北京北苑地区洼里砾岩地层地热井钻井技术

  摘 要:洼里砾岩地层是北京洼里地区一种特殊的砾岩地层。分析了其地质特征、成因及对钻探施工的影响,介绍了在此地区施工的3眼地热井所采用的钻井设备及工艺、钻进中存在的困难及采取的措施。

 

  关键词:洼里砾岩;地热井;钻探工艺;钻具损坏;井斜2000年9月至2004年8月,受北辰集团委托,我院为其绿色家园成功的钻凿了3眼井深600~3700 m的地热井,该3眼地热井的建成,不仅可解决4~5万居民的洗浴、生活热水、游泳娱乐,还大大减轻了对当地的环境污染,其经济意义和社会意义不言而喻,对于地质科技和钻井工艺技术实践来讲,由于钻穿了北京地区号称为/难以攻破的堡垒)))洼里砾岩0,其意义更为深远。其一,进一步认识了洼里砾岩的地质特征,从而可对其成因作进一步的探讨;其二,从钻井实践中总结出一套对付该岩层的钻进方法。

 

  洼里砾岩地层是北京洼里地区一种特殊的砾岩地层,由于其结构成分的特殊性,可钻性极差,该区以往钻井施工中,多因无法钻穿该层而造成报废,或难以达到理想的效果,从而被称为/钻探禁区0。本工程成功地钻穿了洼里砾岩地层,取得了理想的地质成果,并摸索出了一套较好的钻井工艺,本文就有关地质、钻井情况予以介绍。

 

  1 洼里砾岩地质情况。

 

  1.1 洼里砾岩的地质特征。

 

  所谓洼里砾岩,是指分布于北京北苑地区洼里村一带,南至亚运村,北至立水桥,西临清河,东到来广营这一小区域范围内,在侏罗系火山沉积岩中出现的一套特殊岩层,一般呈层状产出,多为1~3层,其厚度从几米至数百米不等。

 

  洼里砾岩多呈深灰色、紫红色、淡绿色、灰绿色等,主要成分为白云质灰岩、燧石条带白云岩、石英岩、安山凝灰岩等,角砾大小不一,分选性差,一般从几毫米至四五十毫米,呈棱角状、半磨圆状等形态,相互挤压,镶嵌在一起。洼里砾岩的胶结物为钙质、泥质和硅质,砾岩普遍存在绿泥石化、绿帘石化、硅化等蚀变。

 

  1.2 洼里砾岩的成因。

 

  前人对洼里砾岩的成因有多种解释,但主流说法为构造岩,根据北苑地区钻凿的3眼地热井中收集到的第一手材料,结合历史资料进行综合分析认为,洼里砾岩具有成层性,个别层位最大厚度可达400余米,砾岩中的燧石条带白云岩多呈半磨圆状,显然经过了流水搬运过程,另外砾石分选差、成分杂,说明搬运距离较近。综合上述,我们认为,洼里砾岩是由早期的构造活动(九龙山向斜和八宝山断裂)把深部蓟县系雾迷山组地层推覆于石炭-二叠系之上,经风化、剥蚀和搬运,在新形成的凹陷盆地底部迅速堆积下来,洼里砾岩层之间的安山质凝灰岩则是其间火山喷发作用的产物,为此,厚度巨大的洼里砾岩即在沉积盆地中生成。

 

  1.3 从钻探工艺上看/洼里砾岩。

 

  探矿工程(岩土钻掘工程)(1)洼里砾岩分选性差,大小不均,软硬不均,造成严重/跳钻0,钻具在长期/跳钻0的情况下极易疲劳而断折,致使下部钻铤和钻杆等钻具多次折断和脱落于孔内,引发大量孔内事故。

 

  (2)洼里砾岩有强烈硅化现象,且砾石中有部分石英岩,硬度较大,增大研磨程度,使钻头消耗增加。

 

  (3)洼里砾岩钻进,钻压过大易形成井内钻具非正常破坏和井斜加大;钻压小则易形成/跳钻0引发孔内事故。转速高使井内钻具离心力加大,钻具非正常磨损加大;低转速影响钻进时效。合理的钻进参数很难掌握。

 

  洼里地区以往钻井中,因洼里砾岩地层钻井困难,井深仅达几百米,个别井深在2000 m左右,因而难以获取高温、大流量地热水资源。

 

  2 施工工艺。

 

  2.1 井身结构。

 

  根据勘查报告及地层特点,确定井身结构为四开。

 

  2.2 钻井设备。

 

  根据井身结构特点,一般选用施工能力在3500m以上的石油或水井钻机;排量\50 L /s,额定泵压\30MPa的水泵;垂直空间高度\40 m的井架;功率\800 kW(1300PS)的柴油机。

 

  2.3 钻具组合。

 

