摘要
地热资源作为清洁能源，对推动能源结构转换、实现碳达峰碳中和目标具有重要作用。随着地热资源开发加快，地热定向井钻井数量逐年增多，定向井钻井技术在地热资源可持续开发利用中的作用愈加重要。为提高地热定向井施工速度和效率，对地热定向钻井工艺技术问题和天津地区地热定向井井身结构进行了分析，进行了地热定向井钻井工艺优化，优化了直井段防斜工艺、优选了造斜点、优化了定向钻具组合和工程参数、改进了钻井液体系。采用优化的地热定向井钻井在天津地区施工6井次，能保障井眼轨迹的合理施工，有效地提高了定向钻井的效率，取得了良好的效果。
地热资源作为一种清洁环保能源，受到越来越广泛的关注和应用。大力开发利用地热资源，对于优化我国能源结构具有重要的现实意
定向井最重要的是造斜和增斜井段，常采用螺杆钻具配合牙轮钻头进行造斜和扭方位作业。在定向井井眼轨迹控制中，机械钻速低，井眼轨迹控制效果差，实钻井眼轨迹易偏离设计轨道，形成的井眼轨迹不规则，加大了钻井施工难度。表现为下套管阻力大，后续施工摩阻扭矩大，工程风险增加。如我们施工的XQ-07B地热井测斜显示二开造斜段井眼轨迹不规则，导致三开套管下入困难，被迫逐根转动套管加压下管。
定向井施工受地质因素和工程因素影响大。地热定向井增斜井段为新近系地层，岩性为砂岩、泥岩、砂泥岩互层。造斜阶段在该地层滑动钻进并扭方位时常出现托压现象：加压不进尺，钻压传不到井底，需要反复提放钻具摆工具面，定向效率低。螺杆钻具配合牙轮钻头定向时，由于牙轮钻头在高转速下寿命降低，起下钻更换钻头次数多，影响钻井效率。
为加强地热资源保护式开发，天津市最早推行采灌对井开发模式开发利用地热资源，布置开采井和回灌井地面井眼间距5 m，采用定向井工艺，使对井井底距离达600 m以上，实现层间连通，方便井口管理的同时，有效避免了开采井和回灌井井底热突破和流体短路。针对天津地区地热地质条件、热储层特性及地热开发要求，常规地热井井身结构有两种：二开井身结构和四开井身结
馆陶组热储层地热资源开发常采用二开结构：一开直井段为泵室段，长度450 m；二开定向钻穿馆陶底砾岩；射孔成井。雾迷山组热储层地热资源开发常采用四开结构：一开直井段为泵室段，长度450 m；二开定向钻穿馆陶底砾岩；三开稳斜钻至雾迷山顶板；四开钻至完井井深，根据开发需要，确定成井方式。井身结构设计方案见
| 热储层 | 井身结构 | 开次 | 钻头尺寸/mm | 井深/m | 套管尺寸/mm | 下入深度/m | 下入层位 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 馆陶组 | 二开 | 一开 | 444.5 | 450 | 339.7 | 450 | Q、Nm |
| 二开 | 311.2 | 1830 | 244.5 | 1830 | Nm、Ng | ||
| 雾迷山组 | 四开 | 一开 | 444.5 | 450 | 339.7 | 450 | Q、Nm |
| 二开 | 311.2 | 1425 | 244.5 | 1425 | Nm、Ng | ||
| 三开 | 215.9 | 2230 | 177.8 | 2230 | Mz、O、∈、Qb | ||
| 四开 | 152.4 | 2740 | 裸眼成井 | Jxw | |||
注： 馆陶组地热井以WQ-39B井为例，雾迷山组地热井以DL-93井为例。
图1 馆陶组地热井井身结构示意
图2 雾迷山组地热井井身结构示意
科学合理的井眼轨迹可以有效地提高定向井施工效
直井段防斜打直是定向井井眼轨迹控制的基础，根据直井段实际情况优选合适的塔式钻具组合和钟摆钻具组合。塔式钻具组合能够有效避免钻井施工中的倾斜现象发生，保证井壁和钻具之间的间隙在合理的范围之内，防止井斜现象出现；钟摆钻具应用轻压吊打技术，能有效控制井斜。施加小钻压能够在井斜超过范围值后产生一定的恢复力，能够及时纠正已经产生的井斜，如果钻压过大就会影响钟摆的恢复力，出现井斜的现
