地热井钻井工程施工组织设计.docx

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地热井钻井工程施工组织设计

地热井钻井工程施工组织设计

地热钻井工程施工组织设计

第一章前言------------------------------------------------1

第二章概述--------------------------------------------------1

第一节自然地理与交通概况-------------------------------------1

第二节区域水文和地热地质条件概述-------------------------2

第三节地质构造和地层概况-------------------------------------2

第三章钻井设备---------------------------------------------4

第一节钻井设备与配套------------------------------------------4

第二节钻井设备的布设安装------------------------------------6

第三节井场动力解决方案---------------------------------------8

第四章钻井与成井工艺-----------------------------------------9

第一节钻井结构与套管程序-------------------------------------9

第二节钻井工艺----------------------------------------------------11

第三节钻井综合技术措施----------------------------------------12

第四节钻井液与固控措施----------------------------------------14

第五节钻井新技术、新工艺的应用---------------------------15

第六节成井工艺---------------------------------------------------17

第五章地热井工程质量------------------------------------21

第一节钻井质量要求---------------------------------------------21

第二节质量保证措施---------------------------------------------23

第六章施工环境保护-------------------------25

第七章施工管理----------------------------26

第一节施工管理制度-------------------------------26

第二节技术管理制度-------------------------------28

第三节安全技术与文明施工-----------------------------------30

第八章主要经济技术指标---------------------------------31

第九章附件

附图一：

井身结构示意图

附表一：

水质分析报告

附表二：

成井井管、滤水管排列表

附表三：

抽水试验记录表

第一章前言

地热井设计深度1000米，井口出水温度以满足并达到温泉洗浴需要，井口出水温度应不低于45摄氏度，每小时出水量保证在50~100米3之间，含砂量不超过万分之一。

由于该区域尚无地热井施工先例，地层分布情况及地热源赋存情况尚不明确，为论证地热井施工的可行性，拟在地热井施工处先施工一口探测孔，以探明地层分布情况及地热源性质、深度及水温状况，为地热井设计和施工提供依据。

第二章概述

第一节自然地理与交通概况

设计井区位于×××与××之间，地形属低山丘陵地区，平均海拔标高为360~406.3米，相对高差为46.3米，自然坡度一般在30~45度之间。

该区属亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，温和湿润，年平均气温14.2度，自然资源十分丰富，植被发育，森林覆盖率高达64％，以毛竹、杉木、杂草为主，中小河流众多，水资源较丰富。

境内交通较便利，××—××高速公路横贯其中，××铁路可直达×××市新城区--××。

第二节区域水文和地热地质条件

区内水系发育，溪河密布，溪流蜿蜒曲折，属禾水河一级支流拿山河流域，主要河流为拿山河一级支流。

区内地表径流量变化较大，年平均径流量1.5~12.1米3/秒，年平均降雨量1885毫米，3~8月属雨季（丰水期），11、12、1月属枯季（枯水期），降雨量占3~8月年平均降雨量的70.8%，其中尤以5、6月为甚。

区内水文地质条件较为简单，地下水类型以基岩裂隙水为主，主要赋存在风化裂隙和构造裂隙中，含水量贫乏~中等，地下水泉流量0.1~1.0米3/秒，基岩裂隙水稳定水位埋深约在7.6米左右。