  洼里砾岩多在二开至三开钻进地层中,因而在二~三开钻进中,要充分注重钻具的组合,特别是加重钻铤的配备,保证?203、178、159、127 mm各种钻铤的合理配套。

 

  2.4 钻进参数。

 

  通过统计总结,较合理的钻进参数见表3。

 

  2.5 钻进液性能及配制。

 

  2.5.1 钻进液性能。

 

  根据地层情况,在洼里砾岩钻进中,主要考虑携带岩屑(粉)能力和防塌、掉块能力,因而以固相泥浆为主其性能参数见表4。

 

  2.5.2 钻井液配制、维护。

 

  开钻用峰峰黄土造浆+NaOH( 011% ) +Na2CO3(015% )作预水化处理,密度111~112 kg /L,粘度25~35 s,遇坍塌层时可以从井口添峰峰黄土达到护壁的目的。

 

  正常钻进采用基浆稀释后,加入KPAM(011%~012% ),NPAN(013% ~015% ), FT-342(015% ),钻进过程中不断补充KPAM和NPAN。

 

  及时除砂,振动筛使用大于90%,除砂器使用大于80%。

 

  易坍塌地层钻进时,钻井液中FT-342含量不低于2%。

 

  3 钻遇的洼里砾岩地层工作量统计。

 

  上述三开中,共钻遇洼里砾岩1177 m,其层厚从南往北逐渐变薄,埋深变浅。

 

  4 洼里砾岩钻进的主要困难和处理措施。

 

  4.1 钻进的主要困难。

 

  44探矿工程(岩土钻掘工程)自二开385 m进入侏罗系,地层岩性主要为灰绿色洼里砾岩、紫红色安山岩、暗红色凝灰质角砾岩、凝灰质砂岩等。该段地层岩石胶结好,致密坚硬,可钻性差,钻头易于磨损,进尺缓慢。

 

  洼里砾岩砾石均为碳酸盐岩角砾,钙质胶结,砾石硬度大于胶结物,造成地层软硬不均,砾石脱离其胶结物以后,在孔底位置不稳定,导致钻进中发生严重的/跳钻0现象。/跳钻0导致井内钻具在回转的情况下极易疲劳而折断,致使下部钻具脱落于井内。

 

  本次施工钻遇洼里砾岩总厚度达1177 m,先后发生钻铤折断事故30余起,占用了大量的钻井时间。由于措施得当大都在48 h内处理完毕。但造成了大量的钻杆、钻铤、钻头和减震器损坏和报废。

 

  4.1.2 降低钻头使用寿命。

 

  钻头在碎岩过程中受冲击振动作用,使钻头非正常破坏严重,崩齿、掉牙轮较多,钻头寿命偏低。

 

  4.1.3 引发机械事故。

 

  由于洼里砾岩的不均匀性导致/跳钻0,引发设备、机械事故。

 

  4.1.4 影响钻井质量。

 

  由于地层的不均匀性导致钻具的横向摆动加大,使井斜增大。JR -94井在1350~1500 m段, JR-130井在2100~2200 m段, JR -147井在1150~1250 m和1750~1850 m段的洼里砾岩地层,井斜明显加大。

 

  4.2 主要措施。

 

  4.2.1 选择合理的钻具及级配,安装相应的减振器。

 

  钻压过大加大冲击力,加剧钻具破坏;钻压过小,难以有效切入岩石,降低钻速。冲洗液量大,孔内压力增加,冲击力加大;冲洗液量过小则排屑不利。转速高,振动加剧;低则影响钻效。表3是较合理的规程参数。

 

  同样,泥浆的选择亦很重要。

 

  4.2.3 及时检查、更换钻具。

 

  每钻进100~120 m应提钻检查钻具,密切注视井内情况,如有异常,及时提钻。

 

  4.2.4 保持钻铤的质量和数量。

 

  通过分析统计,钻具折断大都在距井底60~80m处。究其原因,主要是这段钻具受力较大,通过这段钻具后冲击力相对减小。因而应经常对井底100m以内的钻铤进行详细检查并保证井内钻铤的数量。

 

  4.2.5 钻井现场必须配备各种工具。

 

  钻井现场必须配备齐全各种打捞工具和仪器,以便井内发生事故时及时处理,防止事故恶化。平时要对工具、仪器及时清理和保养,以备急用。

 

  5 主要成果。

 

  通过本工程施工,不但在地热空白区开发出了温度高、水量大、水质好的地热资源,同时也摸索了一套洼里砾岩钻井经验。以优质高效赢得了业主好评。

 

  6 结语。

 

  上述3眼地热井的施工,对奥运公园及洼里周边地区地热井的开发具有指导意义,也使我们突破了洼里砾岩钻探禁区。但要详细总结出一套完整的钻井规律,仍需进一步的研究。