泡沫流体钻井技术在肯尼亚OW904 超高温地热井的应用

  地球的深部蕴藏着巨大的热能。在地质因素的控制下，通过一定介质以热蒸汽、热水、干热岩等形式向地壳的某一范围聚集，形成地热资源。预计地球蕴藏的地热能约为14.5×1025J， 折合4 948×1012t标准煤［1］。这么丰富的地热资源通过科学合理的开发利用，使之成为可供人类利用的一种新型能源已成为当务之急。地热资源按照介质的温度不同可分为高温（大于150℃）、中温（90℃~150℃）和低温（小于90℃）。对于低温和中温地热井通常采用常规钻井液，对于高温地热资源，尤其是超高温地热资源的开采，常选用稳定泡沫钻井流体。稳定泡沫流体能较好地起到防漏堵漏作用和在低压状态下建立欠平衡条件， 提高钻井速度。肯尼亚OLKARIA 地区的OW904 井就属于超高温地热井。

 

  1 OW904 地热井基本情况

 

  中石油长城钻井公司于2006 年底中标肯尼亚KenGen 电力公司在肯西南地区（OLKARIADOMES）6 口井的地热井钻井服务项目。OW904 井是该项目于2007 年6 月18 日开钻的第一口地热资源评价井，是一口定向井，由辽河石油勘探局钻井二公司GW188 队承钻，使用ZJ40L 钻机，辽河石油勘探局定向井公司实施定向施工，长城公司空气队实施泡沫钻井技术服务。钻探目的是为了测定地下主要地热系统的地质构造。该井海拔高度为1 940m，设计井深2 800m， 造斜点为400m， 最大井斜角为20°，方位角为北偏东45°。8 月19 日交井，完井周期为62d。KenGen 电力公司曾经在此区块完钻3 口直井，漏失比较严重，钻井周期逾100d。

 

  2 地质构造和地层岩性

 

  OLKARIA 构造是一个火山喷发岩沉积的开放性隆起。在地表该隆起大约长42km，宽28km，目的层深度2 000～2 540m。该构造与邻近的构造呈不均匀的阶梯状。OLKARIA 隆起与临近的OR-POWER范围内的其他隆起相比埋藏较深。该构造在东北方向陡峭断崖处露出地面。从山地表面到目的层主要以流纹岩、粗面岩和玄武岩为主，凝灰岩次之，上部地层有少量的燧石和黄铁矿夹层。全井基本无泥质含量，具有典型的高温地热（蒸汽型）地层的特点:主要是裂缝发育的火山岩，地层压力低，漏失严重。

 

  3 技术难点及关键技术

 

  漏失和超高温是该井的两大钻井难点。

 

  （1）漏失问题

 

  从实钻情况来看，由于裂缝和溶洞非常发育，全井从地表至目的层中的任何一点都有可能发生漏失，而每一次发生的漏失几乎都是完全漏失，无漏层或漏点规律可寻。所以低密度气基泡沫流体钻井技术在此是优选的钻井技术之一，有利于建立欠平衡条件，防漏堵漏。

 

  （2）高温问题

 

  该井从地表300m 开始就有高温蒸汽出现，温度高达180℃以上；随着井深的增加，地温则不断升高，当井深在1 224m 以下时，温度高达250℃以上，据甲方资料最高温度达350℃， 已经超出了我们仪器的测量范围。如何解决钻井流体抗高温能力是钻井的技术难点之二。

 

  （3）关键技术

 

  从钻井工程上来讲，采用合理的套管程序是解决井眼中技术难点的基本手段，应用低密度气基稳定泡沫流体，有利于建立欠平衡条件，防漏堵漏，提高机械钻速，是实现这一手段的关键技术，解决钻井流体的抗温能力则是实现这一技术的关键问题。

 

  4 超高温地热井钻井泡沫流体技术要点

 

  OW904 井从井下300m 开始地层温度就达到180℃以上，随着井深的加深，最高温度达到350℃。

 

  因而对形成泡沫流体的发泡剂而言，最关键的是它的抗温能力。超高温度对发泡剂的影响主要是高温降解作用，在高温条件下，构成发泡剂的一些基团会发生变异而失去它的起泡作用，从而在钻井过程中导致一系列井下事故的发生。

 

