西藏谷露地熱田ZK401 高溫地熱井鉆井工藝技術

吳儒杰，鄭冉，張松，萬漢平，郝偉林，唐偉軍，張健

1 核工業北京地質研究院，北京 100029

2 中核集團地熱勘查技術研究中心，北京 100029

3 西藏自治區土地礦權交易和資源儲量評審中心，西藏 拉薩 850011

地熱是一種蘊藏豐富、綠色低碳、穩定可靠的可再生清潔能源。在全球“能源危機”加劇的背景下，大力加強地熱資源的高效開發是當前國內外能源形勢的客觀需求，也是實現“碳達峰、碳中和”承諾的有機組成部分。西藏是我國地熱活動最強烈的地區，高溫地熱資源蘊藏量居全國首位。全區共有水熱爆炸、間歇性噴泉和沸泉等各種水熱顯示區700 余處，其中熱儲溫度超過150 ℃的高溫熱田有110 余處。經計算，西藏地熱資源30 年發電潛力約為3 040 MW30a，其中發電潛力超100 MW 的高溫地熱田超過6 處，資源潛力與開發前景非?？捎^［1-4］。

對于水熱型高溫地熱資源的開發，鉆井工藝技術是建立地下熱流體向地面產出通道的唯一技術手段。相比于常規油氣井及中低溫地熱井鉆井技術，水熱型高溫地熱井因其熱儲埋深淺，溫度高、巖石可鉆性差，斷裂構造發育等特點，在鉆井過程中極易發生井噴、井漏，甚至上噴下漏等復雜情況，為滿足安全、快速鉆進的需要，應有針對性地選擇鉆井工藝技術［5-6］。

谷露地熱田是西藏那曲-尼木地熱帶上典型的水熱型高溫地熱田［7-8］，ZK401 井是核工業北京地質研究院在谷露地熱田組織實施的一口探采結合井。本文以ZK401井為例，詳細介紹了高溫地熱鉆井工藝技術研究成果在該井的應用實踐。在總結鉆井施工難點的基礎上，詳細論述了鉆井工藝和鉆井施工關鍵技術，包括鉆井液體系設計、高溫高效的破巖技術以及簡易控壓鉆井技術；旨在為該區域乃至其他地區的水熱型高溫地熱開發提供鉆井工藝技術參考。

1 ZK401 井概況

谷露地熱田位于亞東—谷露裂谷帶北段，那曲—尼木地熱帶九子拉—桑雄斷裂帶中部，受九子拉—桑雄斷裂控制［9-13］。ZK401 井部署在近SN 向F4-2斷裂和NE 向F2-9密集裂隙帶的上盤夾持區域（圖1），旨在揭露位于花崗閃長巖中由F4-2斷裂和F2-9密集裂隙帶控制的基巖裂隙型高溫熱儲，驗證F4-2斷裂和F2-9密集裂隙帶的控熱特征，深化對谷露地熱田地熱地質條件與熱儲模型的認識，為谷露高溫地熱發電工程提供資源保障。

圖1 ZK401 井工程部署圖Fig. 1 Deployment diagram of well ZK401

圖2 ZK401 井井身結構圖Fig. 2 Depth structure of well ZK401

ZK401 井的設計井深為1 300 m，要求井斜在1 500 m以內≤5°，全角變化率不超過2.5°/30 m，井底水平位移不超過50 m；井眼軌跡平滑，井內干凈無落物，裸眼完井。同時，根據鉆遇地層情況及時調整鉆井液體系。在鉆進至熱儲層后，嚴禁使用可能造成熱儲層損害的鉆井液體系；在350 m 以深揭露熱儲時嚴禁封堵，必須在保留熱儲的前提下繼續鉆進至設計井深。

