摘要
PBR01井是河南省有色金属地质矿产局在平顶山北组织实施的一口地热勘查示范井。完井深度2248.56 m，终孔直径216 mm。施工过程中遇到涌水、漏失、坍塌掉块、水敏失稳造浆等复杂地层及岩心采取率低等问题。本文从地层情况、井身结构设计、钻井工艺技术等方面介绍了该井的施工情况，总结取得的成果。通过采用改善钻井液性能、工艺堵漏、改进坚硬地层取心工艺、平衡法固井等措施解决施工中遇到的难题，为今后该地区中深部地热钻探积累一定的经验和技术。
地热是自然赋予人类宝贵的资源和能源，具有分布广泛、储量巨大、持续稳定等特征。
作为国家大力提倡发展的新能源，地热能源和煤、石油、天然气等化石能源相比，具有清洁、安全、绿色、环保等特点。可广泛用于清洁供暖、旅游度假、理疗康养、观光农业、工业焙干、发电等产业领域。大力推进地热资源勘查开发对发展绿色低碳经济和大气污染防治具有十分重要的现实意
PBR01井是由河南省有色金属地质矿产局在平顶山北部地区部署并实施的一口水热型地热资源勘查示范井，旨在揭示平顶山北部地区中深部热储的空间分布形态，评价地热资源潜力及可利用性，探索出一套适合示范区的地热勘查开发工作流程，为后续大面积勘查开发工作提供基础数据支撑。
勘查井为三开直井，设计井深2250 m，计划工期6个月。经过前期准备，项目于2020年1月9日开工，2020年6月22日完钻，受新冠疫情影响2个月，实际施工用时3.5个月，实际完钻井深2248.56 m（一开137.15 m、二开1437.73 m、三开2248.56 m），终孔直径216 mm，同时完成录井、取心、测井、下管、固井等工作。
平顶山凸起地质构造既受华北板块控制，更重要的是受秦岭造山带的控
由于经历多次强烈的构造运动和地壳运动，并伴有不同规模的岩浆侵入，所以呈现了地质构造的复杂性和多样性，为地热资源的形成提供了条
本区属山前冲洪积平原，地层由老到新为：新太古界变质岩系、中元古界长城系-蓟县系、新元古界震旦系、下古生界寒武系、上古生界石炭-二叠系、中生界三叠系及新生界古近系-第四系。实际钻遇地层情况见
PBR01井设计完钻井深2250 m，完钻层位预测为新元古界震旦系东坡组。由于钻井中不可预见的因素较多，实际钻探中地质情况与预计有一定差别。因此确定井身结构时应充分考虑地层和压力的变化，选择的套管程序应为各开次钻井留有余地，以保证完成钻探目的。
一开采用Ø444.5 mm牙轮钻头钻至井深137.15 m，钻穿粘土及地表松散冲积层，下入Ø339.7 mm×9.65 mm的J55表层套管（石油套管），下入深度0~137.15 m。
二开采用Ø311.2 mm牙轮钻头及PDC钻头钻至井深1437.73 m，进行测井并下入Ø244.5 mm×8.94 mm的J55石油套管及滤水管，下入深度127~1437.73 m。
三开采用Ø215.9 mm牙轮钻头或Ø215.9 mm PDC钻头钻至井深2248.56 m，进行测井并下入Ø177.8 mm×8.04 mm及Ø139.7 mm×9.17 mm的J55石油套管及滤水管，下入深度1427~2248.56 m。实际井身结构如
图1 井身结构示意
井深0~137.15 m，为第四系地层，岩性以粘土、泥层和砂砾为主，需改善钻井液性能，提升携沙及护壁功能，采用大泵量小钻压吊打钻进工
钻具组合：Ø444.5 mm钻头＋Ø197 mm螺杆+Ø165 mm钻铤9根＋Ø127 mm钻杆。
钻进参数：钻压10~200 kN，转速58 r/min，泥浆泵排量26 L/s。
钻井液参数：水基低固相聚合物钻井液体系，密度1.05~1.08 g/c
井深137.15~1437.73 m，为二叠系、石炭系及寒武系地层，岩性以砂岩、泥岩和石灰岩为主，地层互层变化频繁。钻进时采用大泵量，中-大钻压钻进工艺。二开完钻后下入Ø244.5 mm×8.94 mm的J55石油套管及滤水管，下入深度127~1437.73 m。用P042.5普通硅酸盐水泥进行“穿鞋戴帽”固井。
常规钻具组合：Ø311.2 mm钻头＋Ø203 mm钻铤7根＋Ø178 mm钻铤9根＋Ø127 mm钻杆。
