地热钻井技术知识讲座(张探)王玉国.pdf

地热钻井知识讲座 主讲人：王玉国 北京市地质矿产勘查开发局 前前言言 定义定义：：地热钻井作业是利用专业钻井设备，采取一定的技术 方法，向地下钻取地热资源的过程所以由两大系统组成：人力人力 资源系统和钻进设备系统资源系统和钻进设备系统 人力资源系统又分为钻井工程技术人 员和钻井现场操作人员， 钻井工程技术人员为优化钻井作业提供 强有力的技术支持， 包括钻机选型、 工程技术、 钻井液工艺技术、 套管和固井程序、钻井参数、钻头设计、钻具组合及完井作业设 计等；钻井施工由操作人员完成，包括带班队长（机长） 、司钻、 井架工和钻工等岗位 钻井硬件系统包含： 动力系统、 提升系统、 泥浆循环系统、旋转系统、转动系统、控制系统等 下面就地热钻井工程涉及到的有关技术知识做简单梳理 课程大纲课程大纲 钻井地质基础知识钻井地质基础知识 钻井施工与钻井施工与技术技术 泥浆基础知识泥浆基础知识 钻井事故与安全生产钻井事故与安全生产 钻井工程管理（人员组织与成本控制） 一、钻井地质基础知识一、钻井地质基础知识 正如前言所述，钻井作业是向地下钻取我们所需物质，钻井 作业的对象就是地下岩石（岩土） 岩石在钻进过程中表现出来 的物理、力学、机械性质及分类，是正确选择钻井工艺和指导钻 井作业的重要依据， 所以钻井从业者首先必须对岩石有相应的了 解，并掌握必要的岩土监测方法，这包括岩石性质以及对钻井的 影响、钻时录井（对于地热钻井尤为重要（对于地热钻井尤为重要）） 、地球物理测井等。

了解地层可以有效避免井内事故的发生 （一）岩性类别 按照岩石的成因我们一般把岩石分为三大岩类： 岩浆岩（火成岩） 、沉积岩、变质岩 从钻井作业出发，地层按照粘结状态可分为四种： 1 固结性地层固结性地层：突出特性是高硬度，生产中通常会遇到完整 的和破碎性的两类，钻井作业完整的岩石井壁稳定，而破碎性的 井壁稳定性差需要加固，如用泥浆或套管； 2 松散性地层松散性地层：由无粘结性的不同形状与大小的颗粒聚结而 成，如第四系砂、卵漂砾石等，地层松散不稳定，钻井施工必须 加固井壁防止坍塌； 3 粘结性地层粘结性地层：主要由粘土矿物碎屑颗粒组成，在湿润条件 下容易发生残余变形、遇水膨胀，使井壁缩径或坍塌，可以用高 压和降低钻井液失水、增加润滑等办法使其内聚力恢复，稳定井 壁； 4 流动性地层流动性地层：由含水的细砂、亚砂土等砂质黏土类岩石组 成，俗称流沙层钻进中必须边钻边加固井壁 岩石性质对钻井的影响主要表现在岩石性质对钻井的影响主要表现在： 影响钻进速度与钻头进 尺：使钻进过程中出现井漏、井喷、卡钻等复杂情况：钻井液受 到污染，性能变差，井径不规则、井斜，进而影响到测井、下管、 固井等 （二）岩石的物理性质 岩石物理性质指岩石在生成、 构造运动及风化过程中自然形 成的特性。

1密度密度：单位体积岩石的质量，影响岩石的强度； 2孔隙度孔隙度：岩石中的孔隙体积与岩石的总体积之比岩石孔 隙减弱岩石强度，影响钻进工艺技术的选择与水井的出水量； 3各向异性各向异性：岩石中的矿物组合形式与空间分布形态决定了 岩石中可能存在节理、片理和层理，造成岩石在行或垂直于层 理方向上的力学性质差异，影响钻井钻头碎岩方向性改变，导致 孔斜 （三）岩石的力学性质 岩石的力学性质是其在外部载荷的作用下产生的物理性质 变化，即岩石抵抗变形和破坏的能力，如强度强度、硬度硬度、弹性、脆 性、塑性等钻井就是破坏岩石力学性质的过程，岩石的力学性 质影响钻井碎岩机理，从而影响钻进效率 岩石的抗压强度和硬度有关系但又有较大的区别， 强度是岩 石在外载（静载或动载）作用下抵抗整体破坏时的阻力，而硬度 则是反映岩石抵抗切削具或压膜压入或侵入其表面时的阻力 因 此硬度指标更接于钻进过程的实际情况 （四）岩石的机械性质 1 研磨性研磨性：即岩石磨损工具的能力用机械方法破碎岩石 的过程中，钻头本身也受到岩石的磨损而变钝，直至损坏机械 回转钻井，除了岩石的物理与力学性质外，岩石的研磨性决定碎 岩工具的效率与寿命，对钻井规程参数选择、钻头设计与使用具 有重大意义。

