摘要
河南WR-1地热勘探井设计有新近系馆陶组和奥陶系2个勘探目的层，需要各自进行成井和测试工作，馆陶组成井测试完成后需要继续钻进完成奥陶系成井。在井身结构设计时，从套管设计、固井结构等方面进行优化改进，解决了馆陶组成井管柱固井、钻孔与套管级配以及过滤器参数设计等问题，并通过实钻验证。本文主要介绍了该地热勘探井井身结构设计过程中需要考虑的重点要素、设计过程等，并结合实钻过程，对井身结构的设计进行了调整和优化，使其更具现场操作性，为其它类似同井双目的层地热勘探井工程提供理论和实践参考。
在钻井工艺设计中，井身结构设计是基
地热井一般没有异常高压地层，故不同于油气井，其井身结构设计不以地层压力为设计主线。与此同时，在地热资源的勘探过程中，为了高效地利用勘探资金，往往在1眼勘探井中设立2个以上的勘探目的层，这就对钻井工艺提出了更高的要求。基于上述原因，为了保证在安全经济的条件下完成钻探目的，笔者在长期实践中总结出来一套基于同井双目的层的地热勘探井井身结构设计方法，并在河南WR-1地热勘探井设计工作中进行了验证。
WR-1地热井是服务2017年度河南省财政勘查项目“郑州航空港经济综合试验区（尉氏段）地热资源调查”的地热勘探井。根据区域地质情况、邻井地层情况及物探解译结果，地质设计给出了该井可能钻遇的地层情况，如
| 地 层 | 底板埋深/m | 地层厚度/m | |
|---|---|---|---|
| 第四系（Q） | 200 | 200 | |
| 新近系（N） | 明化镇组（Nm） | 750 | 550 |
| 馆陶组（Ng） | 1200 | 450 | |
| 三叠系（T） | 1700 | 500 | |
| 二叠系（P） | 2800 | 1100 | |
| 石炭系（C） | 2850 | 50 | |
| 奥陶系（O） | 3000（未穿） | 150（未穿） | |
针对地层情况及施工难点，在本次施工中提出了一种基于双目的层地热勘探井井身结构设计方法，相比于传统井身结构，能够更好地起到固井防塌、封隔地层的作用。
常压地层，主要按照地层岩性特征、构造特征及钻成井工艺要求、钻井成本等方面确定各级套管的封隔点。而基于双目的层地热勘探井井身结构设计方法，则需要考虑独立成井及各自目的层位置结合地层岩性、钻井安全经济来确定封隔点位
在此次设计中，表层套管的作用是防止浅部水层受到污染和上部松散地层塌孔，与此同时也需要兼作泵室管。本井第四系地层预测厚度200 m，初选表层套管下入深度为200 m，同时根据区域内储层压力和开发情况，可以满足作为泵室的要
根据套管封隔点确定后的情况，将WR-1地热勘探井设计为四开钻井结构，需要下入三级套管。
地热井设计套管尺寸和井眼直径时一般考虑几点因素：表层套管兼作泵室管，直径应满足下入潜水泵要求；套管之间的间隙主要从钻井工艺要求、钻井任务要求和成本方面考虑；套管与井眼间隙应考虑地层岩性特性、井斜角、曲率等情
实际设计过程中，无特殊情况下，通常采用“13/9/7”配合系列。具体内容即：套管尺寸（英制）依次为133/8、95/8、7 in（1 in=25.4 mm，下同），配合的井眼直径（英制）为171/2、121/4、81/2 in。
按照“13/9/7”套管系列确定本井套管尺寸与井眼直径的配合系列如下：
一开Ø444.5 mm，深度200 m，下入表层套管尺寸Ø339.7 mm，深度200 m。
二开Ø311mm，深度1200 m，下入Ø244.5 mm技术套管（兼做成井套管），下入井段170~1200 m，与表层套管重叠30 m。
三开Ø215.9 mm，深度2850 m，下入Ø177.8 mm技术套管，下入井段1170~2850 m，与二开套管重叠30 m。
四开Ø152.4 mm，深度3000 m。
在双目的层地热井设计过程中，由于产层复杂，在设计套管时需要通过强度校核选择符合要求且合理的壁厚和钢
