長沙黃花國際機場擴建項目地熱井鉆井技術分析

長沙黃花國際機場T3航站樓規劃配套的中深層地熱能源站,采用“取熱不取水”技術為T3航站樓配套能源中心提供“地熱+復合供能”服務。通過已實施完成的地熱探采結合井,進行地熱鉆井技術分析,為后期的地熱井鉆井提供經驗指導,保障鉆井工程順利實施。通過區域地質特征、地熱地質條件分析以及鉆井工藝、鉆井液工藝、鉆探輔助工藝設計總結,為后期規劃的地熱井群建設提供技術參數指導。

1 地質特征

1.1 區域地質特征

1)地層。研究區發育中生代至新生代沉積序列。 晚白堊世期間,區域構造活動以持續沉降為特征,形成陸相斷陷盆地內的殘余丘陵地貌,堆積了以粉砂質泥巖、鈣質砂巖為主的紅色碎屑巖系(最大累積厚度達 620m),構成后期沖積階地的基底巖層。至古近紀—新近紀期間,地殼歷經多期次間歇性隆升,差異升降活動顯著增強,構造形跡以高角度正斷層系為主導。在此背景下,湘江流域發育五級階梯狀地貌,而瀏陽河沿岸則保留兩級階地,均屬流水侵蝕與構造抬升耦合作用的產物。2)構造。本探采結合井位于湘東北斷隆帶南部。本帶最顯著的特征是強烈隆起,主要出露冷家溪群淺變質碎屑巖。南部長沙地區出露上古生界,其底部跳馬澗組與冷家溪群或板溪群角度不整合接觸, 該區褶皺和斷裂相對較少。3)水文地質。長沙黃花國際機場坐落于長沙市主城區以東約24km處,隸屬于黃花鎮,地貌單元屬瀏陽河與撈刀河兩大水系的分水嶺區域。從水文地質條件來看,該區地表徑流發育程度較低,第四系松散層持水性差,民間素有“干魚腦殼” 之稱謂。場址周邊基巖出露為白堊紀陸相沉積形成的厚層紅色泥質砂巖與鈣質粉砂巖互層,地層產狀近水平(傾角<5°),構造形跡以稀疏節理為主,區域性斷裂帶不發育。

1.2 鉆遇地層分布

鉆遇地層分布情況如表1所示。

1.3 地熱地質條件

1)蓋層。擬建能源中心位于北東向斷裂與北西向斷裂交匯位置。與F10斷層最近平面距離約230m,與 F12斷層最近平面距離約750m,據物探成果未見明顯高阻異常,推測在3000m勘查深度范圍內不存在隱伏巖漿巖巖體。但北東向斷裂切割深度較大,存在多期活動,沉積盆地北緣出露有燕山晚期花崗巖,因此沿北東向斷層深部不排除存在花崗巖的可能性。

2)儲熱層。工作區位于黃花向斜東南翼,向斜沉積了巨厚層紅色碎屑巖。其基底為冷家溪群板巖,整體呈北端埋深淺、南端埋深大特征。工作區北部靠近沉積盆地中心,紅層厚度1 700~2300m。據物探成果推測,巖層傾角7.6°,傾向北西。研究層位屬下白堊統神皇山組下部層位,巖性主體為塊狀至厚層狀灰質礫巖層,屬沖積扇-辮狀河沉積體系產物,具鈣質-泥質混合膠結特征。礫巖碎屑組分以板巖巖屑為主導(占比60%~70%),次為灰巖礫石(占比20%~25%)。區域沉積基底為中元古代冷家溪群板巖,在早白堊世裂陷盆地形成前,長期暴露于表生風化作用,形成古風化殼,厚度具顯著空間異質性,與古地形起伏呈正相關, 反映了前白堊紀古地貌對沉積基底改造的控制效應。

2 地熱井鉆探施工

2.1 鉆井工藝設計

采用ZJ40型鉆機,其設備負荷能力及配置滿足 4000m井深(根據實鉆地熱參數確定完鉆井深)鉆井的需求。井架總高度為42 m,滿足機場限高的要求。

井身結構設計數據如表2所示。

2.2 鉆井液工藝

鉆進過程中,采用高黏纖維素、增黏劑、聚丙烯酰胺、腐殖酸鉀配制膠液,及時補充燒堿確保pH值為 8~9,保持鉆井液具有良好的流變性、較強的抑制能力和護壁防塌能力;在取心鉆進過程中,控制好鉆井液處理劑的添加速度及配比,確保鉆井液的穩定性和潤滑性能,避免鉆井液因性能有較大波動而影響取心鉆進。根據實際鉆遇地層調節鉆井液的黏度,確保鉆井液的攜砂能力滿足要求。

2.3 鉆探輔助工藝

1)定向鉆進。在施工過程中,750m之前采用單點井底測斜,750m以后采用定向鉆進實時控斜。前期階段由于追求進尺進度,井深750m處單點測斜的井斜達到17°,后期采用隨鉆測斜糾斜。定向鉆進技術在鉆井施工中工藝已經成熟,能夠較好地控井斜、節約成本、保障工期,避免后期因井斜過大或糾斜產生狗腿度而引發鉆井事故。