通過科學設計和精心施工，ZK401 井完鉆井深1 320 m，全井最大井斜1.72°/1 320.0 m，最大全角變化率0.49°/30 m，位于井深500 m 處；井底水平位移為25.08 m。揭露熱儲溫度為186.9 ℃，汽水總量為348 t·h-1。采用熱焓平衡法，在尾水排放溫度為60 ℃，轉換效率16 %的情況下，單井可發電潛力為8.05 MW。自上而下揭露地層包括第四系（Q）沼澤沉積物、沖洪積物以及泉華；新近系（N）中酸性侵入巖。地層巖性及熱儲特征情況見表1。

表1 ZK401 井地層巖性劃分及熱儲特征Table 1 Stratigraphic lithology division and heat storage characteristics of well ZK401

2 ZK401 井鉆井施工難點

2.1 巖石硬度大，機械鉆速低，鉆頭使用壽命短。

自43 至1 320 m 完鉆，揭露地層主要是細?；◢弾r、花崗閃長巖和黑云母二長花崗巖。該類巖石硬度大，研磨性強，可鉆性較差。例如，在續邁地熱田使用常規鉆井技術在該類地層鉆進時，215.9 mm 牙輪鉆頭的平均機械鉆速僅0.34 m·h-1，單只鉆頭的進尺不足40 m。實踐表明，在高溫硬質地層中鉆進時，牙輪鉆頭極易出現牙齒過度磨損和軸承系統不穩定的問題，從而導致鉆頭使用壽命較短。此外，巖石在高溫條件下表現出更大的塑性，導致破巖效率降低。因此，在高溫地熱井鉆井過程中，通常會降低鉆壓以延長鉆頭的使用壽命，但小鉆壓往往導致破巖效率降低［14-15］。

2.2 熱儲溫度高，出水量大，鉆井液易失效

實鉆資料顯示，ZK401 井在35～41 m 即可揭露124.8 ℃中溫熱流體，汽水總量約40 t·h-1，鉆井液循環返出溫度介于75～80 ℃之間；50～320 m 揭露熱儲溫度超過120 ℃，汽水總量約30～35 t·h-1；320～1 320 m 揭露186.9 ℃的高溫熱儲，汽水總量高達348t·h-1。鉆井施工過程中，高溫極易導致鉆井液性能惡化，濾矢量增大，粘度升高，懸浮和攜巖能力減弱。同時，地層出水量大，鉆井液極易發生水侵，性能難以保持，易引發井噴事故。

2.3 井噴風險大，安全鉆井難

實鉆資料表明，ZK401 井具有熱儲埋深淺，溫度高，地層出水量大的特點。井噴風險幾乎貫穿于鉆井施工全過程，高溫井控問題凸顯。具體表現為井內液柱壓力降低引起的井噴風險、地層涌水引起的井噴風險以及鉆遇高溫熱儲層和下套管過程中存在的井噴風險。鉆井過程中發現存在井噴風險時，必須立即采取井控措施，一旦發生井噴失控，大量的高溫鉆井液、地層流體和高溫氣體（有時含有毒氣體）噴出，不僅生產難以進行，輕則造成一定的經濟損失，重則可導致設備損壞、環境污染，甚至造成作業人員傷亡等嚴重事故［16-17］。

3 設備選型

根據以往施工經驗和ZK401 井的鉆井目的、井身結構、鉆井風險和鉆機設備提升能力等影響因素；并充分考慮西藏高海拔地區（海拔4 700 m）鉆機功率衰減40 %～50 %的實際情況。本井選用寶雞石油裝備有限公司生產的ZJ30 鉆機，其配套設備型號及性能參數見表2。

表2 ZJ30 鉆機主要設備及性能參數Table 2 Main equipment and performance parameters of drilling machine ZJ30

4 鉆井工藝

4.1 井身結構

高溫地熱井施工過程中常遇到井噴、井漏和上噴下漏等復雜情況。因此，在確定井身結構時，要充分考慮地層壓力變化、熱儲位置及預防井噴等因素，在選擇套管程序時必須為各開次鉆井安全留有余地，以保證實現鉆探目的［18］。ZK401 井采用“導眼+三開”井身結構，導眼段采用了大井眼設計，使用φ666.0 mm鉆頭鉆至井深11.5 m；一開φ444.5 mm 鉆頭鉆至井深50 m；二開φ311.1 mm 鉆頭鉆至井深320 m；三開φ215.9 mm 鉆頭鉆至完鉆井深。

