京津冀巖溶熱儲鉆井關鍵技術

曹華慶，吳 波，龍志平，王殿學，黃干廷，馬向東

（1.中石化華東石油工程有限公司，江蘇南京210030；2.中國石化華東油氣分公司石油工程技術研究院，江蘇南京210030）

按照國家能源局發布的NB/T10097—2018標準，巖溶熱儲是指發育巖溶化的碳酸鹽巖（石灰巖、白云巖、大理巖）、硫酸鹽巖（石膏、硬石膏、芒硝等）和鹵化物（巖鹽、鉀鹽、鎂鹽等）構成的熱儲，是可開發利用的地熱能[1]。京津冀地區是我國中東部地熱資源最豐富、開發利用條件最好的區域[2]，在京津冀巖溶熱儲的早期勘探開發過程中，鉆井工藝受區域地質描述不清楚、地質控制井位少、儲蓋組合不明確和巖溶裂縫分布規律不清楚等的限制，誤穿風化殼導致埋鉆、巖溶裂隙失返性漏失和掉塊卡鉆等井下故障頻發，導致鉆井速度低、鉆井成本高，嚴重影響了京津冀區域巖溶熱儲的勘探開發和利用。針對上述問題，中石化華東石油工程有限公司、勝利石油工程有限公司和新星石油公司聯合進行技術攻關，在分析京津冀巖溶熱儲地質特征及鉆井過程中遇到的技術難點的基礎上，借鑒石油天然氣地質、鉆井相關成熟技術[3]，對京津冀地熱儲層進行了地質環境描述及鉆井完井關鍵技術的攻關研究，逐漸形成了由精細地質卡層、鉆井模式和個性化鉆頭優選、雙壁鉆桿氣舉穿漏和高效無固相攜巖鉆井液等鉆井關鍵技術，并在京津冀巖溶熱儲鉆探中進行了實踐應用，應用后成井率達到100%，鉆井周期縮短10%，鉆井成本降低12%。

1 地質構造和地層特點

京津冀地區位于渤海灣盆地，是一個疊置在華北古生界地臺上發展起來的中、新生界的斷陷盆地，主要發育中上元古界薊縣系霧迷山組、長城系高于莊組熱儲，以及下古生界奧陶系、寒武系熱儲，優質巖溶熱儲主要分布在滄縣隆起和冀中坳陷。熱儲上部蓋層主要由新生界、中生界和上古生界構成。

1）薊縣系霧迷山組厚度300.00～1 000.00m，為淺海相沉積，巖性為白云巖、白云巖夾泥質白云巖，屬于裂隙或溶洞型熱儲，主要分布在牛駝鎮斷凸、滄縣臺拱、寧晉斷凸一帶，埋深80.00～2 000.00 m。該熱儲層大部分被古近系–新近系所覆蓋，經歷了漫長的地質剝蝕風化和淋濾作用，儲層厚度20.00～30.00m，鉆探揭示最大厚度為70.00m，巖溶裂隙發育、連通性好，是目前勘探發現最優的基巖熱儲。

2）長城系高于莊組厚度420.00～980.00m，巖性為灰色白云巖、角礫巖和泥質白云巖，屬于裂縫性熱儲，主要分布于牛駝鎮、河間等地，是僅次于霧迷山組的基巖熱儲。

3）奧陶系熱儲屬于裂縫性熱儲，巖性為灰白色、灰白色夾黃色灰巖和灰質泥巖，主要分布在臨清坳陷寧晉凸起、新河凸起和館陶凸起等基巖埋藏較淺的區帶（基巖凸起帶）。奧陶系熱儲暴露時間相對較短、巖溶作用期次相對較少，儲層非均質性中等–強，厚度50.00～80.00m，是一套較優的熱儲。

4）寒武系熱儲屬于巖溶裂隙性熱儲，由上寒武統風山組和下寒武統君山組碳酸鹽巖層構成，巖性為褐灰色細晶白云巖、灰質白云巖，主要分布在冀中坳陷的霸州凹陷、臨清坳陷的寧晉凸起和黃驊臺陷的馬頭營凸起等，鉆探揭示厚度30.00～70.00m，也是一套較優的熱儲。