近年来，通过遥感卫星照片发现该区域存在地热异常现象，这也是本次地热钻井工程施工的主要原因之一。

第三节地质构造和地层概况

1、地质构造

×××地质构造属前震旦纪与震旦纪之间的吕梁运动兴起，距今约32亿年。

主要地层构成为古生代前泥盆系变质岩，中泥盆系、中上泥盆系、石炭系的海陆交替砂页岩和泥质的不纯石灰岩，以及中生代侏罗纪的湖相沉积。

该区区域构造上地处××——××北东向向斜中段核部（该向斜从××始由北东转为北东东50°~70°），区域断裂构造发育，尤其是北东向断裂构造延伸长，规模大。

2、地层概况

区内自上而下依次出露地层有：

第四系（Q）：

以亚砂土、砂砾石等冲积层或亚砂土、岩石碎块等残坡积层为主。

石炭系下统大塘组（C1d）

上部以灰岩、生物碎屑灰岩、白云质灰岩为主，常夹薄层泥灰岩或钙质页岩，中部以石英粉砂岩为主夹粉砂岩，下部为粉砂岩夹泥质灰岩。

岩石胶结紧密、坚硬。

泥盆系上统锡矿山组（D3x）

上部为中-巨厚层状石英砂岩夹页岩、炭质页岩及铁矿层，下部上为砂岩、页岩夹泥灰岩及铁矿层，下为泥灰岩、砂质页岩、夹石英砂岩。

胶结紧密，坚硬，中等裂隙发育。

奥陶系中统龙溪组（O2l）

主要有含燧石结核及条带的白云质灰岩、角砾泥灰岩、泥灰岩及泥质灰岩，并含火山岩系。

动物群早期以笔石、鹦鹉螺类最重要，

 寒武系牛角河群（∈1nj）

上部主要为灰色、深灰色厚层状变余杂砂岩、长石砂岩，灰色、灰黑色厚层变余沉凝灰岩及深灰、灰绿色粉砂质板岩、千枚状板岩等

常含硅质、磷质结核

下部为深灰、灰黑色厚层状变余沉凝灰岩及含炭硅质板岩，夹变余玻屑凝灰砂岩、粉砂质板岩、炭质板岩及含炭硅质岩,含菱铁矿结核。

胶结紧密，坚硬。

加里东期花岗岩：

以中粒斑状花岗岩及花岗闪长岩为主，浅部半风化，深部节理裂隙不发育，等粒结构为主。

第三章钻井设备

第一节钻井设备与配套

（一）、主要设备选型配套见下表：

名称

规格型号

单位

数量

用途

备注

钻机

TSJ1500/660

台

1

钻进、成井

110KW

泥浆泵

TBW1200/70

台

1

冲洗液循环

206KW

A型钻塔

A27

付

1

起、放钻具

27M/70T

钻压仪

YC-3B

个

1

指示、加压、称重

钻铤

￠178

米

10

配重加压

钻铤

￠146

米

36

配重加压

API钻杆

￠114

米

1000

四方立轴

127*127

根

1

12M

送水器

90T

付

1

吊环

90T（双臂）

付

1

付绞车

3T

台

1

提、放钻杆

牙轮钻头

311.1（133/4in）

个

3

牙轮钻头

215.9（12¼in）

个

4

牙轮钻头

150（57/8in）

个

2

扩孔钻头

350

个

1

泥浆除砂器

台

1

净化、除砂

空压机

WF10/60C

台

1

洗井、抽水试验

电焊机

BXI-300

台

1

排污泵

3PN（36M3/H）

台

1

回灌泥浆及排浆

排污泵

3PN（108M3/H）

台

1

除砂器配套