4.2 鉆井施工工藝

4.2.1 導眼井段

鉆具組合：φ666.0 mm 三牙輪鉆頭+730×730 雙母接頭+731×410 變扣接頭+φ165 mm 鉆鋌+411×410 方保+411×410 下旋塞+φ133 mm方鉆桿。

鉆進參數：轉速介于45～50 r·min-1之間，鉆壓介于20～30 kN 之間，排量介于25～27 L·s-1之間，泵壓介于0.0～0.5 MPa 之間。

導眼井段以鉆穿第四系松軟地層，防止井壁垮塌，有效封堵淺層地表水為完鉆原則。地層以第四系沼澤沉積物和沖洪積砂礫石層為主。下入φ550 mm×7.5 mm 螺旋管至11.5 m，采用PO42.5 普通硅酸鹽水泥正注反擠固井，水泥漿密度1.75 g·cm-3。

4.2.2 一開井段

鉆具組合：φ444.5 mm 三牙輪/聚晶金剛石復合片（Polycrystalline Diamond Compact，簡稱PDC）鉆頭+630×630 雙母接頭+631×410 變扣接頭+φ178 mm 鉆鋌+φ165 mm 鉆鋌+φ127 mm鉆桿+411×410方保+411×410下旋塞+φ133 mm方鉆桿。

鉆進參數：轉速介于45～50 r·min-1之間，鉆壓介于30～40 kN之間，排量介于25～27 L·s-1之間，泵壓0.5 MPa。

一開以鉆穿第四系地層并進入穩定基巖，保證套管下入穩定基巖，利于安裝井控設備和鉆井安全施工為原則。地層以第四系沖洪積砂礫石層和硅質泉膠礫巖為主。0～49.50 m 下入N80 鋼級φ339.7 mm×9.65 mm 表層套管，采用高溫水泥固井，入井水泥漿密度1.85 g·cm-3，水泥漿返至地面，返出密度為1.75 g·cm-3。

4.2.3 二開井段

鉆具組合：φ311.1 mm PDC 鉆頭+630×630雙母接頭+631×410 變扣接頭+411×410 回壓凡爾+φ178 mm 鉆鋌+φ165 mm 鉆鋌+φ127 mm鉆桿+411×410方保+411×410下旋塞+φ133 mm方鉆桿。

鉆進參數：轉速介于50～60 r·min-1之間，鉆壓介于30～40 kN之間，排量介于30～35 L·s-1之間，泵壓介于0.5～1.0 MPa 之間。

二開以鉆穿強蝕變基巖及淺部斷裂破碎帶，滿足長期生產安全需要為原則。地層以花崗閃長巖、細?；◢弾r為主，發育強黏土化、黃鐵礦化和綠泥石化等蝕變。0～318.70 m 下入N80 鋼級φ244.5 mm×10.03 mm 生產套管，采用高溫水泥控制壓力固井，入井水泥漿密度為1.83 g·cm-3，水泥漿返至地面，返出密度為1.78 g·cm-3。

4.2.4 三開井段

鉆具組合：φ215.9 mm PDC 鉆頭+430×430雙母接頭+431×410 變扣接頭+411×410 回壓凡爾+φ178 mm 鉆鋌+φ165 mm 鉆鋌+φ127 mm鉆桿+411×410 回壓凡爾+φ127 mm 鉆桿+411×410 方保+411×410 旋塞接頭+φ133 mm方鉆桿。

鉆進參數：轉速介于50～60 r·min-1之間，鉆壓介于30～40 kN 之間，排量介于30～35 L·s-1之間，泵壓介于1.5～3.0 MPa 之間。

三開以揭露斷裂破碎帶上盤的基巖裂隙高溫熱儲并鉆至設計井深為完鉆原則。地層以細?；◢弾r、花崗閃長巖和黑云母二長花崗巖為主，發育不同程度黏土化、黃鐵礦化、碳酸鹽化和綠泥石化等蝕變。鉆進時采用簡易控壓鉆井技術，裸眼完井。