  泡沫是热力学不稳定体系。表面活性剂能降低表面张力，促进泡沫形成。但是泡沫的稳定性取决于气泡间液膜的粘弹性和机械强度，而液膜的粘弹性和机械强度主要取决于由表面活性剂产生吸附膜的柔韧能力和抗冲击能力。在超高温地热井施工中，要求形成气泡间的液膜具有在高温条件下能抵抗超高温（抗蒸发）、抗压和抗剪切的能力。

 

  5 泡沫流体钻井技术的应用

 

  在OW904 井的实际钻井过程中，采用清水钻井解决表层和上部地层的井漏问题；采用充气水和抗高温硬胶泡沫解决中、深部地层井漏问题；采用抗高温保护剂提高原有发泡剂的抗高温能力，保证发泡剂的高温稳定性，从而形成了一套适合肯尼亚地热井的泡沫钻井作业程序和特有泡沫流体配方，顺利完成了钻井施工任务，取得了较好的经济效益。

 

  5.1 泡沫钻井设备

 

  空压机4 台，增压机3 台，雾化泵1 台，注入泵1 台，气体流量计1 台，液体流量计1 台，泡沫发生器1 台，温度监控仪1 台，高、低压管汇1 套，排砂管1 套，节流管汇1 套，21 1/4“旋转头1 套，13 5/8”旋转头1 套，基液罐1 座，干燥机1 套。

 

  该设备供气能力为102m3/min， 最高工作压力为15.4MPa。OW904 井泡沫钻井工艺流程见图1。

 

  5.2 抗高温保护剂的应用

 

  使用泡沫钻井， 从井筒返出的钻井流体是一次性使用， 能抗高温的发泡剂相对与常用钻井液用发泡剂价格昂贵，必然会大大增加钻井成本。因此，在OW904 井采取了在现有发泡剂的基础上，通过加入抗高温保护剂来提高泡沫流体抗温能力的办法，取得了较好的效果。

 

  长城公司委托钻井工程技术研究院研制了HT-1 新型抗高温保护剂。通过在实验室的实验和现场应用证明：HT-1 对泡沫流体具有良好的抗高温保护作用，在形成泡沫的基液中加入1%HT-1 能将发泡剂的极限抗温从原来的180℃提高到240℃；HT-1 在不同温度下对Ca2+、Cl-的污染不敏感，不会影响原有发泡剂的抗污染能力；HT-1 具有在高温条件下保护泡沫流体良好活性的作用。

 

  5.3 应用的套管程序

 

  采用合理的套管程序是解决井眼中存在的技术难点的基本手段。OW904 井采用四层套管的井身结构。一开用准660.4mm 钻头清水钻至井深68.17m，下准508mm 套管至63.5m 封隔表层漏失段，建立井口；二开用准444.5mm 钻头， 用充气水钻至井深315.52m，下准339.7mm 套管至306.52m 封隔上部漏失层， 为三开泡沫钻进做准备； 三开已进入高温地层，交替使用充气水和稳定泡沫流体，交替时间视井温而定，准311.2mm 钻头钻至井深1 259m， 下准2 44.5mm套管至1 250.66m；四开全井段地层温度都在260℃以上，用稳定泡沫流体，准215.9mm 钻头钻至2 799.31m，下准177.8mm 尾管至底部，尾管顶部1 228m，与准244.5mm 生产套管重叠段长22m。

 

  5.4 三开、四开钻具组合和技术参数

 

  三开钻具组合：12 1/4" 钻头+ 浮阀接头+311mm 扶正器+ 8"无磁钻铤1 根+ 311mm 扶正器+ 8"无磁钻铤1 根+ 8"钻铤2 根+ 5"加重钻杆15 根+ 5"钻杆。参数：气量为75～100m3/min；钻压为8～16T； 转速为60～80r/min。使用了3 个钻头。

 

  四开钻具组合：8 1/2" 钻头+ 钻头接头+195mm扶正器+ 8"无磁钻铤1 根+ 195mm 扶正器+ 8"钻铤1 根+195mm 扶正器+ 8" 钻铤3 根+195mm 扶正器+ 8"钻铤4 根+ 5"加重钻杆9 根+ 5"钻杆。参数：气量为50～75m3/min；钻压为8～12T； 转速为60～80r/min。使用了4 个钻头。