2 可钻性可钻性：即在一定的钻进方法下岩石抵抗被钻头破碎的 能力或钻进岩石的难易程度 它即取决于岩石自身的物理力学性 质，同时与钻进工艺技术息息相关，是岩石在钻进过程中显示出 来的综合指标 （五）地质录井工作 1 钻时录井钻时录井：：就是将钻进参数（钻压、泵量、转速） 、钻具 组合、泥浆性能、纯钻时间、进尺、接单根、停钻、停泵、变泵 等一些情况详细记录在钻时记录表上（班报表） 钻时的变化能 反映地层的坚硬或松散程度 根据钻时的大小可以粗略地判断岩 性和进行地层对比根据钻时记录绘制钻时曲线，并结和有关地 质资料，对地层、岩性等情况进行综合分析 2 岩屑录井：岩屑录井：在井深不断加深过程中，按照一定的取样间 距和迟到时间，将岩屑连续收集起来，进行观察、分析，并综合 运用各种录井资料进行岩屑归位，以恢复地下原始剖面的过程 3 岩心录井：岩心录井：利用取心工具，将井下一定深度地层的岩石 以柱状形式取上来，并对其进行分析、研究而取得各项资料的过 程在很长一段时间这项工作被忽视，但在有些地方及来加强 了这项工作其实对于地热勘查时必须的，尤其是地层发生变化 的时候，取到实物地质资料非常重要，对于了解地质结构，判断 地层走向，预测富水性很有帮助。

4 简易水文地质观测：简易水文地质观测：观测能初步确定地层含水层位、厚 度、埋深、水位、透水性、含水性和富水性及钻进过程中碰到的 软弱夹层的层位、埋深、岩性等，对于进一步开展矿区勘查及水 文地质勘察工作具有十分重要的指导意义 （六）地球物理测井 对于地热资源勘查同样很重要，分析、研判地层各种性质， 方法很多，简列几项： 1 电法测井电法测井：：是通过研究井下岩层及所含流体的电学性质， 进而研究岩层的岩性、相应矿物质物性和含量的方法 2 声波测井：声波测井：就是利用岩石等介质的声学特性来研究钻井 地质剖面，判断固井质量等问题的一种测井方法其又分为声波 时差测井和声波幅度测井 3 放射性测井：放射性测井：是根据岩石和井内介质的核物理性质研究 钻井剖面， 寻找有用矿藏及研究钻井工程质量的地球物理测井方 法其可分为探测伽马射线和探测中子的方法 4 其它测井方法其它测井方法 ⑴地热井井温测井 ⑵钻孔倾角与方位角测井 二、钻井施工与技术二、钻井施工与技术 钻井工作主要包括：运输搬家、设备安装、安全检查与技术 交底、开钻及钻进、起下钻、物探测井、下套管、固井、洗井与 抽水试验、验收、拆卸设备等 在钻进过程中需要应用各种钻进技术、执行相关技术规范、 遵守机具操作规程，从而保证顺利完成整个钻井施工过程，包括 钻进、 起下钻、 测井、 固井、 洗井及事故预防与处理等施工程序。

（一）设备安装  钻井设备安装工作主要内容有：钻台与井架基础施工、设 备就位、校正设备、固定设备等设备的安装工作可在整个井场 同时展开  设备进场或就位前，应先规划井场布置，做好排水、排污 沟渠，安装围挡，基础施工等  安装顺序原则上讲，应先底座，后钻机设备；先提升系统， 后转盘、 绞车和钻台工具； 合理安排设备进场顺序， 设备就位后， 及时进行校正和固定  设备安装质量要求设备安装质量要求：： “七个字” 标准和“五不漏”要求 1：指设备安装的水度要符合标准，工作台要铺 2稳：指设备安装时不悬空，运转时不振动 3正：设备位置要对正，不偏不斜，偏差要符合标准 4全：设备零部件、护罩、固定螺丝等要齐全 5牢：设备固定要牢固 6灵：设备的刹车控制系统要灵活可靠，仪器、仪表要 灵敏准确 7通：各种管线、电路、排水排污等要畅通 8五不漏：不漏油、气、水、电、泥浆 这些工作都是井队负责人的基本工作要求 （二）钻井施工 1 钻井设备选择：钻井设备选择：钻机的形式很多，如常用的普通回转钻 机、全液压动力头钻机、电动顶驱钻机、冲击钻机、旋挖钻机、 长短螺旋钻机等，还有车装、散装、块状形式的钻机，水上、路 上、海上、沙漠钻机等等……对于钻机的选型应按照所钻井的 目的、地层结构及设计要求， （如：开采目的、地层岩性、开终 孔口径、孔深、井身结构、特殊设计等） 。

