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地熱鉆井
北京北苑地區洼里礫巖地層地熱井鉆井技術
文章來源:地大熱能 發布作者: 發表時間:2021-10-28 11:11:45瀏覽次數:1341
關鍵詞:洼里礫巖;地熱井;鉆探工藝;鉆具損壞;井斜2000年9月至2004年8月,受北辰集團委托,我院為其綠色家園成功的鉆鑿了3眼井深600~3700 m的地熱井,該3眼地熱井的建成,不僅可解決4~5萬居民的洗浴、生活熱水、游泳娛樂,還大大減輕了對當地的環境污染,其經濟意義和社會意義不言而喻,對于地質科技和鉆井工藝技術實踐來講,由于鉆穿了北京地區號稱為/難以攻破的堡壘)))洼里礫巖0,其意義更為深遠。其一,進一步認識了洼里礫巖的地質特征,從而可對其成因作進一步的探討;其二,從鉆井實踐中總結出一套對付該巖層的鉆進方法。
洼里礫巖地層是北京洼里地區一種特殊的礫巖地層,由于其結構成分的特殊性,可鉆性極差,該區以往鉆井施工中,多因無法鉆穿該層而造成報廢,或難以達到理想的效果,從而被稱為/鉆探禁區0。本工程成功地鉆穿了洼里礫巖地層,取得了理想的地質成果,并摸索出了一套較好的鉆井工藝,本文就有關地質、鉆井情況予以介紹。
1 洼里礫巖地質情況。
1.1 洼里礫巖的地質特征。
所謂洼里礫巖,是指分布于北京北苑地區洼里村一帶,南至亞運村,北至立水橋,西臨清河,東到來廣營這一小區域范圍內,在侏羅系火山沉積巖中出現的一套特殊巖層,一般呈層狀產出,多為1~3層,其厚度從幾米至數百米不等。
洼里礫巖多呈深灰色、紫紅色、淡綠色、灰綠色等,主要成分為白云質灰巖、燧石條帶白云巖、石英巖、安山凝灰巖等,角礫大小不一,分選性差,一般從幾毫米至四五十毫米,呈棱角狀、半磨圓狀等形態,相互擠壓,鑲嵌在一起。洼里礫巖的膠結物為鈣質、泥質和硅質,礫巖普遍存在綠泥石化、綠簾石化、硅化等蝕變。
1.2 洼里礫巖的成因。
前人對洼里礫巖的成因有多種解釋,但主流說法為構造巖,根據北苑地區鉆鑿的3眼地熱井中收集到的第一手材料,結合歷史資料進行綜合分析認為,洼里礫巖具有成層性,個別層位最大厚度可達400余米,礫巖中的燧石條帶白云巖多呈半磨圓狀,顯然經過了流水搬運過程,另外礫石分選差、成分雜,說明搬運距離較近。綜合上述,我們認為,洼里礫巖是由早期的構造活動(九龍山向斜和八寶山斷裂)把深部薊縣系霧迷山組地層推覆于石炭-二疊系之上,經風化、剝蝕和搬運,在新形成的凹陷盆地底部迅速堆積下來,洼里礫巖層之間的安山質凝灰巖則是其間火山噴發作用的產物,為此,厚度巨大的洼里礫巖即在沉積盆地中生成。
1.3 從鉆探工藝上看/洼里礫巖。
(2)洼里礫巖有強烈硅化現象,且礫石中有部分石英巖,硬度較大,增大研磨程度,使鉆頭消耗增加。
2 施工工藝。
2.1 井身結構。
根據勘查報告及地層特點,確定井身結構為四開。
2.2 鉆井設備。
2.3 鉆具組合。
2.4 鉆進參數。
通過統計總結,較合理的鉆進參數見表3。
2.5 鉆進液性能及配制。
2.5.1 鉆進液性能。
根據地層情況,在洼里礫巖鉆進中,主要考慮攜帶巖屑(粉)能力和防塌、掉塊能力,因而以固相泥漿為主其性能參數見表4。
2.5.2 鉆井液配制、維護。
開鉆用峰峰黃土造漿+NaOH( 011% ) +Na2CO3(015% )作預水化處理,密度111~112 kg /L,粘度25~35 s,遇坍塌層時可以從井口添峰峰黃土達到護壁的目的。
正常鉆進采用基漿稀釋后,加入KPAM(011%~012% ),NPAN(013% ~015% ), FT-342(015% ),鉆進過程中不斷補充KPAM和NPAN。
及時除砂,振動篩使用大于90%,除砂器使用大于80%。
易坍塌地層鉆進時,鉆井液中FT-342含量不低于2%。
3 鉆遇的洼里礫巖地層工作量統計。
上述三開中,共鉆遇洼里礫巖1177 m,其層厚從南往北逐漸變薄,埋深變淺。
4 洼里礫巖鉆進的主要困難和處理措施。
4.1 鉆進的主要困難。
洼里礫巖礫石均為碳酸鹽巖角礫,鈣質膠結,礫石硬度大于膠結物,造成地層軟硬不均,礫石脫離其膠結物以后,在孔底位置不穩定,導致鉆進中發生嚴重的/跳鉆0現象。/跳鉆0導致井內鉆具在回轉的情況下極易疲勞而折斷,致使下部鉆具脫落于井內。
本次施工鉆遇洼里礫巖總厚度達1177 m,先后發生鉆鋌折斷事故30余起,占用了大量的鉆井時間。由于措施得當大都在48 h內處理完畢。但造成了大量的鉆桿、鉆鋌、鉆頭和減震器損壞和報廢。
4.1.2 降低鉆頭使用壽命。
鉆頭在碎巖過程中受沖擊振動作用,使鉆頭非正常破壞嚴重,崩齒、掉牙輪較多,鉆頭壽命偏低。
4.1.3 引發機械事故。
由于洼里礫巖的不均勻性導致/跳鉆0,引發設備、機械事故。
4.1.4 影響鉆井質量。
由于地層的不均勻性導致鉆具的橫向擺動加大,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段的洼里礫巖地層,井斜明顯加大。
4.2 主要措施。
4.2.1 選擇合理的鉆具及級配,安裝相應的減振器。
鉆壓過大加大沖擊力,加劇鉆具破壞;鉆壓過小,難以有效切入巖石,降低鉆速。沖洗液量大,孔內壓力增加,沖擊力加大;沖洗液量過小則排屑不利。轉速高,振動加劇;低則影響鉆效。表3是較合理的規程參數。
同樣,泥漿的選擇亦很重要。
4.2.3 及時檢查、更換鉆具。
每鉆進100~120 m應提鉆檢查鉆具,密切注視井內情況,如有異常,及時提鉆。
4.2.4 保持鉆鋌的質量和數量。
通過分析統計,鉆具折斷大都在距井底60~80m處。究其原因,主要是這段鉆具受力較大,通過這段鉆具后沖擊力相對減小。因而應經常對井底100m以內的鉆鋌進行詳細檢查并保證井內鉆鋌的數量。
4.2.5 鉆井現場必須配備各種工具。
鉆井現場必須配備齊全各種打撈工具和儀器,以便井內發生事故時及時處理,防止事故惡化。平時要對工具、儀器及時清理和保養,以備急用。
5 主要成果。
6 結語。
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