造斜点的选择是定向井成功的关键因素之一。一方面定向施工要求造斜点岩石硬度应能起到对造斜点钻具的支撑作用，另一方面又要把造斜点选在深度较浅的位置，用较小的井斜角和造斜率实现较大井底位
造斜段钻井施工是定向井钻井施工中的关键点，造斜点确定后，根据实际的方位偏差、井斜角等数据对井眼轨迹的造斜率进行设计和计算，保障造斜钻井施工的顺利进行，通过调整滑动钻进、复合钻进的比例以及增加钻铤等措施保障钻头按照设计的井眼轨迹钻进，保障造斜段施工的顺利进
地热定向井在二开Ø311.2 mm井眼进行定向造斜。Ø197 mm单弯螺杆（1.5°弯角，Ø238 mm稳定器）具有扭矩大、动力强的特点，采用Ø197 mm单弯螺杆钻具组合定向增斜进行井眼轨迹控制和钻井提速，大直径稳定器的使用可优化井眼质量，选用MWD无线随钻测斜仪实时监测井斜方位变化。
三开Ø215.9 mm井眼主要以稳斜钻进为主，考虑到经济和实用
钻头选型和地层配伍性直接影响钻进速度。定向钻进井段在新近系、寒武系及青白口系地层，根据地层可钻性，选用稳定性强的PDC钻头进行钻进和提速。Ø311.2 mm井眼造斜段优选5刀翼、13 mm小尺寸复合片定向PDC钻头，该钻头受扭矩波动小，工具面较容易控制。Ø215.9 mm井眼采用优质抗研磨强、小尺寸复合片、6刀翼胎体PDC钻头，工具面更加稳定，更利于稳斜井段复合钻进提
| 序号 | 井段 | 钻具组合 | 钻压/kN | 转速/ (r·mi | 泵压/ MPa | 泵量/(L· |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 直井段 |
Ø444.5 mm钻头+Ø203 mm钻铤×6根+Ø159 mm钻铤×9根+Ø127 mm钻杆 Ø311.2 mm钻头+Ø203 mm钻铤×6根+Ø159 mm钻铤×9根+Ø127 mm钻杆 | 50~120 | 72 | 2~5 | 28~32 |
| 2 | 造斜段 | Ø311.2 mm定向PDC钻头+Ø197 mm螺杆+Ø238 mm球扶+定向接头+Ø203 mm无磁钻铤（MWD）+Ø203 mm钻铤×3根+Ø159 mm钻铤×3根+Ø127 mm钻杆 | 20~50 |
螺杆 螺杆+40 | 4~8 | 28~32 |
| 3 | 稳斜段 | Ø215.9 mmPDC钻头+Ø159 mm螺杆+座键+Ø159 mm钻铤×18根+Ø127 mm钻杆 | 40~60 | 螺杆+40 | 5~8 | 28~32 |
天津地区地热定向井定向井段钻遇新近系明化镇组、新近系馆陶组、奥陶系、寒武系及青白口系地层。二开Ø311.2 mm井眼钻进新近系明化镇组砂泥岩地层结构松散且造浆严重，选用强抑制低固相钾氨基聚合物钻井液，防止粘土侵入，配合润滑剂使用，增强钻井液润滑性能，降低摩阻扭
目前地热定向井优化工艺已经在天津地区地热对井应用6井次，结果显示，地热定向井应用该优化工艺，井眼轨迹控制符合设计要求，缩短了定向井工期，提高了定向井施工效率。以DL-93地热井为例，目的层为蓟县系雾迷山组，设计垂深2600 m，设计斜深2740 m，设计为四开定向井，裸眼成井。设计对井井口距离5 m，井底水平投影距离550 m。根据地层情况，造斜点选在新近系明化镇组上部地层，造斜点500 m，设计最大井斜角25°，方位角345°。
直井段要保证打直。DL-93地热井一开、二开直井段钻遇第四系和明化镇组上部地层主要以胶结疏松的砂岩及松软的泥岩为主。采用塔式钻具组合防斜打直，小钻压50~80 kN，均匀送钻，控制井眼轨迹，直井段最大井斜角0.44°。