合理选择设备的原则是：实用实用、、经济经济、、能够满足钻井施工即能够满足钻井施工即 可实现““快、好、省快、好、省”” （速度、质量、经济（速度、质量、经济）） 2地热（水井）钻进方法选择（见下表）地热（水井）钻进方法选择（见下表） 3钻进钻进 基岩地热成井一般分：一开（表层井段、主泵室段） 、二开 （技术井段、 泵室段） 、 三开 （技术井段Ⅱ级） 、 四开 （开采层） …… 设备安装完之后，依次开钻，并依次下入表层套管、技术套管、 水泥固井等 常用基岩地热井井身结构常用基岩地热井井身结构 （三）钻井技术 1 地热井的类型地热井的类型 按照地热勘查规范，地热井类型分类如下 2 地热钻井技术流程地热钻井技术流程 3 地热钻井常用钻具组合地热钻井常用钻具组合 4 防斜保直钻井技术防斜保直钻井技术 施工垂直井时如果井斜超标，井眼偏离预定位置，将会导致 地质工作得出错误的结论或偏离预定含水层， 尤其是小构造地层 另外井斜过大，狗腿严重易使钻具疲劳破坏和产生键槽卡钻，甚 至造成严重的井下事故，对测井、下套管、固井均有不利影响； 防斜和纠斜主要是通过改变下部钻具组合与合理控制钻进 参数来实现，如满眼钻具组合、钟摆钻具组合（钻铤和按计算而 设置一定间隔的两个到三个扶正器所组成，支点和钻压确定） 、 塔式钻具组合、高转速低钻压钻进等。

如果井斜严重，远超出钻井设计规定，需要大偏角纠斜，可 以水泥填井，合适角度的弯螺杆+无磁钻铤反向定向随钻监测纠 斜钻进，成功率比较高 另外，用单弯螺杆钻具复合钻进可以有效防斜 5 喷射钻井技术喷射钻井技术 喷射钻井就是利用钻井液流经钻头喷嘴所形成的高压射流 充分清洗井底，使岩屑免于重复切削，并与机械作用联合破碎岩 石，达到提高钻速的先进钻井技术 此外，在钻进泥岩、松软或高粘性的泥岩、泥包砾等地层， 清理钻头泥包、提高钻进效率 6 取心钻进技术取心钻进技术 取心就是利用取心工具，从地下取出岩样（岩性）的作业 岩心是认识地热流体与含水地层的一手资料， 现在很多地热勘探 孔、开采井都要求钻取岩心，是地热勘探和开发很重要的一项工 作地质工作者通过对岩心的分析研究，可以取得更为完整、准 确的地质资料，掌握地热资源的分布规律，地层的厚度、岩性、 孔隙度、渗透率、裂缝发育等情况，为制定合理的勘探、开发方 案，准确地计算储量，采取有效地增产措施提供可靠的依据 钻井取心多采用筒式取心工具，其结构组成有：取心钻头、 岩心筒、岩心爪、扶正器及回压凡尔等 7 定向井钻井技术定向井钻井技术 定向钻井首先要进行定向井的井身剖面设计， 选择好井眼曲 率、井眼形状及造斜位置，然后选取一定的造斜方法和造斜工具 进行造斜。

通过造斜（增斜） 、稳斜、降斜等阶段（技术手段） ， 并且在每个钻进阶段不间断地进行测井，录取井深、井斜、井斜 方位角等资料，绘制出实际井眼轨迹曲线，并与设计相对照，如 果不符合井身剖面设计的，要加以调整，或增斜、降斜、扭方位 等，使之达到设计要求 8 衡钻井技术衡钻井技术 为了增加地热井或水文水井产能（出水量） ，提高钻井速度， 减少卡钻、井漏等事故的发生，井底压差应该是越小越好，最理 想的钻井状态为井底压力等于地层压力，使井底压差等于零在 井底压力等于地层压力条件下的钻井过程为衡钻井 衡钻井 是很难做到的，一般情况下是使井底压力稍大于地层压力，保持 最小的井底正压差， 这种在井底压力稍大于地层压力条件下的钻 井过程称之为衡钻井也是我们努力的方向还有欠衡、 过衡当量密度：就是钻井液在地层中的压力用密度表示，地 。