雄安新區基巖熱儲鉆探施工技術探討

齊 恭，李 楊，齊曉鳳，高鵬舉，董向宇*

（1.河北省地質礦產勘查開發局第三水文工程地質大隊，河北 衡水 053000；2.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000）

0 引言

地熱是世界公認的極具應用價值的、新型綠色清潔可再生能源，具有分布范圍廣、儲量大的特點。開發利用地熱資源是實現“碳達峰、碳中和”目標任務、治理大氣污染的重要途徑之一［1］。雄安新區地處華北平原腹地，位于牛駝鎮地熱田、容城地熱田和高陽地熱田區域內，地熱資源賦存條件極好［2］。2017—2021 年的5 年中，以“探測薊縣系熱儲發育深度及開發潛力，為雄安新區提供地熱資源開發的第二空間，全面支撐服務雄安新區規劃建設”為重要的工作目標，先后完成了數十口地熱勘探井，為雄安新區地熱清潔能源開發利用和國土資源管理提供了大量精確的原始數據資料。

1 雄安新區地熱地質特點

雄安新區下覆地層自下而上發育了太古界-古元古界、中元古界（長城系和薊縣系）、古近系（孔店組、沙河街組、東營組）、新近系（館陶組和明化鎮組）和第四系地層［3］，主要熱儲為砂巖孔隙熱儲和基巖裂隙熱儲。

（1）新近系館陶組孔隙熱儲。雄安新區內館陶組熱儲在廊固凹陷和牛駝鎮凸起及保定凹陷部分缺失，其它地方均有分布。

（2）寒武-奧陶系裂隙巖溶熱儲。主要分布在容城縣城、安新縣城西部地區和雄縣的西北部，熱儲層主要為奧陶系的馬家溝組、亮甲山組、冶里組及寒武系的炒米店組、崮山組、饅頭組，主要巖性為灰巖、白云質灰巖、鮞狀灰巖［3］。

（3）薊縣系霧迷山組、高于莊組裂隙巖溶熱儲。主要分布于牛駝鎮凸起和高陽低凸起上，呈北東向連續分布。是一種沉積碳酸鹽巖，巖性主要為白云巖、燧石條帶白云巖、泥質白云巖等［2］，泥質白云巖軟硬互層，地層傾角大（見圖1a），地層膠結程度高，含有較多燧石團塊、條帶，燧石白云巖（見圖1b）。白云巖硬度4～5 級，燧石硬度大致為7～8 級，研磨性強。巖石脆性較強，遇外力呈塊狀破碎（見圖1c）。巖溶裂隙發育，連通性好（見圖1d）。

圖1 典型基巖熱儲地層Fig.1 Typical bedrock thermal reservoir formation

2 基巖熱儲鉆探常見問題

（1）基巖熱儲地層巖溶裂隙發育，巖性硬脆碎且軟硬不均嚴重，鉆進過程中易發生漏失、掉塊、卡鉆等事故。鉆進參數不易控制，導致鉆頭的適應性差，影響鉆進效率、井身質量和固井質量［4］。

（2）基巖熱儲頂板風化殼鉆進常常面臨著井內嚴重漏失，甚至失反的突發狀況，由于漏失量大，實施有效合理的封堵比較困難，導致風化殼上部井段發生井壁失穩、坍塌，引發卡埋鉆事故。面對井下大量鉆屑沉渣或者井壁失穩坍塌掉塊的復雜井下情況，實踐中經常發生不能正常鉆進到穩定基巖界面形成技術套管過早下入的局面。技術套管不能合理的坐到基巖穩定層面［5］，套管底部未封隔的風化殼層坍塌掉塊、泥漿漏失將不能完全有效控制，，形成局部隱患井段，嚴重影響后續鉆井施工［6］。

（3）取心鉆進過程中受地層裂隙及軟硬不均等因素影響，時常形成堵心的情況，回次取心進尺短，巖心采取率低。

3 鉆探技術解決方案

在充分分析鉆遇地層特性的前提下，通過改進鉆井工藝，研制適宜的鉆具、鉆頭，調整鉆具組合，控制鉆進參數等手段，對基巖熱儲鉆探所遇到的技術問題進行逐一解決。

3.1 風化殼地層鉆進

風化殼是指基巖熱儲層頂部遭受風化和溶蝕形成的風化層，在薊縣系霧迷山組的頂部廣泛存在，大致由燧石白云巖、燧石條帶、礫石層組成。風化殼層內部構造裂隙極為發育，在雄縣、容城地熱田范圍內，風化殼厚度一般在10～50 m。當鉆透風化殼層時，經常會遇到井內泥漿瞬時失反性大量漏失的狀況，導致裸露的古近系或新近系大口徑沉積巖井筒失穩，發生井壁坍塌、埋鉆或掉塊卡鉆等井下事故［7-9］。