2 鉆井技術難點

1）京津冀巖溶熱儲尚處于勘探階段，勘探鉆井較少，勘探開發程度低，導致區域內儲層和蓋層的組合不明確，實際鉆井過程中因不能準確確定風化殼，導致發生失返性漏失，引起上部泥巖地層垮塌，造成卡鉆或埋鉆故障頻發。京津冀地區多口地熱井鉆井過程中出現垮塌、埋鉆的事故，被迫填井側鉆或挪井口重鉆。如造甲城1井未能準確判斷風化殼，多次發生埋鉆和斷鉆具等井下故障，鉆井周期長達223 d；而同一井場的造甲城2井由于準確判斷和卡取風化殼，鉆井周期僅27 d。

2）儲層裂隙（縫、洞）發育，易發生嚴重性漏失甚至失返性漏失。發生失返性漏失時，易造成上部沉砂卡鉆或井壁垮塌。地熱井為保護儲層的滲透性和水質，鉆井過程一般不允許采取常規堵漏措施，導致井眼清潔度差，卡鉆頻發。雄安新區鉆探的容東3井、一鋪南2井、Zg-Dr1井等多口地熱井在三開鉆進儲層時均發生由漏失導致的井壁垮塌。

3）巖溶熱儲膠結性差、巖性松散、巖心成柱性差，取心時堵心、擠心嚴重，起鉆過程中掉心嚴重，巖心收獲率低。

4）基巖儲層井目的層井段非均質性強[4]、可鉆性差，導致鉆頭選型困難、鉆頭使用壽命短。采用混合鉆頭和個性化PDC鉆頭鉆進時，機械鉆速不穩定；采用PDC鉆頭鉆進時，剛入井的前20 h機械鉆速略高于牙輪鉆頭，但后期機械鉆速急劇下降，單只PDC鉆頭進尺和平均機械鉆速均比牙輪鉆頭低。

3 鉆井關鍵技術

3.1 風化殼確定技術

京津冀不同區域地層受構造、剝蝕等因素影響，地層發育情況和厚度變化大，風化殼埋深規律性差。一直以來，現場地質錄井對風化殼和基巖（灰巖和白云巖）巖屑的鑒別主要依靠經驗、化學分析和碳酸鹽巖分析等方法[5]。巖屑遲到時間受井深，鉆井液密度、黏度，巖屑粒徑、含量，鉆井泵泵壓、排量等因素的影響，不能準確反映井底地層的情況。地熱新區勘探未深入，而工程上又要求“優、快、好、省”，因此采用個性化PDC鉆頭提高機械鉆速，但機械鉆速高會影響巖屑錄井的質量，造成無法準確卡取風化殼，易導致鉆穿風化殼，引發失返性漏失，造成井內壓力失衡，引起上部井段泥巖垮塌，從而發生卡鉆或埋鉆等井下故障。

元素錄井技術可以實時測量巖屑中常見的20余種元素，分析地層信息，為地層識別及地質評價提供基礎數據[6]。因此，利用石油地質的XRF元素錄井技術可以準確確定風化殼界面。

XRF元素分析的原理是，當高能X射線轟擊樣品（巖屑）時，原子核外的電子釋放出來，出現電子空位。此時處于高能態的電子會躍遷到低能態來填補電子空位，并釋放出特征X射線。不同元素產生X射線的能量和波長不同，分析X射線的能量或波長，就可得知被分析物質中元素的種類與含量，確定所鉆地層的巖性，從而精確確定風化殼的位置。國內2000年開始利用XRF元素錄井技術識別地層巖性和劃分地層。不同巖性地層元素分析譜圖的特征不同，相同巖性地層的元素組合特征相似，Si元素在砂巖中富集，表現為Si元素含量高，Fe元素含量低，Si和Fe元素二者負相關；Ca和Cr元素在灰巖中富集，Mg和Ca元素在白云巖中富集[7]，通過測定地層中元素的含量，分析其相關性，可以精準確定風化殼的位置。

