地熱鉆井

定向井技術(shù)在地熱井施工中的應用

1.定向井技術(shù)簡介
 
  1.1 定向井基本概念
 
  定向井就是使井身沿著預先設(shè)計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法。其剖面主要有三類:(1)兩段型:垂直段+造斜段;(2)三段型:垂直段+造斜段+穩(wěn)斜段;(3)五段型:上部垂直段+造斜段+穩(wěn)斜段+降斜段+下部垂直段。
 
  定向井技術(shù)是當今世界最先進的鉆井技術(shù)之一,它是由無磁傳感控制鉆頭運動軌跡,使鉆頭沿著特定方向鉆達地下預定目標的鉆井工藝技術(shù)。采用定向井技術(shù)可以使地面和地下條件受到限制的地熱資源得到經(jīng)濟、有效的開發(fā),具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。定向井就是使井身沿著預先設(shè)計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法
 
  1.2 定向井基本應用
 
  (1)地面限制:埋藏在高山、城鎮(zhèn)、森林、沼澤海洋、湖泊、河流等地貌復雜的地下,或井場設(shè)置和搬家安裝碰到障礙時,通常在它們附近鉆定向井。
 
  (2)地下地質(zhì)條件要求:用直井難以穿過的復雜層、鹽丘和斷層等,常采用定向井。
 
  (3)鉆井技術(shù)需要:遇到井下事故無法處理或不易處理時,常采用定向井技術(shù)。
 
  (4)其它需要:其它需要用到定向井時。
 
  1.3 定向井基本分類
 
  (1)按設(shè)計井眼軸線形狀可分為:①兩維定向井:井眼軸線在某個鉛垂平面上變化的定向井,井斜變化,方位不變化;②三維定向井:井眼軸線在三維空間變化的定向井,井斜變化,方位變化,包括:三維糾偏井和三維繞障井。
 
  (2)按設(shè)計最大井斜角可分為:①低斜度定向井:井斜小于15 度,鉆井時井斜、方位不易控制,鉆井難度大;②中斜度定向井:井斜在15-45 度之間,鉆井時井斜、方位易控制,鉆井難度相對較小,是使用最多的一種;③大斜度定向井:井斜在46-85 度之間,其斜度大,水平位移大,增加了鉆井難度和成本;④水平井:井斜在86-120 度之間,其鉆井相對較難,需要特殊設(shè)備、鉆具、工具、儀器。
 
  (3)按鉆井的目的可分為:救援井、多目標井、繞障井、多底井等等。
 
  (4)按一個井場或平臺的鉆井數(shù)可分為:①單一定向井;②雙筒井:
 
  一臺鉆機,鉆出井口相距很近的兩口定向井;③叢式井(組):在一個井場或平臺上,鉆出幾口或幾十口定向井和一口直井。
 
  2.國內(nèi)外定向井技術(shù)發(fā)展
 
  2.1 定向井技術(shù)往昔
 
  定向井通常采用的軌道剖面是“直—增—穩(wěn)”和“直—增—穩(wěn)—降—穩(wěn)”或與之相近的剖面結(jié)構(gòu),在數(shù)量上以“直—增—穩(wěn)”三段制結(jié)構(gòu)占絕大多數(shù)。對于這種剖面,早期的定向井鉆井在造斜點以下井段是分三步施工的,即彎接頭+直螺桿定向造斜、轉(zhuǎn)盤鉆進增斜和轉(zhuǎn)盤鉆進穩(wěn)斜。該施工步驟相對而言較為復雜,且由于定向井井眼軌跡的井斜變化和方位漂移量受地層巖性、鉆具結(jié)構(gòu)、鉆進參數(shù)等諸多因素影響,如果沒有對相應區(qū)塊的鉆井施工經(jīng)驗,判斷和量化分析井斜、方位變化規(guī)律存在一定的難度。
 
  2.2 國內(nèi)定向井技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展
 
  隨著彎殼體泥漿馬達、高效PDC 鉆頭的研制成功和無線隨鉆測量技術(shù)的發(fā)展,導向鉆井系統(tǒng)逐步發(fā)展,并成為定向井技術(shù)發(fā)展的最重大的成果。最初是彎殼體動力鉆具與MWD 組成的滑動導向鉆井系統(tǒng),近年來又出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)。導向鉆井系統(tǒng)的最大優(yōu)點是一套工具下入井內(nèi)后,可以增斜、降斜和穩(wěn)斜,可以根據(jù)需要鉆出不同曲率的井眼,從而大大提高了井眼軌跡控制能力。如英國BP 公司1999 年7 月在英國WytchFarm 油田完成的M16SPZ 井,完鉆井深11278m,垂深1637m,水平位移達10728.4m。1997 年6 月中國南海西江24-3-A14 井的水平位移達到了8060.7m。20 世紀90 年代末期,經(jīng)過鉆井工作者的共同努力,國內(nèi)定向井技術(shù)逐步發(fā)展成熟,相繼完成了一大批各種難度的定向井、叢式井、大位移井、三維多目標井、三維繞障井,形成了較為成熟、完善的特殊工藝井鉆井技術(shù)。盡管與國外技術(shù)相比還有一定的差距,但主要集中在鉆井裝備和測量儀器等硬件設(shè)施方面。
 