深井潜水泵

50M3/H

台

1

泥浆测试仪

1006

套

1

测试泥浆性能

柴油发电机组

40KW

台

1

现场照明、电焊、抽水

柴油机

6135AN

台

1

钻机配套

110KW

柴油机

G128ZLN2

台

1

泥浆泵配套

206KW

安全卡瓦

178/146

套

各1

钻铤配套

测斜仪

XJY-46

套

1

测量孔斜

避雷针

付

1

配电柜

300A

个

1

现场照明、电焊机

（二）、主要设备基本参数

1、TSJ1500/660钻机

钻进深度

114钻杆1000米

转盘通径

660毫米

转盘转数

37、52、84、145转/分

转盘扭矩

86千牛.米

单绳最大提升能力

90千牛

柴油机型号/功率

6135AN/110KW

外形尺寸

3880*1965*1290毫米

重量（不含动力）

7553KG

2、TBW1200/70泥浆泵

公称流量

1200升/分

公称压力

7兆帕

活塞直径

160毫米

活塞行程

270毫米

柴油机型号/功率

G128ZLN2/206KW

外形尺寸

3045*1440*2420

重量（不含动力）

7200KG

3、WF10/60C空压机

公称容积流量

10米3/分

排气压力

6兆帕

压缩级数

3级

结构形式

 W型、活塞式、风冷、压力润滑

吸气压力

常压 

柴油机功率

220kW

冷却方式

风冷

外型尺寸

 4600×2100×1800（mm ，不含罩壳）

全机重量

 ≤5.5t 

第二节钻井设备的布设安装

一、机台地基修建

施工现场总面积应不小于50m×30m，钻塔安装地基应根据地层情况确定，以防止施工中钻塔出现下沉：

1、如为松散地层，必须浇筑水泥地基，水泥地基用料要求为：

规格：

石料（4~6毫米）、砂（粗砂）、水泥（500标号）

比例：

水泥：

砂：

石料=1:

2:

3

2、如为坚硬地层，可直接在平整好的地面上安放钻塔方木。

二、机场布置图

材料场在机台前面，面积约14×28M2，中间有材料加工场和停车场

发电机组

泥浆泵房

机台

7×6（米）

沉淀池

泥浆池

20米3

沉淀池

泥浆池

50米3

三、钻机安装

将钻机座在地梁方木之上，使转盘中心和钻塔天梁中心相重合，然后用M24双头螺栓将钻机和地梁固定，并用水平尺调平，做到周正水平，确保天车、滑轮、转盘中心三点成一线。

钻塔竖起后，四面要用14毫米的防风绳固定，风绳与地面的夹角不大于45°，绷绳两端连接处均应用2个绳卡紧固，起降钻塔用的地锚管可用坚硬圆木或方木，规格为2500×300×300毫米，埋深不小于1.5米。

四、泥浆泵与高压循环管路

根据需要将泥浆泵安装于合适位置，修建泥浆池两个，体积各为20m3及50m3。

泥浆循环槽的长度不短于30米，坡度为1/100--1/80。

泥浆泵离钻机较远时，应用钢管加工高压管路（钢管壁厚不小于8毫米的无缝管），用法兰连接至钻机附近与高压管连接，泥浆泵出水口处应安装高压阀门和回水阀门，并间隔一定距离。