动力钻具组合：Ø311.2 mm钻头+Ø197 mm螺杆＋Ø158 mm钻铤9根＋Ø127 mm钻杆。
取心钻具组合：Ø190 mm取心钻头＋川7-4取心筒＋Ø158 mm钻铤13根＋Ø127 mm钻杆。
钻进参数：钻压40~180 kN，转速63 r/min，泥浆泵排量30 L/s。
取心钻进参数：钻压5~50 kN，转速60 r/min，泥浆泵排量30 L/s。
钻井液性能：密度1.10~1.21 g/c
井深1437.73~2248.56 m，为寒武系及震旦系地层，岩性以白云质灰岩和砂岩为主。采用螺杆马达＋PDC钻头钻进，通过提高钻速减少泥浆对储层的侵入污染，保护储层。三开完钻后下入下入Ø177.8 mm×8.04 mm及Ø139.7 mm×9.17 mm的J55石油套管及滤水管，下入深度1427~2248.56 m。
动力钻具组合：Ø215.9 mm PDC钻头+171 mmLG+Ø158 mm DC×9根+Ø127 mm DP。
取心钻具组合：Ø215 mm取心钻头＋川7-4取心桶＋Ø159 mm钻铤×9根＋Ø127 mm钻杆。
钻进参数：钻压20~50 kN，转速60 r/min，泥浆泵排量30 L/s。
取心钻进参数：钻压5~60 kN，转速60 r/min，泥浆泵排量30 L/s。
钻井液性能：密度1.03~1.08 g/c
施工过程中遇到第四系地层松软坍塌、平顶山砂岩坚硬取心难、泥页岩水敏失稳造浆、地层涌水、地层漏失、固井困难等问题。通过采用控制起下钻速度、减少抽吸及压力激动对孔壁的破坏、改善钻井液性能、堵漏工艺、改进取心工艺、平衡法固井等措施解决了施工过程中的问题。
一开井段地层胶结性差、疏松，含流沙层、砾石层井壁不稳定，易坍塌掉块，渗透率高易漏失，钻井液消耗量大。
采取的措施：采用聚合物钻井液体系。选用优质泥浆材料，改善钻井液性能，提高钻井液护壁能力（适当提高钻井液粘度并降低失水量）；控制钻进速度，采用大泵量小钻压吊打钻进工艺。
具体钻井液配方：清水＋5%膨润土＋0.4%CMC＋0.05%KPAM＋0.1%NH4-PAN＋0.2%腐钾＋火碱＋纯碱。
二开上部井段泥页岩造浆，下部煤层易掉块垮塌。
采取的措施：采用低固相聚合物钾基钻井液体系。为控制泥岩造浆，必须采取有效措施减少钻井液中的固相，并且连续少量加入钾盐溶液，以使固相絮凝减少固相含量。控制泥岩水化，防缩径，且加入少量铵盐降失水。钻井液性能以护壁、抑制造浆和降失水为主，同时控制好粘度和密度。钻进过程中随时监测钻井液各性能指标，适量调整泥浆材料控制钻井液性能，以保证钻井施工顺利进行。
具体钻井液配方：基浆＋0.1~0.2%KPAM＋1%LV-PAC＋1%复合历青＋0.1%NH4-PAN＋0.2%腐钾＋1%降粘剂＋火碱。
钻井钻进至2137 m时，钻孔出现较大漏失，最大时漏失15
采取的措施：在二开钻井液配方的基础上，加入1%随钻堵漏材料及一定数量的惰性材料，能迅速形成具有一定强度的非渗透性屏蔽阻止钻井液中的液、固相侵入储层，对漏失地层封堵效果较好。
二开钻进至166~230 m时，钻孔出现涌水。顶水钻进，结果涌水量越来越大，最大时达160
采取的措施；使用含加重材料的钻井液治水涌。根据井深及水涌情况计算出井底压力，配制一定数量的加重钻井液，控制住了地层涌水，保证了钻井正常进行。
具体配方为：清水＋5%膨润土＋7.5%重晶石粉＋0.4%CMC＋火碱＋纯碱，调整钻进液密度1.18 g/c
在钻进至549~647 m处平顶山砂岩段地层岩石致密坚硬，石英含量达80%、耐研磨性强。在钻探施工中钻头打滑、磨损严重，钻进效率极低，为提高取心效率及岩心采取率采取如下措施：
（1）优选取心钻头。根据地层情况，使用PDC钻头可提高机械钻速，小直径复合片可减小对岩心的破坏，因此小切削齿PDC钻头对地层的适应性较好。
（2）采用孔底动力钻具取心。通过提高转速加快钻头切入地层速度，使得岩心能够在较短时间内进入取心筒。使用孔底动力钻具可提高钻头转速，减小钻头的横向切力和钻柱离心力。
