深部地熱探采井護壁工藝
摘 要：西安深部地熱井0～700 m為Q系地層，低溫層；700～2100 m為R系地層，中高溫層，最高達93°。采用的護壁材料為NV-I鈉土，低溫層選用PAC141為泥漿體系的主體聚合物，中高溫層選用PAC142為泥漿體系的主體聚合物，現場對泥漿性能進行連續維護。使用PAC泥漿實現了長裸眼鉆進，出水量大，水溫穩定，水質潔凈，護壁效果明顯提高。
關鍵詞：深部地熱井；NV-I鈉土；PAC泥漿；護壁
中圖分類號：P634.6＋2 文獻標識碼：B
文章編號：1000-3746(2000)02-0037-02
近10年來，我隊在西安38口地熱井施工中使用PAC泥漿護壁鉆進，平均井深1712 m,最深達2105 m，井徑71/2～121/4in(190.5～311 mm)。成井后平均出水量1800 m3/d，最大單井出水量達3300 m3/d，井口水溫57.5～88 ℃，最高達93 ℃。因此，我隊以成井質量優、合同信譽高、信息回訪及時的優勢贏得了西安地熱探采井的開發市場。本文結合鉆井實踐對深層地熱井的護壁工藝作一介紹。
1 地質特征及熱儲層條件
0～700 m為Q系地層，主要由亞粘土、粘土、中粗砂巖與砂礫互層、粉細砂與粘土互層、局部夾砂礫等構成，由于粉砂、粘土成分較多，透水性較差，構成穩定的隔水頂板。
700～2100 m為R系地層，主要由泥巖、細中粗粒砂巖、砂質泥巖與細砂、中粗砂呈不等厚互層，含礫粗砂巖、細礫巖構成。由于細、中砂成分較多，透水性較強，是較理想的取水層，其取水層總厚達80～400 m。
深部新第三系(N2-1)砂巖與砂礫含水層中賦存的中高溫熱水，主要由大氣降水補給，通過周邊山區構造破碎帶，不斷滲入至基底不透水巖石和巖漿巖的熱傳遞而加溫并儲存于砂巖孔隙間，再通過斷裂破碎帶垂直向上運移至熱儲層中。由于斷裂有利于地下熱水的儲存和運移，深部有巖層孔隙熱，上覆有一定厚度的新生代保溫蓋層，因此具備了形成地下中高溫地熱井的地質構造條件。Q系低溫層平均地溫梯度＜2 ℃/100 m；R系中高溫層平均地溫梯度3～4 ℃/100 m，最高達93 ℃。
2 護壁工藝技術
2.1 護壁材料
鈉土NV-I：造漿原料；陽離子型磺化栲膠SMK：降粘劑、熱穩定劑；腐植酸鉀KHm：頁巖抑制劑；羧甲基淀粉CMS：降失水劑(中低溫地層，其加量高于PAC142)；復合離子型聚丙烯酸鹽PAC141：增粘、絮凝、包被劑；乙烯基單元多體共聚物PAC142：降粘、降失水劑；氫氧化鈉NaOH：酸堿度調節劑。
2.2 Q系低溫地層護壁技術
0～700 m選用具有強包被粘土作用的PAC141為泥漿體系的主體聚合物。該井段的泥漿配方(質量比，%)；NV-I 4～5，CMS 1～2，PAC141 (3‰水溶液)0.5～0.8，NaOH 1～2，SMK 0.3～0.5，KHm 0.5。性能：密度1.05～1.10 kg/L，漏斗粘度40～80 s，API失水量8～10 mL/30 min，泥餅1.5 mm，pH值7～8.5，塑性粘度23 mPa*s，屈服值13.511 Pa，含砂量≤4%。
2.3 R系中高溫地層護壁技術
700～2100 m采用具有較強抗剪切稀釋作用的PAC142為泥漿體系的主體聚合物。該井段泥漿配方：NV-I 3～6，SMK 1～1.5，PAC142 (3‰水溶液)1～2，NaOH 1～1.5，CMS 0.8～1，KHm 0.5。性能：密度1.08～1.12 kg/L，漏斗粘度24～36 s，API失水量6～8 mL/30 min，泥餅0.5～1 mm，pH值7.5，塑性粘度19 mPa*s，屈服值10.743 Pa，含砂量≤2%。
2.4 現場維護
配漿后要連續進行維護，使其性能基本保持不變。需根據泥漿性能變化及時補充各種處理劑或新泥漿，提前2天配制PAC141∶CMS∶NaOH(1∶2∶1)、PAC142∶SMK∶NaOH(1∶1.5∶0.5)復合水溶液以備用，其加量根據現場試驗確定，一般按下列技術措施進行維護。
2.4.1 泥漿大型處理
用井內泥漿、地面泥漿及新補充漿液進行配方試驗，并按循環周期進行處理，按配方順序加入處理劑量，并隨時測試井口泵入及返出漿液的性能，掌握處理效果。
2.4.2 提高塑性粘度和切力
控制NV-I加量，保持泥漿懸浮與攜帶巖屑的能力，以防地熱對井內泥漿產生增稠或固化現象，必須加入抗溫、抗鹽的結構增粘劑PAC-CMS-NaOH。
2.4.3 降低粘度和靜切力
當泥漿失水量較低時，可直接加入清水處理，同時加入抗鈣、抗鹽、抗溫的結構降粘劑PAC142-SMK-NaOH與抑制劑KHm，以防地熱對井內泥漿中的-CONH2-、-OH-、Ca2+等起反應，從而改變粘土晶格表面的結構和帶電情況，降低粘土活性。