第三节、井场动力解决方案

由于施工场地位于山区，电力供应不太方便，为保证施工顺利进行，除宿舍生活用电采用外接电源外，现场生产用电一律采用自配柴油机或柴油发电机组进行提供，具体配置如下：

动力机名称

功率

型号

单位

数量

主要用途

柴油机

110KW

6135AN

台

1

钻机动力

柴油机

206KW

G128ZLN2

台

1

泥浆泵动力

柴油发电机组

40KW

4110

台

1

电焊机、排污泵等

第四章钻井与成井工艺

第一节、钻井结构与套管程序

一、钻井结构

一开：

孔深0-20米，孔径￠444.5mm（171/2in）

二开：

孔深20-300米，孔径￠311.1mm（121/4in）

三开：

孔深300-850米，孔径￠215.9mm（81/2in）

四开：

孔深850-1000米，孔径￠150mm（57/8in）

二、套管程序

0-20米：

下入￠339.7×8.38mm（13⅜in）无缝钢管做为井口管

0-250米，下入￠244.5×8.94mm（9⅝in）无缝钢管做为泵室管

250-850米，下入￠177.8×6.91mm（7in）无缝钢管做为井管及滤水管

850-1000米，裸孔，用作沉淀孔

套管连接方式采用管箍焊接。

筛管采用￠177.8×6.91mm（7in）无缝钢管加工成割缝式滤水管。

三、钻孔及套管结构

详见井身结构示意图（附图一）

第二节、钻井工艺

一、钻进工艺流程

技术交底

修基础、设备进场

设备组装、试运转

钻孔

测井

换浆

下井管

填砾、止水、抽水试验

验收

接通水源、电源

修建泥浆池、槽

申请开工报告

准备验收资料

编排井管顺序

组焊滤水管

准备井管材料

二、钻进方法

1、一开钻具组合：

￠444.5mm三牙轮钢齿钻头+￠178钻铤+￠146钻铤+四方立轴

开孔钻具必须做到垂直，符合刚直要求，孔底压力不超过钻铤总重量的三分之二，尽可能采用一速钻进，做到轻压慢转，保证钻孔的垂直度，穿越表土及第四系风化层进入完整基岩后，及时下入￠339.7毫米表层套管进行护孔，表层套管应用水泥固定。

2、二开钻具组合：

￠311.1mm三牙轮镶齿钻头+￠178钻铤+￠146钻铤+￠114API钻杆+四方立轴，

钻进参数：

孔底压力：

50-80KN

转数：

84-140r/min

冲洗液量：

600-800L/min

钻进到指定层位后，下入￠244.5毫米置泵套管，并按规范要求对套管进行固井作业。

3、三开钻具组合：

￠215.9mm三牙轮镶齿钻头+￠178钻铤+￠146钻铤+￠114API钻杆+四方立轴，

钻进参数：

孔底压力：

80-100KN

转数：

84-140r/min

冲洗液量：

大于800L/min

4、四开钻具组合：

￠152mm三牙轮镶齿钻头+￠146钻铤+￠114API钻杆+四方立轴，

钻进参数：

孔底压力：

80KN

转数：

84-140r/min

冲洗液量：

大于800Ｌ/min

第三节、钻井综合技术措施

一、钻头选择

根据地层岩性合理选用钻头类型，一般在上部松软地层（可钻性级值小于5级），宜选用铣齿钻头；在深井段地层（可钻性级值大于5），宜选用镶齿钻头；在易井斜地层，选用牙轮偏移量小、无保径齿及齿多而短的牙轮钻头。

二、钻进参数

1、钻压：

以达到所钻岩石的破碎强度值为宜，并结合设备能力和钻具强度等安全因素合理选择。

按钻头直径单位长度所需压力计算，在中硬以上较硬岩层中钻进宜采用3kN/cm～4kN/cm，在中硬以下较软地层中钻进可采用1kN/cm～3kN/cm。

2、转速：

钻头外缘回转线速度以0.8m/s～1.5m/s为宜，遇卵砾石层或严重破碎地层可降低到0.6m/s；地层完整、硬度较低、钻孔较浅、钻进转速为80r/min～145r/min，破碎地层为30r/min-60r/min。

3、泵量：

泵量应满足钻井液上返速度0.1m/s～0.5m/s，条件允许时取大值，正常情况下，泵量以800-1000L/min为宜。

三、操作工艺

1、钻头接触井底后，先在低钻压、低转速下（钻压10KN～30KN，转速50r/min）磨合0.5h以上，造好井底形状后，逐步提高钻压和转速到正常参数。

2、钻头的型号和尺寸应与所钻地层、孔径相适应。

牙轮转动灵活，三个牙轮在转动时不得发生相互咬死现象。

水眼畅通、牙齿完好、焊缝无裂缝及缺陷。

3、下钻应平稳，遇阻不得硬压，而是采用划眼方式，缓慢下行，并分析判断遇阻原因，以便采取正确的处理方案。

4、为防止孔斜，钻进时应使用钻铤加压，钻铤总质量应超正常钻压值的30%，并在最下一根钻铤上面的适当位置加设2个～3个扶正器。

在钻遇软硬交界面时，采用较小的钻压钻进，穿过交界面后再加到设计的钻压钻进。

5、岩屑录井要求：

一般取样间距为5m。

取样均宜在振动筛下固定位置捞取，岩屑重量不少于500g。

捞取后立即清洗干净，去掉杂物和掉块，并及时进行深度标识和装袋。

岩屑袋按井深由浅到深，自上而下顺序排列、装箱。

地质条件、地质构造复杂及地层变化孔段，应加密取样。

6、每8小时测定一次钻井液性能，每50米测量一次钻井液入井、出口温度，并做好记录，发生井漏、井温变化异常时，要加密测量，并准确记录好井深位置及漏失量和井温变化差异。