5 ZK401 井施工的關鍵技術

研究表明，高溫地熱鉆井的成本占地熱開發總成本的50 %以上，部分高達70 %，而鉆井成本中約1/3～1/2 的成本與時間有關［6］，高溫地熱鉆井的成本與效果在很大程度上決定了高溫地熱資源的可開發潛力。因此，提高破巖效率，采用高效低成本鉆井液體系及時發現并有效保護熱儲和控制井噴、縮短非生產時間對高溫地熱井鉆井成本控制具有重要意義。

5.1 高溫高效破巖技術

5.1.1 鉆頭選型

長期以來，牙輪鉆頭因其適用范圍廣而被廣泛應用于各類鉆井中。然而，高溫地熱鉆井過程中，高溫硬質地層易導致鉆頭牙齒磨損加快，軸承密封系統失效，使鉆頭壽命大幅縮短，甚至發生牙輪掉落的嚴重事故［19］。相比之下，PDC 鉆頭為一體式鉆頭，無結構薄弱環節，且隨著復合片硬度和抗沖擊性能的提高，使得PDC鉆頭可以適用硬地層和基巖鉆進。

根據實鉆地層特點，為保障單只鉆頭的進尺和機械鉆速，ZK401 井采用異形齒PDC 鉆頭（圖3）。主切削齒采用異形齒設計，使切削力以點接觸的方式加載，提高局部載荷強度，從而提高破巖效率。輔助切削齒采用錐形齒設計，在鉆壓作用下將載荷集中于一點，對堅硬巖石進行壓碎，同時較厚的金剛石面能有效提高鉆頭的耐磨性和抗沖擊能力。通過壓碎和切削的復合破巖方式，有效提高了鉆頭的破巖效率［20-21］?，F場對比試驗（表3）表明，與同規格牙輪鉆頭相比，單只異形齒PDC 鉆頭的進尺提高了23 %～48 %，機械鉆速提高了33 %～47 %。

表3 牙輪與PDC 鉆頭對比試驗數據表Table 3 Contrast test data of roller and PDC bit

圖3 ZK401 井用的異形齒PDC 鉆頭Fig. 3 Special-shaped PDC bit for well ZK401

5.1.2 巖石熱裂提速技術

研究發現，高溫花崗巖急劇冷卻時，巖體表面會產生很大的溫差，在溫差熱應力作用下會誘發巖體產生微裂紋，進而導致巖體物理力學性質劣化［22-23］。

ZK401 井鉆井施工過程中，充分利用了高溫花崗巖急劇冷卻時的熱破裂現象。在鉆遇高溫熱儲層后（圖4a），采用大量的低溫清水來作為循環鉆井液，這樣可以使井眼周圍地層溫度驟降，在溫差熱應力作用下，巖石發生熱破裂產生一些微裂縫。此時，進行常規水力壓裂使微裂縫不斷擴展增大（圖4b）。隨后，在持續的水力壓裂和溫差作用下，由于熱應力的存在，巖石會產生大量的微裂縫（圖4c），以此來減小花崗巖的抗研磨性和壓入硬度。然后，異形齒PDC 鉆頭采用壓碎和切削的復合破巖方式對地層進行機械破碎，通過這種循環往復的方式，在鉆井過程中可以顯著提高機械鉆進速度。隨著ZK401 井揭露186.9 ℃高溫熱儲，利用異形齒PDC 鉆頭和巖石熱裂提速技術，成功將三開井段平均機械鉆速提升至3.18 m·h-1。

圖4 巖石熱裂提速技術示意圖（據查永進等修改，2023）Fig. 4 Schematic diagram of rock thermal fracturing acceleration technology（modified after ZHA Yongjin et al.，2023）