  2.3 國外定向井技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展
 
  國外隨著導向鉆井技術(shù)、無線隨鉆測量技術(shù)的不斷發(fā)展,地質(zhì)導向鉆井技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),推動了水平井技術(shù)應用規(guī)模的不斷擴大。20 世紀90 年后期,水平井鉆井技術(shù)發(fā)展迅速。
 
  1996 年之后,僅美國鉆水平井能力就達到600~1000 口/年。近年來,國外水平井鉆井技術(shù)不斷發(fā)展,突出的表現(xiàn)在地質(zhì)導向技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)、自動化(閉環(huán))鉆井技術(shù)以及配套工具的研制及使用。
 
  3.定向井技術(shù)在地熱井施工中的應用
 
  3.1 地熱井施工現(xiàn)狀
 
  地熱資源開發(fā)利用需要采用“回灌開發(fā)”的模式。回灌開發(fā)是在同一施工地點開鑿兩口或兩口以上地熱井,一口作為開采井,另一口作為回灌井。受城市用地面積的限制以及運行管理的需要,多以定向“對井”的方式成井。對井井口直線距離在2.5~10m 之間,為防止開采回灌地熱流體短時間內(nèi)相互干擾,井底距離保持在600~800m,定向井技術(shù)很好的解決了這些問題。目前,國內(nèi)各地地熱定向井成百上千,積累了低溫地熱定向井的施工經(jīng)驗。
 
  3.2 地熱井施工方法
 
  地熱施工定向井多采用四段制剖面,包括直井段、造斜段、穩(wěn)斜段、自然降斜段。直井段450~650m,設(shè)計最大井斜18°~35°,井底水平位移400~600m。鉆直井段采用塔式鉆具組合,定向井段采用井底動力鉆具,采用隨鉆測量技術(shù),控制方位角和井斜角,鉆至井斜角9°左右,用增斜鉆具組合鉆至設(shè)計最大井斜角,換穩(wěn)斜鉆具組合。全井根據(jù)取得的井眼軌跡數(shù)據(jù),調(diào)整合理的鉆具組合和鉆進參數(shù),來控制井斜和方位的變化,使井眼曲率變化平緩。自然降斜井段位于開采層,一般存在井漏,此時去掉扶正器,簡化鉆具結(jié)構(gòu)鉆進至終孔。下面以某項目為例,說明定向井技術(shù)在地熱井施工中的應用。
 
  3.3 地熱井施工實例分析
 
  該項目甲方為了解決建筑供暖,擬開鑿一對地熱井。但由于場地限制,無法保證井底位移,故采用定向井技術(shù)。設(shè)計井口地面距離為5m,井身結(jié)構(gòu)為四開定向井,具體見圖1。
 
  對井造斜基本數(shù)據(jù)如下:
 
  設(shè)計開采井
 
  ①設(shè)計方位角:180°;
 
  ②最大井斜角:24°;
 
  ③井底水平位移:500m;
 
  ④井身剖面:
 
  垂深0~500m——直井段;
 
  斜深500~600m——造斜段;
 
  斜深600~900m——增斜段;
 
  斜深900~1895m——穩(wěn)斜段;
 
  斜深1895~2495m——自然降斜段。
 
  設(shè)計回灌井
 
  ①設(shè)計方位角:280°;
 
  ②最大井斜角:24°;
 
  ③井底水平位移:500m;
 
  ④井身剖面:
 
  垂深0~550m——直井段;
 
  斜深550~650m——造斜段;
 
  斜深650~970m——增斜段;
 
  斜深970~1895m——穩(wěn)斜段;
 
  斜深1895~2495m——自然降斜段。
 
  通過使用定向井技術(shù),該對井井底距離達到700m,不僅滿足了井底距離的要求,也滿足了甲方的要求。
 
  4.結(jié)論和建議
 
  定向井技術(shù)是當今世界最先進的鉆井技術(shù),它可以使地面或地下條件受到限制的地熱資源得到經(jīng)濟、有效的可持續(xù)開發(fā)利用。作為可再生能源,地熱能將納入“十二五”能源規(guī)劃,地熱資源開發(fā)利用將掀起一輪高潮,而定向井技術(shù)的應用將迎來一個前所未有的發(fā)展機遇,作為地質(zhì)工作者一定要認真學習、科學使用這項技術(shù),從而達到可持續(xù)開發(fā)利用地熱資源。