京津冀巖溶熱儲區上部明化鎮組泥巖蓋層中砂質泥巖具有Fe、A l、K、Ti、V、Ba、Rb、Zr和Sr等元素含量高，Si元素含量低的特征。其中Ca、M g和P等元素的含量基本穩定，Ca元素的含量大于Mg元素，說明碎屑巖中含有少量碳酸鹽巖成分，且以灰巖為主，白云巖次之。雄縣的Zg-Dr1井鉆至明化鎮組底部、霧迷山組風化殼頂部后，XRF元素錄井資料顯示，Si和Ca等元素的含量大幅升高，Fe、A l、K、Ti、V、Ba、Rb、Zr和Sr等元素的含量大幅降低，Ca、Mg和P等元素的含量基本穩定（見圖1）；進入霧迷山組風化殼后，XRF元素錄井資料顯示Ca、M g和P等元素的含量迅速升高，其余元素的含量相對穩定。

圖1 Zg-Dr1井XRF元素錄井曲線Fig.1 XRF element logging curve of W ell Zg-Dr1

根據Zg-Dr1井二開所鉆地層鉆時的變化，及時進行地質沖孔觀察巖屑，并通過XRF元素錄井分析相關元素的含量，發現Si元素的含量由明化鎮組的35.0%～40.0%逐步降至20.0%～21.0%，并保持穩定；Ca元素的含量由1.0%逐步升至10.0%左右并保持穩定；同時Mg元素的含量由0.5%升至4.5%～5.4%，說明已經進入霧迷山組風化殼，及時發現了薊縣系霧迷山組熱儲，保留足夠的下套管所需口袋，進行中完，封固霧迷山組頂部及上部地層，避免了因巖屑遲到時間滯后導致鉆穿風化殼的情況發生，為三開安全鉆進創造了穩定的上部井眼條件。

3.2 儲層綜合防卡鉆技術

1）準確卡取風化殼。巖溶熱儲風化殼的鉆井特征一般是：和上部蓋層鉆時相比，鉆時明顯變長，常出現鉆具放空、漏失，蹩鉆和跳鉆等現象；巖屑出現明顯變化，巖屑顏色和成分逐漸趨于相同，碳酸鹽巖含量逐漸增高并趨于穩定，并常含有較多的晶體礦物，巖屑多為片狀，棱角明顯、斷口新鮮，粒徑小。京津冀巖溶熱儲勘探初期采用常規測井方法確定風化殼，由于測井儀器零長一般大于12.00m，多口井鉆穿風化殼，導致發生失返性漏失，造成埋鉆。同樣，如果在蓋層底部提前中完，三開鉆進灰巖地層時會發生井漏，由于不同地層間存在壓差，鉆進儲層時，如上部未下入套管固井封固泥巖蓋層，易垮塌掉塊，同樣會造成卡鉆或埋鉆?，F場采用鉆時對比法、厚度對比法、巖性對比法、元素含量對比法和地層取心法等綜合手段，能夠準確確定標志層。根據巖性組合特征、XRF元素錄井標志性成分的變化及標志層錄井的深度，同時結合鄰井地層厚度，判斷是否進入灰巖、薊縣系霧迷山組儲層界面。準確確定風化殼，可防止鉆穿風化殼和蓋層底部提前中完等情況的發生。