側斜鉆進。在2 383.77 m段出現鉆具掉落打撈失敗的情況下進行了側斜鉆進。在固井段1900~2048m 處完成側鉆工程,根據返出巖屑判斷鉆孔下段開始進入新眼軌跡。側斜鉆進施工工藝是保證完井的重要技術手段。

3)錄井工程。施工全過程進行綜合錄井,包括工程參數錄井、氣測錄井、巖屑錄井等,這對鉆進施工具有指導和輔助作用,做出了多次工程參數示警,避免了事故的發生。2 382.00~2 383.77 m段(舊鉆眼已固封)泵壓從10 MPa快速下降至7 MPa,懸重由 774.8 kN降至745.0 kN,示警后起鉆發現鉆具斷裂脫落,2 445.00~2 446.28 m段泵壓由12 MPa突降至 10MPa,鉆壓下降,示警后起鉆發現鉆具刺漏。工程參數中泥鉆井液的井口出口溫度對預測井底實際地熱溫度有重要參考價值。氣測錄井未發現異常。巖屑錄井對地層劃分及鉆具組合選用有重大意義。

3 井溫成果匯總

根據井口鉆井液溫度的監測參數(實時數據每米記錄1次)及完井后的測井井溫數據,長沙黃花國際機場探采結合井的井底地熱溫度監測成果較好。測定井溫的傳感器分別安裝在出井口的泥漿罐和入井口的泥漿罐,前期根據實測值進行傳感器標定,同時在各個階段應用溫度計實測值對傳感器進行校正,不同電導參數對應不同溫度值。根據隨鉆井溫監測,以鉆井液出口溫度數據得到如圖1所示的井口井溫監測圖。從圖1可發現本井井溫隨深度加大呈不斷上升趨勢, 不過由于鉆井液在循環過程中受各方面因素影響,隨鉆井溫監測數據僅存在參考意義。

對比測井各深度點井溫，1000m之前井口井溫與測井井溫相差不大，1000m之后鉆井液循環至井口的溫度損失在10℃以上。隨著深度的增大，測井井溫與井口井溫的溫差增大，對比圖如圖2所示。

4 總結與展望

4.1 施工經驗總結

中深層地熱開發中,井深2500~3000m段如果地熱資源較好,高溫對鉆井液材料性能會造成一定的影響。本井施工過程中出現了正常鉆進鉆井液攜砂能力較弱,而劃眼過程中鉆井液攜砂能力較強的問題。 鉆井液材料的組分配比一定要考慮到高溫的影響。鉆井液材料的高溫失效不僅導致攜砂能力弱,還會造成護壁能力減弱,一旦出現遇水膨脹的巖層,護壁能力減弱導致巖層浸水膨脹、井徑縮小。井徑縮小會給施工帶來各種問題,例如起下鉆卡鉆、井眼塌孔、劃眼造成大肚子,更有可能產生新的井眼軌跡。

二開井身結構在中深層及深層地熱井中有較多不足之處。如果二開鉆進施工中發生事故,則停鉆裸眼狀態下的風險較高,容易發生孔內事故。

鉆進施工全過程應控制井斜,避免出現帶狗腿度的軌跡井眼。狗腿度對后期施工影響很大。在本井施工中,750~800m段帶狗腿度的井段在下鉆過程中出現多次卡鉆,鉆進過程中該井段多次劃眼,在后期下套管之前進行了多趟通井作業。

應加強勞動紀律,定崗定責。一旦出現異常情況及時報告,工程參數出現異常要第一時間報告給司鉆及井隊長,避免事故的發生及惡化。

要及時結合鉆遇地層巖屑分析及鉆時參數調整鉆具組合及工程參數。對各類事故要有專項處置預案。 在2048m處發生1次埋鉆憋泵事故,及時采用了鉆具組合上端加震擊器的措施,在應用震擊器的30min內, 鉆井液循環系統恢復,最終提鉆成功。

4.2 地熱成果展望

根據測井結果,井底2 510 m處地溫達到81℃, 該井區域具備較好的地熱資源潛力,地熱應用前景良好。根據巖性熱物性試驗結果,井下熱儲層巖石物性導熱性良好。根據實測數據進行不同工況下換熱的數值模擬,單井供熱產能良好。后期進行同心管換熱測試工作,期望取得理想的試驗成果,為全面推進湖南省中深層地熱勘查開發和綜合利用,以及后續生產井施工奠定良好的工作基礎和技術支撐。

5 結束語

通過對長沙黃花國際機場擴建項目地熱探采結合井的施工實踐與數據分析,系統總結了該區域中深層地熱鉆井的關鍵技術。研究表明,針對白堊系紅層及板溪群地層特征,優化井身結構與鉆井液高溫性能是保障深部鉆探順利實施的核心;隨鉆測斜與綜合錄井技術在復雜工況下的精準應用,有效規避了井斜失控與工程事故風險。實測結果顯示,完井深度2510m處地溫達81℃,證實了該區域具備優良的地熱資源潛力和開發價值。本項目形成的成套鉆井工藝與溫控監測數據,不僅驗證了“取熱不取水”技術路線的可行性, 也為中南地區同類中深層地熱資源的規?；?a href="http://www.kaizhou-edu.cn/t/勘查.html" >勘查與高效利用提供了重要的理論依據與技術支撐。