、井壁穩(wěn)定性差等技術難點，施工過程中結合地熱井井段的地質特點，選擇合適的鉆井沖洗液體系，開展高頻次的鉆井沖洗液性能測試，及時調整鉆井沖洗液性能；選擇合適的取心鉆頭，配備充足的各類鉆頭，提高巖性采取率和鉆進效率；合理設計井身結構，選用合適的鉆井設備，提高鉆探效率和成井質量。

(2) 考慮到地層的非均質性、破巖工具工作條件的波動會對PDC鉆頭產生影響，對PDC鉆頭破巖過程進行仿真計算，結果表明選擇牙齒切深為2 mm時，可有效減少鉆頭切削力的波動，延長鉆頭使用壽命。

(3) 恩熱1井為恩施州首口大口徑中深層地熱井，井身結構、完鉆井孔深、井身質量及抽水試驗等技術指標均滿足工程設計和規(guī)范要求，且單井出水量超過設計預期，最終成功探獲水溫>42℃的地熱水，具有很強的工程示范意義，其鉆探工藝對該區(qū)域地熱鉆井施工具有指導和借鑒意義。