2）應用無固相高性能攜巖鉆井液。京津冀巖溶熱儲霧迷山組剝蝕掉塊嚴重，目的層上部裂縫發育，安全密度窗口窄，頻繁發生漏失。為保護目的儲水層，采用無固相高性能鉆井液鉆進目的層，配方為：清水+0.25%增黏劑+0.13%懸浮劑+0.50%～0.80%PAM +0.30%～0.50%成膠劑HVIS，其性能為：密度1.02～1.03 kg/L，漏斗黏度40～50 s，塑性黏度35m Pa·s，動切力6 Pa，靜切力2/9 Pa，pH值9。在揭開目的層之前，將常規膨潤土鉆井液轉換為無固相高性能攜巖鉆井液。鉆進過程中需要定時補充由增黏劑、懸浮劑和成膠劑配制的膠液，以提高鉆井液的攜巖性能，減少井內沉砂，避免形成砂橋。如發生漏失，堵漏的同時要兼顧儲水層的保護，因此，從以下兩方面解決漏失問題：一方面通過提高鉆井液黏度降低漏失速度和程度；另一方面在鉆井液中加入可完全酸溶的剛性堵漏材料，封堵發生小型、中型漏失的井段，減少或消除漏失，提高井眼清潔度，防止沉砂或掉塊卡鉆。剛性堵漏材料一般選用不同粒徑的方解石顆粒，鉆至完鉆井深后，充分循環鉆井液，使用稠漿大排量清掃井底，直到振動篩無巖屑；確認井筒干凈后，徹底清洗鉆井液罐，再次用新配制的無固相高性能攜巖鉆井液替出井內的鉆井液，起鉆，進行完井作業，以保護儲水層。

3）雙壁鉆桿氣舉穿漏技術。氣舉穿漏鉆井技術是利用雙壁鉆桿注入少量氣體，將上部井眼環空中的鉆井液舉升至地面，以降低當量循環密度，安全鉆穿易漏地層，其工藝流程圖如圖2所示。所鉆井發生失返性漏失后，根據井內靜止液面的井深和井內鉆井液的密度，計算地層漏失壓力系數，依據該系數設計雙壁鉆桿注氣降壓值。通過雙壁鉆桿及井下氣舉閥向上部井段環空注入空氣，使井筒內的當量循環密度略低于地層漏失壓力當量密度，同時依據最優氣舉效率設計氣舉參數，建立滿足鉆進攜巖要求的循環，以降低漏失量、提高攜巖效率、減少或避免發生井下故障，實現定向儀器正常工作。河北省霸州市的阿爾卡迪亞2井鉆至井深2 270.00m時發生失返性漏失，實測清水鉆井液液面在井深120.00m處，定向儀器因壓差低，不能正常工作。采用雙壁鉆桿氣舉穿漏技術，在井深2 743.00m處實現側鉆和定向鉆進，井口連續返液攜砂，定向儀器正常工作，解決了鉆井液失返后巖屑無法攜帶出井和定向儀器無法正常工作的問題。雙壁鉆桿氣舉穿漏所使用的鉆具組合為?215.9mm牙輪鉆頭＋常規鉆具組合＋井下單向氣舉閥＋?127.0 mm S135雙壁鉆桿×500.00m＋六方雙壁方鉆桿。

圖2 雙壁鉆桿氣舉穿漏流程Fig.2 Flow chart of gas lift through thief zonew ith doublewall drill pipe

4）工程技術措施。風化殼膠結性差、不穩定，易發生掉塊和垮塌，為此制定了預防性技術措施。采用螺桿鉆具組合時，選用本體不帶穩定器的螺桿，以減少鉆具組合中的大尺寸鉆具，采用加重鉆桿施加鉆壓。采用不帶動力鉆具的常規鉆具組合時，使用少量鉆鋌和加重鉆桿的組合，盡可能簡化鉆具組合。在鉆具組合中合適的位置安放相應尺寸的隨鉆震擊器，以確保第一時間處理卡鉆故障。鉆進過程中必須觀察、計量巖屑的返出量，如返出量偏少，則停止鉆進，循環清潔井眼，以防止發生沉砂卡鉆故障。