針對風化殼層鉆進，可以采取以下方法。

（1）根據臨井或區域地質資料以及隨鉆巖屑等資料預測風化殼埋深，預計距離到風化殼30～50 m時，調整泥漿性能，增強泥漿的攜砂能力，提高泥漿的封堵性能。鉆進風化殼層位，常有鉆具放空、蹩鉆、跳鉆，泥漿漏失等現象，此時應觀察記錄巖屑、鉆壓、立壓、進出口密度、鉆速、出口流量、循環液總體積等參數。

（2）卡準風化殼界面。進入風化殼前一般會有造漿性能的紅色、黃色、乳白色的粘土，循環泥漿會有短暫顏色變化，這預示著即將鉆進風化殼，要實時監測上返巖屑，計算好遲到時間。

（3）小徑探孔施工工法。鉆達風化殼頂部時，實施提鉆更換小徑鉆具簡化鉆具結構鉆進的策略。一般是采用?152 mm 口徑牙輪鉆頭進行先導試探鉆進，采取小鉆壓、大排量、近平衡的鉆進方式。

小徑鉆具鉆進深度不宜超過一個立根長度，嚴密觀測泥漿消耗和巖屑情況，捕捉嚴重漏失井段位置，如出現失反性漏失，迅速提鉆至大徑孔段，此時一般情況下井內泥漿攜帶高濃度的巖屑把鉆開的基巖漏失通道迅速架橋堵塞。

如果一個立根長度鉆完后未見較大漏失情況，應該循環泥漿，觀察上返巖屑，判斷井底地層情況，如未穿透風化殼應提鉆將這段小徑井段實施擴孔，然后繼續使用小徑鉆進探孔。

確認鉆進到完整基巖后，對小徑井段導孔進行擴孔，擴孔深度距離小徑探孔孔深1 m 時停止擴孔，充分循環，實施下管固井工序。

3.2 嚴重漏失的堵漏處理

對于基巖熱儲地熱井，一般認為漏失量＞10 m3/h 即為中等以上漏失［10］。地層大漏失一般會有2種情形：一種是鉆穿風化殼后，已經下入套管并固井完成，新開次開始鉆進后漏失，這時大漏失泥漿不能循環、鉆孔內沉渣多，影響鉆進，但不會引起基巖面上部井壁失穩，造成井壁坍塌；另一種情況是在鉆進風化殼時發生大漏失，井壁極易因漏失失穩。實踐中常用固相泥漿加惰性材料隨鉆堵漏的方式，或者針對大的漏失采用速凝水泥漿堵漏。下面介紹一種采用封隔器有效完成水泥漿堵漏的方法。

壓力平衡水泥漿固井是經常采用的封堵方法。采用水泥漿堵漏，如何讓水泥漿在預定井段凝固是堵漏的關鍵。水泥漿堵漏過程中，由于井眼與地層裂隙處于導通狀態，灰漿與地下水存在密度差，灰漿會因密度大而下沉，造成封堵井段位置出現較大偏差。井下存在地下水徑流，流動的地下水會將灰漿稀釋或帶走，因而不能在計劃的時間內凝固，甚至不能凝固，堵漏失敗。平衡井內液柱壓力與地層裂隙壓力，有效控制固井水泥漿柱移動位置是這個方法取得成功的關鍵。實施過程中涉及到兼顧繁瑣的壓力平衡條件以及平衡計算［10］。為此在總結以往堵漏經驗的基礎上，將封隔器應用引入到大漏失層堵漏工作中，取得良好的應用效果，封堵處理成功率達到100%?；镜氖┕げ襟E如下：

（1）根據漏失層以上開次的套管內徑，選擇與該套管匹配的封隔器。

（2）下入部分鉆桿，鉆桿的長度為h4=20～30 m，然后連接封隔器，再繼續加鉆桿，當漏失層頂端到最下面的一開次套管倒數第二根套管中部距離＜80 m 時，封隔器在漏失層頂端上方80 m 處坐封，如果此處是兩根套管的接箍位置，則選擇在接箍位置上方的套管處；當漏失層頂端到最下面的一開次套管倒數第二根套管中部距離＞80 m 時，封隔器應下至最后一開次倒數第二根套管位置進行坐封。