2.4.4 降失水
隨著鉆井加深，地熱對泥漿中各種粒子的熱運動加劇，液相粘度降低，導致流動阻力減小，泥漿粘度下降，失水量上升，應用PAC142-SMK-NaOH復合水溶液效果更佳。
2.4.5 防塌
遇構造斷層帶時，增大CMS、KHm加量。
2.4.6 除砂
為了控制或清除泥漿中的巖屑，可加入PAC141高分子絮凝劑絮凝巖屑(一級除砂)，同時利用JSN-2B型泥漿凈化機對泥漿中的無用固相進行凈化(二級除砂)。
3 工藝技術效果
1989～1992年，我們在XFR1、XJR1、DR504、YDR 四口地熱井施工中，使用PHP-CPAN雙聚泥漿護壁鉆進6745 m，平均臺月效率512 m，時效2.44 m/h，純鉆時間利用率為36%，井內事故時間平均占6.3%，成井周期110～135天，單位進尺鉆頭費用58.5元/ m，泥漿成本為13.5元/m。1993年至今一直使用PAC泥漿實現長裸眼安全鉆進，成井率達100%，水井出水量及井口水溫穩定，水質潔凈。特別是護壁工藝效果有了明顯的提高，從而大大地提高了鉆井效率，縮短了成井周期，平均每口井節約資金30余萬元。
3.1 井壁穩定，成井周期短
PAC泥漿體系中的羧胺基、羥基、磺酸基等活性基團在熱力學狀態下，加速粘土微粒充分軟化并附著井壁而形成潤滑的泥餅，使井壁滑潤穩定，便于維護管理，實現安全高效鉆井。CGR3井成井井深2020 m，成井周期82天；WDR1井成井井深2105 m，成井周期89天；CFR1井成井井深2010 m，成井周期78天；CSR1井成井井深2015 m，成井周期92天。比XFR1、DR504井成井周期平均縮短65.8%，臺月效率提高63.9%，時效提高47.5%，時間利用率提高69.9%，節約資金1000余萬元。
3.2 動塑比變化小，牙輪鉆頭碎巖效率高
PAC泥漿的塑性粘度與動切力基本保持在比較穩定的狀況下沖洗井底。一般情況下塑性粘度13～19 mPa*s，屈服值5.382～10.743 Pa，因此該泥漿在環空中流態穩定，有利于升舉巖屑，增加鉆具的潤滑性，降低扭矩，減小摩擦阻力，使牙輪鉆頭在井底能夠充分發揮水力效率，從而提高鉆頭的碎巖效率。據鉆井資料統計，鋼齒(楔形齒)與鑲齒鉆頭在井深800～2100 m砂質泥巖、細砂、中粗砂互層中鉆進的一組數據顯示：夾角較小的楔形齒鉆頭最高鉆速5.3 m/h，平均鉆速2.2～4.6 m/h，鉆頭壽命130～460 m；夾角較大的楔形齒鉆頭最高鉆速4.5 m/h，平均鉆速1.4～3.2 m/h，鉆頭壽命80～290 m；鑲齒鉆頭最高鉆速3.1 m/h，平均鉆速1.5～2.7 m/h，鉆頭壽命70～250 m。由此可見，在西安深部地熱鉆井中，淺層選用夾角較大的楔形齒鉆頭，深層選用夾角較小的楔形齒鉆頭，鋼齒鉆頭比鑲齒鉆頭更能充分發揮壓碎、沖擊、剪切碎巖效果，使鉆頭的單位成本降低64.1%，泥漿費用也隨之降低16%。
3.3 熱穩定性好，井內事故率低
泥漿性能穩定，循環流型變幅小，一般一個臺班小劑量處理一次，10～15天全面調整一次即可。這充分表明，PAC泥漿中各種粒子的熱運動較緩慢，粘土表面和處理劑親水基團的水化作用維持時間長，因此PAC泥漿體系中的分子熱運動能量較低，使泥漿長時間處于熱力學穩定狀態中沖洗井底，基本上杜絕了泥包鉆頭、粘卡鉆具及巖屑沉積埋鉆等井內事故的發生。XFR1井于井深1501.35 m、XJR1井于井深1760.70 m均因故鉆具停留井內8～10 h，當提拉力達480～560 kN時，鉆具仍一絲未動，經過9～13 h的振擊、泡油才將鉆柱的吸附力解除掉，順利將鉆具提出井外。CGR3井于井深1682.60 m、CSR1井于井深1735.40 m亦因鉆機故障，鉆具被迫靜置井內9～16 h，當提拉力達350～450 kN(僅高于鉆具質量8%～15%)時，鉆柱就有活動量了，均用大泵量將巖屑返出井口，鉆柱便可恢復自由旋轉鉆進狀態，因此井內事故時間率下降39.7%。
3.4 固相含量低，水井質量高
由于粘土顆粒分散細化，泥漿的固相含量≤2%，水泵工作泵壓＜3 MPa，因此泥漿中的固相顆粒堵塞破壞含水通道的影響小，并易于破壁和清洗，不污染含水層。XFR1、DR504、YDR、XJR1井破壁換漿時間為22～34 h，洗井16～24 h，井口出水量大、水溫波動較大，水頭損失大，抽水試驗時間相對延長10～15天。而CGR3、WDR1、CFR1、CSR1四口超2000 m深井破壁換漿12～18 h，洗井14～20 h，井口出水量、水溫均衡穩定，水頭損失小。因此，水井交井優良率100%，且使用壽命長，從信息回訪中得知38口地熱井至今尚未出現水井質量問題。
此外，精細濾水管的制作工藝，優化洗井工藝和抽水試驗工作，同樣是不可忽略的重要環節。