3.3 高效特色取心技術

京津冀地區奧陶系巖溶熱儲因暴露時間短、巖溶作用期次少，膠結性差，剝蝕差異性大，非均質性較強[8]，易破碎，在取心過程中極易發生堵心、起鉆過程中發生掉心等井下故障，導致儲層巖心收獲率低，甚至出現空筒現象，影響地質資料的獲取。常規彈簧卡箍式巖心爪巖心封閉內徑為101.0mm，不能完全封閉巖心下端，僅適合成柱性好、膠結致密的地層取心，不適合用于京津冀地區巖溶熱儲目的層取心。

根據前期取心經驗教訓，選擇全封銷掛式JS-6型多用取心筒與彈簧卡箍加籃式一體式巖心爪配合進行取心[9]。一體式巖心爪可封閉內筒，能確保起鉆過程中不發生掉心，與適合于碳酸鹽巖取心的GC406T型高效取心鉆頭配合，能明顯提高取心鉆進的機械鉆速。容東1井共取心3回次，第一回次使用Rb-8100型取心工具，取心收獲率18.2%。根據現場取心情況，分析清楚取心收獲率低的原因后，采用JS-6型全封銷掛式多用取心筒與一體化巖心爪配合進行取心作業，2回次取心收獲率均為100%（見表1），不僅提高了破碎、松散地層的巖心收獲率，而且提高了取心機械鉆速，確保了地質資料的完整性。

表1 容東1井取心記錄Table 1 Coring record of Well Rongdong 1

3.4 鉆頭優選

京津冀地區巖溶熱儲鉆井時，應根據從上至下鉆遇地層的特性優選鉆頭或對鉆頭進行個性化設計。巖溶熱儲鉆井鉆遇地層分為蓋層（砂泥巖組合）和基巖（灰巖或白云質灰巖）[10]。

1）蓋層鉆頭選型。巖溶熱儲蓋層以新生界的平原組、明化鎮組、館陶組和東營組的砂巖和泥巖為主，可鉆性級值3～4，根據地層可鉆性級值和地層巖性特征選擇PDC鉆頭的型號，利用PDC-DS軟件優化設計鉆頭的水力參數、穩定性和使用壽命。采用4～5刀翼、?19mm切削齒、小后傾角、25°側轉角和大尺寸噴嘴，噴嘴的噴射方向直接對準刀翼上的切削齒，以有效清洗切削齒；盡量讓高流速區分布在各刀翼的主切削齒，避免主切削齒附近出現低流速區導致鉆頭泥包，以獲得更高的機械鉆速。主要采用HY 1955型和GCG3613BR型等PDC鉆頭鉆進蓋層。

2）基巖鉆頭選型。對于以奧陶系灰巖、白云質灰巖、泥灰巖為主的灰巖基巖，其可鉆性級值4～5，選用五刀翼、?16mm切削齒的?215.9mmPDC鉆頭或IADC編碼為HJ517～HJ637、牙掌強化保徑的牙輪鉆頭。對于以白云質砂巖、白云質灰巖和白云巖為主的白云質灰巖基巖，巖石結構比較復雜，可鉆性級值7～8，推薦采用適用于高可鉆性級值地層的牙輪鉆頭。選用MD型掌背強化、適用于高轉速螺桿的鉆頭，同時采用高密度及露齒高度呈梯度變化的全掌背螺旋保徑齒，以保護牙輪鉆頭的掌尖和軸承的密封，增強鉆頭抗縮徑功能和保徑能力，延長其使用壽命。MD型牙輪鉆頭機械鉆速適中、軸承壽命超長，可在井下長時間鉆進，能實現減少起下鉆次數、降低輔助時效的目的[11]。常規鉆具組合和MD型牙輪鉆頭配合使用，壽命可達120～140 h、進尺600.00～800.00m，能實現一趟鉆完成三開。