本次应用川7-4系列取心钻具配合Ø172螺杆马达进行取心作业并严格控制钻进参数，提高了取心效率和岩心采取率。普通PDC钻头转盘驱动与小切削齿PDC钻头螺杆驱动取心情况对比见
二开套管按设计要求进行了“穿鞋戴帽固井”，但在完钻进行抽水试验时发现二开套管顶部与一开套管重叠段存在漏水现象，说明固井不成功。在第一次固井时，就考虑到二开井段上部钻进时存在涌水现象，固井作业存在一定的难度。因此，在二开套管顶部以下300 m位置采用正注反挤固井300 m，为保证固井质量，又在二开套管顶部采用自然沉降法进行了固井，但最终还是没有成功，说明涌水及漏失地层固井是一难题。
为了满足抽水试验及评价要求，必须封固二开套管与一开套管重叠段。认真总结上次固井失败的经验教训，并咨询地热方面有关专家，依据压力平衡原理，归纳总结出了注完水泥浆后的稳定液面及钻杆下入位置的计算公式，这在漏失井段固井是关键一点。
| h１＝(ρm/ρw)hm －hm ＋h０ | (１) |
式中：h１——新平衡液面深度，m；hm——水泥浆柱高度，m；h０——原平衡液面深度，m；ρm——水泥浆密度，g/c
| H＝H１－H２－hm＋Hx | (２) |
式中：H——钻杆下入位置，m；H１——二开套管顶部的深度，m；H２——理论上水泥浆柱下行距离，可根据不同套管环空容积差别具体调整，H２＝（ρm/ρw-1）hm，m；Hx——浮动系数，取值范围20~30 m，考虑套管内预留水泥塞的高度。
井口未密封，二开套管顶部深度127 m，原稳定液面深度27.75 m。为保证固井质量，注入水泥浆4
PBR01井在钻探施工过程中，完成了一开、二开、三开的钻井、录井、测井、下套管、固井等任务，完钻井深2248.56 m，完成率99.94%。全井最大井斜位于2150 m，井斜4.91°，井底2147 m位置井斜3.72°；最大井径扩大率位于1650 m，井径扩大率12.98%；孔深误差0.69%。各项指标完全满足规范及设计要求。
PBR01井是平顶山地热田的首井，是本区地热资源勘查开创性的工作。初步查明了区内热储层及盖层的分布，岩性及裂隙发育特征，地温场的垂向变化规律，地热流体质量，为评价平顶山中深层地热田资源提供了有力支撑。
该井的成功实施，填补了本区无地热资源开发利用的空白。不仅确定了该区的中深层地热资源具有供暖、康养等重要价值，而且为平顶山市供暖提供了新的清洁热源，具有重要的引领和示范意义。
平顶山凸起以往揭露地层以寒武系以上地层为主，对该地区寒武系及以下地层了解有限，本次通过录井、收集资料、咨询专家，现场查看剖面等方法基本厘清了平顶山地区寒武系地层层序，为以后在该区开展基础地质工作和地热勘查开发提供了重要依据。
（1）通过地质录井、物探测井等技术手段揭示，本井的主要盖层为新生界（厚约120 m），热储层为二叠系石千峰组、石炭系太原组、寒武系崮山组、张夏组及朱砂洞组，未见断层影响，因此本区热储类型应以沉积盆地传导型层状为主，构造发育部位地热资源潜力更大。
（2）通过资料收集、物探测温基本查明工作区地温场特征。恒温带温度为17.2 ℃，深度为25 m，平均地温梯度为3 ℃/100 m。
根据地热流体分析检测结果，地热水中氟、偏硼酸、偏硅酸均达到了有医疗价值浓度，本井是一口优质的理疗级地热井，具有广泛的开发利用前景。
平顶山北地热示范区PBR01井采用了挂网缠丝的滤水管，过水通道小，且在钻进时使用了堵漏材料。为保证过水通道畅通，根据录井及物探测井情况，探索在三开、四开富含水层、疑似断裂带和钻进漏失地层中进行射孔。每段射孔5~15 m，总射孔长度60 m，如
在平顶山北地热示范区完成了PBR01地热勘查井钻完井施工任务，对井身结构、钻井液、钻进参数、取心钻具及固井等方面进行了优化，为后续大面积勘探开发地热资源提供了一定的经验和技术方法。获取了岩心、岩屑实物资料并通过物探测井，基本厘清了地层厚度、岩性及裂隙发育特征，初步查明了本区的地热地质条件，为平顶山北地热示范区地热资源勘查开发提供了一定的数据和技术支撑。
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