二开增斜段采用Ø311.2 mm定向PDC钻头配合Ø197 mm螺杆钻具组合，下入钻具前调整好方位。到井底后摆工具面，从520 m开始定向，滑动钻进30 m，复合钻进10 m，再滑动钻进10 m，测量井斜角增长情况，保证复合钻进10 m增长不小于1°。采用滑动钻进为主、复合钻进为辅的方式造斜，适当增加复合钻进比例，提高定向速度的同时可以保证井眼轨迹。增斜至设计井斜角，开始全比例复合钻进，采用MWD随钻测斜仪实时监测井斜方位变化情况，当井斜角下降，再适当滑动钻进增斜，控制井斜角在最大井斜角2°范围内。钻至馆陶组底砾岩地层，更换常规钻具配合镶齿牙轮钻头穿透底砾岩，二开完成。
二开砂泥岩地层采用聚合物钻井液体系，抑制泥岩造浆，控制失水，稳定井壁，提高携岩效率，加入润滑剂，增强泥浆润滑性能，减小摩阻扭矩，保证井下施工安
稳斜段采用复合钻进工艺控制井眼轨迹。三开采用Ø215.9 mm PDC钻头配合Ø159 mm螺杆（1.25°）钻具组合，以有效控制井眼轨迹并提高钻速，选用聚合物防塌钻井液体系，抑制寒武系地层泥岩造浆，控制钻井液失水，稳定井壁。利用单点测斜仪定点测量井斜方位变化情况。优化工艺应用较常规钻井工艺钻井速度有明显提高。
四开钻进雾迷山组地层，地层裂缝发育，易发生漏失、大漏不返浆。根据地层情况可选择反循环钻进或顶漏钻进。DL-93地热井雾迷山组钻进发生大漏不返浆，钻进过程中岩屑进入地层，井底沉屑少，顶漏钻进裸眼488 m，完井。
DL-93地热井钻具组合与钻井参数见
| 序号 | 井段 | 钻具组合 | 钻压/ kN | 转速/ (r·mi | 泵压/ MPa | 排量/ (L· | 钻井液体系 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 直井段 |
Ø444.5 mm钻头+Ø203 mm钻铤×6根+Ø159 mm钻铤×9根+Ø127 mm钻杆 Ø311.2 mm钻头+Ø203 mm钻铤×6根+Ø159 mm钻铤×9根+Ø127 mm钻杆 | 50~120 | 72 | 2~5 | 28~32 | 膨润土钻井液体系 |
| 2 |
造斜段 稳斜段 | Ø311.2 mm定向PDC钻头+Ø197 mm螺杆+Ø238 mm球扶+定向接头+Ø203 mm无磁钻铤（MWD）+Ø203 mm钻铤×3根+Ø159 mm钻铤×3根+Ø127 mm钻杆 | 20~50 |
螺杆 螺杆+40 | 4~8 | 28~32 | 聚合物钻井液体系 |
| 3 | 稳斜段 | Ø215.9 mmPDC钻头+Ø159 mm螺杆+座键+Ø159 mm钻铤×18根+Ø127 mm钻杆 | 40~60 | 螺杆+40 | 5~8 | 28~32 | 聚合物防塌钻井液体系 |
| 4 | 自然降斜段 | Ø215.9 mmPDC钻头+Ø159 mm螺杆+座键+Ø159 mm钻铤×18根+Ø127 mm钻杆 | 50~80 | 72 | 4~6 | 12~15 | 清水 |
图3 DL-93地热井实钻垂直剖面图和水平投影图
定向井井眼轨道控制是一项比较复杂的技术，科学合理的井眼轨迹可以有效地提高定向井施工效率。地热定向井钻井工艺优化能有效指导施工中打好直井段、控制好定向造斜、稳住井眼轨迹，保障井底位移。
地热定向井工艺优化在天津地区成功应用6井次，从应用效果来看，地热定向井钻井工艺优化技术通过钻具组合优化、钻头优选、以及合适的钻井液体系及控制好钻井液性能，提高了定向井钻井速度和井眼轨迹控制精度。
应用地热定向井钻井优化工艺，缩短了钻井周期，降低了钻井施工成本，值得推广应用。
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