 

  5.5 泡沫钻井防钻具内喷的措施

 

  由于本井使用充气水钻井液， 钻进和循环过程中钻具内钻井液密度总是小于环空中的钻井液密度，这样一停泵就会发生钻井液倒返甚至内喷，一旦井底蒸汽喷至井口， 再抢接方钻杆或井口内防喷工具将是极其困难的。为此必须在钻具底部安放回压凡尔， 在甲方不要求继续测斜的情况可以在钻具中部（起钻时钻头能进入套管鞋时的位置上）加装一个回压凡尔。一旦发现回压凡尔不起作用时，打完一根单根必须先停气，继续清水循环至立压为0，再循环2min，方可卸开方钻杆，这时钻具内液体密度要大于环空中的，发生钻具内喷的可能性会大大降低。

 

  5.6 防地层高温水蒸气的措施

 

  在不定的时间内向井内灌入冷水，让地层保持适当的漏失达到降低循环温度的目的；而清水是不会给地层造成永久性伤害的，这是地热井和油气井钻井的最大区别。

 

  5.7 接单杆和测斜时采取的措施

 

  由于地层漏失严重，全井基本上都是采用充气水和泡沫，携砂和“悬砂”效果都受到一定影响，停泵后井眼中岩屑迅速下沉，使得钻具下放不到底，用稠泥浆清洁井眼为定点泵入稠泥浆封井“悬砂”，效果很好，基本不影响接单与测斜。

 

  5.8 解决井眼清洁问题的措施

 

  所钻地层除表层外， 基本上都是火山喷发岩。从OW904 井的实钻情况来看， 井眼的稳定性非常好，即使是空井眼也不会发生井壁垮塌和缩径现象。

 

  这就为钻井带来了很多的方便。解决井眼清洁问题的措施是：

 

  （1）在清水中加入适量的发泡剂作为泡沫基液，并根据井深和地层漏失状况在泡沫基液中充入一定量的空气，保持泡沫的质量系数在0.55 左右，这样可建立一个良好的循环来保证携岩效果。

 

  （2）在不能建立循环的漏失地层，在泡沫性注入参数不变的情况下，可进行盲钻。但在盲钻过程中要经常测试井眼是否清洁。测试的方法是：刚开始盲钻时，先钻井3～4m，上提钻具，然后停止泡沫流体的注入钻具静止5min 左右，然后再次下入钻具，测试井底是否有沉砂，如果没有沉砂则开泵继续往下钻进。

 

  注意在重新下入钻具过程中不要开泵和转动转盘。

 

  以后不管是否返出，只要每次接单根能下放到井底，就可放心地进行盲钻。

 

  （3）在建立循环时，一定要进行“大”循环，既返出的流体在除气后要排入废水坑中进行散热， 然后用潜水泵抽回继续使用， 由于废水坑的散热面积较大，可较迅速地降低循环流体的温度，这样可有效地抑制循环流体温度持续升高。

 

  （4）在循环流体再利用时，要适当补充发泡剂，保证流体的质量系数不会太低， 这样可有效地抑制断塞流的产生，有利于清洁井眼。

 

  （5）严格控制气体的注入量。充气钻井中并不是气体注入量越多越好。当气体不能完全分散于气体中时，就会破坏流体的层流状态，在环空中形成紊流或断塞流，这样将严重影响流体的携砂能力。

 

  6 结论

 

  （1）抗高温保护剂可以提高原有发泡剂的抗高温能力， 加入该保护剂的稳定泡沫流体能够解决常规钻井液不能解决的严重漏失问题。

 

  （2）在OW904 井顺利完成钻井施工，说明充气水和泡沫钻井工艺安全、合理。

 

  （3）充气水和泡沫钻井提高了机械钻速，减少了钻头使用数量，降低了钻井成本。

 

  （4）地热井钻井不同于油气井钻井，首先表现在地温梯度无规律可寻， 地层温度远远高于油气井的温度，一旦几百度的水蒸气涌出地面，其控制程序完全不同于油气的控制， 甚至油气井的相关控制设备将会失效。因此， 不能让地层里的水蒸气喷到地面来，必须通过不定期地向井内灌入冷水，让地层保持（4）对M气田控缝高压裂设计提出了主要参数取值建议。