3.5 堵漏技術措施

巖溶熱儲上部非目的層井段發生井漏時，堅持“低速漏失繼續鉆進、中速漏失隨鉆堵漏、高速漏失專門堵漏”的堵漏思路。發生高速漏失時，將架橋化學凝膠和智能凝膠漿泵入漏失井段，進行雙液堵漏。架橋化學凝膠配方為：清水+5.0%膨潤土+10.0%懸浮劑+12.0%成膠劑+10.0%堵漏劑+2.0%交聯劑+5.0%增強劑。智能凝膠配方為：基液（水基鉆井液）+30.00%成膠劑+2.00%交聯劑+0.30%催化劑+0.009%交聯增強劑+0.01%緩交聯劑。堵漏作業時先注入智能凝膠，后注入化學凝膠，兩者相互協同，以解決惡性漏失、重復漏失的問題。雙液法堵漏能夠使堵漏材料在預定位置停留并有效交聯，在承受液柱壓力的條件下，交聯后能夠形成強度足夠高的封堵層，雙液法堵漏成功率60%～70%，漏失量能明顯降低80%以上直至完全止漏。河北省霸州市的阿爾卡迪亞1井鉆至井深2 167.17 m（奧陶系灰巖）時發生失返性漏失，采用雙液法堵漏，候凝后驗漏，下鉆探塞發現塞面，開泵返出鉆井液，繼續鉆進未再發生漏失，成功堵漏。

巖溶熱儲層井段發生井漏時，采取隨鉆堵漏的方法鉆進，在鉆井液中加入聚合物和可完全酸溶的堵漏材料，以降低漏失量，并上提和下放鉆具觀察沉砂情況，如井下摩阻或扭矩明顯增大，則及時停止鉆進，泵入高黏聚合物稠漿清掃井眼，將巖屑攜帶出井，以保證井下安全。

4 現場應用

京津冀地區7口巖溶熱儲井應用巖溶熱儲鉆井關鍵技術，準確卡取了風化殼，成井率100%，平均鉆井周期比設計鉆井周期縮短18.5%，鉆井復雜和故障率降低93.0%。下面以Zg-Dr1井為例介紹應用情況。

Zg-Dr1井一開使用?444.5 mm HY1955型PDC鉆頭鉆進，鉆具組合為?444.5 mm PDC鉆頭+?203.2 mm無 磁 鉆 鋌×1根+?203.2 mm鉆 鋌×5根+?165.1 mm鉆鋌×3根+?127.0 mm加重鉆桿×12根+?127.0 mm鉆桿，機械鉆速25.00～35.00 m/h。二開使用?311.1 mm GCG3613BR型PDC鉆頭鉆進，鉆具組合為?311.1 mm PDC鉆頭+?196.9 mm×1.25°螺桿+?308.0 mm穩定器+?203.2 mm無磁鉆鋌×1根+?165.1 mm鉆鋌×3根+?127.0 mm加重鉆桿×12根+?127.0 mm鉆桿，機械鉆速15.00～20.00 m/h。三開白云質灰巖井段使用MD617GHL型牙輪鉆頭鉆進，鉆具組合為?215.9 mm牙輪鉆頭+?165.1 mm無磁鉆鋌×1根+?165.1 mm鉆鋌×11根+?127.0 mm加重鉆桿×12根+?127.0 mm鉆桿，純鉆時間117 h，進尺749.00 m，機械鉆速5.52～5.69 m/h。與鄰井西昝1井和西昝2井相同井段常規牙輪鉆頭相比，機械鉆速相當，但是單只MD617GHL型牙輪鉆頭的進尺比常規牙輪鉆頭提高112%，純鉆時間利用率提高25%～27%，鉆井周期縮短3～4 d。

5 結論與建議

1）利用XRF元素錄井技術能準確判斷京津冀巖溶熱儲基巖的風化殼，保證巖溶熱儲鉆井安全。

2）雙壁鉆桿氣舉穿漏技術能夠解決失返性漏失地層攜巖和井下常規MWD定向儀器與地面儀器之間信號失聯的問題。

3）MD型牙輪鉆頭與常規鉆具組合配合鉆進白云質灰巖巖溶熱儲層，能夠實現“一趟鉆”完成三開的目標。

4）JS-6型取心筒與一體式巖心爪配合使用，能提高京津冀巖溶熱儲破碎、松散地層的取心收獲率。