5.2 鉆井液體系設計

鉆井液被喻為鉆井的“血液”，具有攜帶巖屑、清潔井底，冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱，傳遞水力功率，平衡地層壓力、防止井噴等重要作用。ZK401 井在鉆井施工中面臨極大的井噴風險，傳統作法是通過增加鉆井液體系固相、提高密度的方式來平衡地層壓力，避免循環流體汽化，達到防止井噴的目的；然而，這種方式會導致嚴重的熱儲層污染。例如羊易地熱田前期開發鉆井時，為了防止井噴，不斷提高鉆井液密度，最終密度提高至1.50 g·cm-3，造成了嚴重的熱儲層污染，嚴重影響了單井產能。后來發展的抗高溫鉆井液體系雖然一定程度上解決了高溫條件下鉆井液性能惡化和熱儲層污染的問題，但經濟性較差，導致鉆井成本上升，進一步限制了地熱資源開發潛力［6］。

5.2.1 導眼及一開井段鉆井液設計

類型：坂土漿鉆井液

組分：水+0.1 %～0.2 % NaOH + 0.2～0.3 Na2CO3+ 6 %～10 % 鈉基膨潤土 + 0.1 %～0.3 %CMC-LV

導眼φ666.0 mm 三牙輪鉆頭開孔鉆進，鉆井液密度介于1.12～1.18 g·cm-3之間，粘度介于56～82 s之間，pH 值介于8～9 之間。鉆井過程中及時補充HV-PAC，維持鉆井液高粘切性能。

一開φ444.5 mm 三牙輪/PDC 鉆頭鉆進，第四系沖洪積砂礫石層鉆進時，鉆井液密度維持在1.15～1.18 g·cm-3之間，鉆進至34 m 處時地層出水，出水量介于15～20 m3·h-1之間，水溫為47.2 ℃；鉆至井深39 m 時地層出水量激增至40 m3·h-1，井底溫度達124.8 ℃，出口溫度達57.2 ℃，隨即循環起鉆并固井，充分侯凝后，出水量降至20 m3·h-1。為穩定井壁，繼續使用1.23～1.20g·cm-3坂土漿鉆井液，排量介于25～27 L·s-1之間，鉆至井深50 m，鉆井液循環返出溫度64.2 ℃，密度為1.12 g·cm-3，停泵后2 min 溫度升高至75～80 ℃，密度降低至1.07 g·cm-3。由于地層溫度高，出水量大，地層水稀釋鉆井液速度快，導致鉆井液性能難以維持。此時，一開鉆進已達到設計目的，隨即下套管固井。

5.2.2 二開及三開井段鉆井液設計

二開和三開井段地層以花崗閃長巖、細?；◢弾r和黑云母二長花崗巖為主，井壁穩定，不易垮塌。為避免常規鉆井液對熱儲層的污染，尤其是常規鉆井液中蒙脫石進入地層后，在高溫（＞150 ℃）條件下持續固化形成的一種低標號水泥對于熱儲層的永久性損害。在二開及三開鉆進時，采用低溫清水作為循環鉆井液。與氣體或泡沫鉆井液相比，清水鉆井液密度不會過低，同時低溫清水能夠迅速降低井筒溫度，從而有效地降低井噴風險；與常規鉆井液相比，低溫清水鉆井液不含固相顆粒、蒙脫石等易造成熱儲層污染的物質，從而有效保護了熱儲層。鉆進過程中，每鉆進30～40 m，采用大排量循環返砂或“清水+鉆井液”輔助攜巖返砂。

5.3 簡易控壓鉆井技術

簡易控壓鉆井技術是在精細控壓鉆井技術的基礎上簡化程序與設備，利用常規井控設備，通過控制節流管匯處節流閥的開啟程度實現控壓鉆井的目的［24-26］。雖然其達不到精細控壓鉆井的效果，但與常規鉆井技術相比，該技術能夠及時發現并有效保護熱儲和控制井噴，是一種經濟、高效和安全的高溫地熱鉆井技術。ZK401 井運用簡易控壓鉆井技術，實現了在520 m 揭露186.9 ℃高溫熱儲，汽水總量達348 t·h-1苛刻條件下的安全、持續鉆進，有效保護了高溫熱儲層。并且與采用常規鉆井技術的鄰井相比，非生產時間縮短了37 %。