（3）根據漏失段長度，應用公式V1=S（1h1+h2）計算需要灰漿理論用量。V1為灰漿理論用量，S1為漏失段井筒的內截面積，h1為漏失段長度，h2=20～30 m。實際需要灰漿用量≥1.2V1，配置灰漿。

（4）通過泥漿將配制好的灰漿壓入鉆桿底部的井中，清水替漿，注入封隔器下方。替漿清水體積V2=S1h3+S2（h4+h5），h3=20～30 m，S2為鉆桿內徑的橫截面積，h5為封隔器到井口閥門鉆桿距離。

（5）灌注替漿清水后迅速關閉灌注閥門，封閉灌注鉆桿，這時在封隔器以下地層處于密閉狀態，取樣做參照樣板，根據配置的灰漿性能，確定灰漿凝固時間，靜置待井下灰漿凝固，見圖2。

圖2 封隔器法水泥漿堵漏示意Fig.2 Method of cement slurry plugging with packer

（6）灰漿凝固后打開封隔器座封，提出鉆桿和封隔器；下入正常鉆進鉆具，掃除水泥塞，繼續鉆井。

3.3 取心困難問題

3.3.1 主要原因

雄安新區基巖熱儲的灰巖、白云巖、燧石條帶白云巖、泥質白云巖具有硬、脆、碎且軟硬不均、裂隙發育尺寸大的物理特性。鉆頭切削巖石巖心一般不形成連續的柱狀而是呈碎塊狀，取心鉆進中巖心碎塊會在巖心管內部相互擠壓接觸，磕碰翻轉，從而造成巖心管內巖心堵塞。另外因取心進尺慢，巖心在卡簧位置磨細或破碎，加之泥漿的沖蝕，卡簧無法卡住巖心，時常發生巖心丟失打“空管”的現象。

3.3.2 解決辦法

（1）目前普遍采用的大口徑取心鉆具為“川系列”取心鉆具［11-12］，改變川式鉆具的單軸承懸掛為雙軸承懸掛，增加內管扶正器，提高內管的單動性能的穩定性，防止巖心堵塞內管。

（2）借鑒地質繩索取心鉆具的結構［13］，研制底噴式孕襄金剛石取心鉆頭，防止泥漿對巖心的沖蝕，根據巖石硬度合理確定胎體硬度，調整取心鉆頭壁厚，盡量減小鉆頭的碎巖切削面積，減小取心鉆頭內出刃，鉆頭內徑小于取心內管內徑2～3 mm，縮小內管與取心鉆頭之間的距離，確保巖心能夠更順利地進入內管，且不呈柱狀連續的巖心在卡簧處和內管內不會翻滾旋轉，減少巖心磨細和卡滯內管的風險。

（3）取心鉆頭內部增加隔水及內管導正臺階，隔離泥漿并保證內管一直處于鉆頭中心位置。取心鉆具組合上配置上下扶正器，形成局部滿眼鉆具［14］，輕壓吊打，適當提高回轉鉆進速度，減少鉆具回轉鉆進時的跳動和擺動。由于采用孕襄金剛石鉆頭鉆進產生的巖屑顆粒細小，可以采用小排量泥漿清潔井底，同時也減輕泥漿對巖心的沖蝕作用，見圖3 和圖4。

圖3 取心鉆具內管與底噴鉆頭Fig.3 Inner tube of core drilling tool and bottom spray drill bit

圖4 底噴式孕襄金剛石取心鉆頭Fig.4 Bottom spray impregnated diamond coring bit

4 結論

通過在雄安新區實施的十幾口地熱勘探井的工程驗證，充分分析基巖熱儲地層的巖性、構造，特性，采取研制具有適應性的鉆具，有針對性的改進鉆完井工藝方法等技術手段，有效的解決了基巖熱儲常見的鉆探技術問題。

（1）小徑鉆頭探孔施工工法是解決基巖頂部風化殼鉆進的有效技術手段，可以避免產生因突然漏失而引起的井壁坍塌、卡埋鉆事故，確保技術套管能夠準確地座入穩定基巖層。

（2）優化井身結構［15］，合理分配各個開次套管的下入深度并控制套管坐底位置，有效隔離復雜漏失地層。對于巖溶裂隙產生的大漏失層，采用封隔器水泥漿封堵技術，具有精確性高、暫時封堵效果好，操作簡單的特點。

（3）優化大口徑取心鉆具的結構，合理借鑒金剛石滿眼取心鉆具的特點，對于基巖熱儲鉆探取心率的提高有比較明顯的成效。