第四节、钻井液与固控措施

一、钻井液选择原则

在结构较稳定地层，可选用清水、无固相钻井液，在松散、破碎地层，应适当提高钻井液的粘度和切力，选用较高密度的以优质钠土为基料的不分散钻井液，在易水化、易膨胀坍塌的泥页岩地层，应使用失水量低的钾基泥浆、钙处理泥浆等具有较强抑制性的钻井液。

在易漏地层，可加入堵漏材料进行堵漏。

在进入热储层后，要选用对热储层有保护作用或对热储层损害小的钻井液：

如低密度钻井液、渗透恢复率大的璜化沥青泥浆及可降解泥浆等。

二、钻井液基本性能指标

岩层性质

冲洗介质类型

钻井液性能指标

密度g/cm3

粘度s

滤失量ml/30min

pH值

含砂量%

孔壁稳定的粘性土层、基岩层

清水、不分散泥浆或无固相钻井液

1.0～1.08

15～25

泥浆滤失量小于23

泥浆PH值8～10

小于4

砂土层及粉、细、中、粗砂层

不分散泥浆

1.08～1.15

16～30

小于20

8～10

小于10

卵砾石、漂石层

不分散泥浆

1.15～1.2

30～60

小于20

8～10

小于8

流砂、涌水地层、坍塌掉块地层

加重泥浆

1.2～1.7

25～80

小于15

8～10

小于8

水敏地层

钾基泥浆、聚合物泥浆

1.08～1.2

20-30

小于10

8～11

小于4

漏失岩层

堵漏泥浆

1.03～1.08

20-30

小于15

8～11

小于8

泡沫泥浆

小于1

基浆20-30

基浆小于15

8～11

小于4

三、钻井液典型配方

1、一般地层钻井液配方

清水1m3+钠土粉50kg+纯碱1.5kg+水解聚丙烯腈钠盐（Na-HPAN）0.5kg+羧甲基纤维素（CMC）0.5kg+腐殖酸钾（Khm）2kg

性能指标:

密度1.05、漏斗粘度20-25s、滤失量10mL/30min、pH值为8.5。

2、水敏易坍塌地层钻井液配方

清水1m3+钠土粉75kg+纯碱2kg+水解聚丙烯腈胺盐（NH4-HPAN）1.2kg+羧甲基纤维素钠（Na-CMC）0.5kg+磺化沥青防塌护壁剂2.5kg+803堵漏剂12.5kg。

性能指标:

密度1.10、漏斗粘度28-30s、滤失量7mL/30min、pH值为8.5。

四、固控措施

1、井场应配备钻井液固相控制设备振动筛和旋流除砂器、旋流除泥器等，泥浆循环槽不短于30米，坡度不大于1/100，沉淀池不得少于2个，体积不小于0.5米3

2、钻井液由专人管理，井场配备漏斗粘度计、比重称、失水量仪、pH试纸和含砂量仪等，每8h至少测定一次钻井液的常规性能，并将测得的数据记入班报表。

第五节、钻井新技术、新工艺的应用

一、为提高钻效，拟在本钻井进行PDC钻头的引用和试验工作，PDC钻头实质上就是具有负切削角度的型切削片刮刀钻头，在钻压和扭矩的作用下，PDC复合片切入地层，充分利用复合片极硬、耐磨（磨耗比是碳化钨的100多倍）、自锐的特点，犁削和剪切地层，破碎岩石，在硬至中硬地层中钻进具有效率高，寿命长，成本低等显著优点。