5.3.1 控壓鉆井設備優化

ZK401 井采用的簡易控壓鉆井設備以旋轉防噴器和雙閘板防噴器組成的井口裝置為核心。將自動控制節流管匯優化為常規節流管匯，回壓泵優化為壓井管匯+節流管匯+泥漿泵的組合；輔之FK480-5 的遠程控制臺和司鉆控制臺組成的控制系統，采用回壓凡爾和方鉆桿旋塞閥組成鉆具內防噴工具，以及綜合錄井儀等儀器儀表。能夠滿足高溫地熱井鉆井施工過程中各工況下的井控要求。簡易控壓鉆井循環系統如圖5 所示。

圖5 ZK401 井簡易控壓循環系統Fig. 5 Simple pressure control and circulation system of well ZK401

5.3.2 各工況下的簡易控壓鉆井方法

1）正常鉆進時。通過控制鉆井液密度來平衡地層壓力，鉆井液通過旋轉防噴器側向手動平板閥N1，經管線回流至鉆井液罐，與常規鉆進保持一致。

2）揭露熱儲鉆進時。正常鉆進過程中，如果發現返出鉆井液溫度升高或存在井噴風險時，首先起鉆加裝旋轉防噴器旋轉總成，關閉旋轉防噴器側向N1 手動平板閥，打開N4 手動平板閥，使返出鉆井液經節流管匯進入沉砂池及冷卻池進行充分冷卻；同時，補償低溫清水進入循環系統，將正常鉆進狀態轉換為簡易控壓鉆進。在鉆進過程中，通過調節節流閥J1 的開啟程度，在井口施加一定的回壓，回壓將進一步助推旋轉防噴器密封膠芯抱緊并密封方鉆桿外環空?？刂凭诨貕涸?.2～0.4 MPa 之間，保持鉆井液返出溫度在35～45 ℃理想溫度區間，返出量介于30～35 L·s-1之間，以確保返砂效果。當返砂效果不佳時，采用“清水+鉆井液”輔助攜巖返砂，以避免對井底沉砂的重復破碎而損失機械鉆速。

3）控壓起下鉆時。在起鉆前，首先采用大量低溫清水鉆井液對井眼進行循環冷卻和排砂，以防大量巖屑沉入井底。在起下鉆過程中，鉆井液經由地面管線和壓井管匯輸入井眼，然后通過節流管匯、沉砂池及冷卻池返回鉆井液罐。在控壓起下鉆過程中，鉆井液持續循環冷卻井眼，并通過調節節流閥J1 保持一定的井口回壓，以控制井底壓力，防止井噴發生。當返出溫度持續升高至60 ℃以上時，停止起下鉆；采用大量低溫清水鉆井液循環降溫至返出溫度小于35 ℃后方可繼續起下鉆。

6 結 論

1）通過在導眼及一開鉆進時，采用坂土漿鉆井液體系，很好地維持了井壁穩定；在二開和三開穩定地層鉆進時，使用低溫清水作為循環鉆井液，能有效保護高溫熱儲層并降低井噴風險，極大地節約了鉆井成本。

2）通過采用異形齒PDC 鉆頭和巖石熱裂提速技術，可以有效提高在高溫花崗巖類地層中鉆進的破巖效率，相較于同規格的牙輪鉆頭，單只異形齒PDC 鉆頭的進尺提高了23 %～48 %，機械鉆速提高了33 %～47 %。

3）簡易控壓鉆井技術在保留大部分精細控壓鉆井技術功能的基礎上，對價格高昂的自動節流管匯和回壓泵等進行了優化，雖然無法達到精細控壓鉆井的效果，但相比于常規鉆井技術而言，該技術能夠及時發現并有效保護熱儲，控制井噴，縮短非生產時間。極大地降低了高溫地熱井的鉆井成本，提高了資源的可開發利用潛力。