在本次引用和试验工作中，要着重抓好以下工作;

1、PDC钻头的选型：

按照地层可钻性极值选择钻头类型，一般情况下，在可钻性极值小于5的地层中选用PDC钻头效果较为理想。

钻头刀翼数4个，主齿尺寸￠19-22毫米，喷嘴数4个。

2、PDC钻头水力参数的选择：

水力参数选择应本着清洗井底、井眼和保护钻头这一原则进行，￠311井眼钻井液排量应保持在55-69L/S为宜，泵压要适当，维持在10-14MPa之间。

3、PDC钻头喷嘴的选择：

喷嘴有两种形式，即固定式和可拆装式，对于固定式，可通过选择钻头类型来选择钻头喷嘴，而对于可拆装式，钻头压降范围应选择在5-7MPa之间为宜。

喷嘴直径由内到外应保持由大到小，但直径不可相差太大，这样有利于清洗孔底。

4、钻进参数选择：

钻压35-45KN，转数100-150r/min，排量50-60L/S，泵压10-14MPa。

二、在牙轮钻头上增加喷射效果，以提高钻进效率。

具体做法是：

在三牙轮钻头上镶焊三个喷射角为12°、喷距为100-140mm、夹角互为120°，内径为8-10mm的喷嘴。

通过喷射钻进，可有效清除井底岩屑，改善径流状态，减少重复破碎，可有效提高钻头使用寿命和钻进效率。

三、使用优质复合泥浆，在自然浆液中添加水解聚炳烯酸铵，磺化丹宁、聚炳烯晴钠盐等无害化学处理剂和易降解的XC生物胶处理剂，保证既能最大限度的降低对地下水质的污染，避免水流通道堵塞，提高钻井出水量，又可使井壁形成一层较为薄的泥皮，提高井孔护壁程度，有效预防裸孔埋钻事故的发生。

第六节、成井工艺

一、物探测井

1、综合测井项目：

井深、井斜、井径、井温、自然电位、自然伽玛、电阻率等。

2、测井前必须先行使用钻具和钻头通孔，防止测井探头遇阻和遇卡，通孔至井底后开泵循环，使得井内钻井液性能指标上下保持稳定和一致，泥浆密度为1.10±，粘度＜23秒

3、测井探头和电缆在起下过程中要缓慢匀速，防止产生抽吸作用。

二、划眼

采用与原井径相同的筒状具进行划眼，具体做法是通过钻机的提升和回转在井内由浅而深上下串动及回转钻具，尤其是在容易井斜的区段必须反复多次进行划眼。

以保证井眼的圆整。

三、破壁

破壁是地热井成井过程中的基础环节，其目的是在于清除井壁泥皮，疏通含水层孔隙，为洗井做准备。

破壁时要视孔内情况确定清水循环时间，以最大程度清除泥皮，清洗孔壁；破壁时泥浆性能应采用＂细水长流＂方式慢慢进行调整、以保证孔壁稳定；考虑到粘土层极易缩径，需采用特制环形通孔器进行破壁。

通孔遇阻时严禁强拉强墩，以慢放慢下为宜。

并注意观察上返浆液的粘度是否达到的要求，破壁结束后，可利用井内原钻具进行排渣和冲孔换浆，对于相对稳定地层换浆粘度应控制在15s～20s，密度1.15g/cm3,地层稳定性较差换浆粘度控制在20s～25s，密度1.15g/cm3～1.20g/cm3。

四、下管

1、下管前必须校正孔深，并核对井管顺序，确保无误；滤水管的位置应严格和测井资料中含水层的位置相对应，并按顺序编码，井管累计长度应和实际成井深度相符，误差不得超过1米。

滤水管焊接时，每个焊口用焊条不少于两根，且要对称焊接两块规格为3×6cm的定位板。

2、采用钢丝绳提吊法一