地热井一般为常压地层，不存在高压气体等，不考虑抗内压，一般工况以抗外挤为主，本井预测没有高塑性地层、岩盐地层，因此以常规工况校核外挤强度，选择合适的钢级和壁厚，然后再进行抗拉强度校核。安全系数可以参考石油钻井的相关要求。
一般按下套管时井内最大钻井液静液柱压力作为套管的最大外挤载荷，套管外挤力计算公式如
Pj=0.00981×ρmHj
式中：Pj——外挤压力，MPa；ρm——钻井液密度，g/c
地热井极端外挤工况为空压机洗井掏空，一般按掏空700 m来计算，ρm取1.15 g/c
| 序号 | 规格/mm | 钢级 | 壁厚/mm | 抗挤压力/MPa | 接头连接强度/kN |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 244.5 | H40 | 7.92 | 9.4 | 1130 |
| 2 | 244.5 | H40 | 8.94 | 11.9 | 1130 |
| 3 | 244.5 | J55 | 8.94 | 13.9 | 1753 |
三开技术套管在本井钻井及利用过程中少有抗挤工况，只需校核抗拉强度。地热井施工中Ø177.8 mm石油套管常用以下几种类
| 序号 | 规格/mm | 钢级 | 壁厚/mm | 抗挤压力/MPa | 接头连接强度/kN |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 177.8 | J55 | 8.05 | 22.5 | 1383 |
| 2 | 177.8 | J55 | 9.19 | 29.8 | 1633 |
| 3 | 177.8 | N80 | 8.05 | 26.4 | 1967 |
| 4 | 177.8 | N80 | 9.19 | 37.3 | 2309 |
三开Ø177.8 mm套管选择的壁厚为8.05 mm，钢级为J55。
馆陶组目的层过滤器成井，Ø311 mm井眼下入Ø244.5 mm过滤器，常规过滤器无法满足要求，因此需要进行重新设计。
根据储层性质确定过滤器类型为缠丝笼式过滤器，为了提高挡砂效果设计内包网结构；骨架管尺寸需与技术套管一致；过滤器最大外径应与井眼直径相匹配，以能够安全下入为前提，原则上过滤器最大外径≯骨架管接箍外径，参数见
| 组成 | 技术参数 | 材质 |
|---|---|---|
| 骨架管 | 外径244.5 mm；打孔直径18 mm；孔密度280孔/m | 石油套管 |
| 垫筋 | 高度6 mm | 不锈钢 |
| 内包网 | 目数为40目 | 不锈钢 |
| 缠丝 | 直径2.5 mm；间距0.5~0.7 mm； | 不锈钢 |
采用内管固井方法，套管内下入内管，封井口，顶替水泥浆进行固井作业，如
图1 表层套管固井
Fig.1 Surface casing cementing
二开馆陶组目的层过滤器成井，技术套管兼做成井管柱，底部“穿鞋”固井目的是稳固套管，保证三开钻井安全。采用内插管固井方法，下管时将内插底座连接在过滤器底部预定位置，下井到位后，下入内插接头与底座密封连接，这样就可以在过滤器下部进行注水泥固井作
图2 过滤器底部固井
Fig.2 Cementing of the filter bottom
水泥返高不得超过过滤器底界，避免水泥封固水层。采用G级油井水泥，水泥浆密度≮1.80 g/c
底部固井完成后，与表层套管重叠部分采用挤水泥固井，起到止水和固定套管的目的。操作步骤为下入钻杆，封井口，通过固井泵压裂地层挤入水泥浆封固重叠部分，重叠段挤水泥固井如
图3 重叠段挤水泥固井
Fig.3 Squeezing of cement along the overlaying casing interval
钻具连入管柱送至井内，到位后顶替循环进行“穿鞋”固井，如
图4 底部“穿鞋”固井
Fig.4 Cementing of the casing bottom
通过上述设计过程，确定了该勘探井井身结构的全部要素，设计的井身结构数据见
| 开次 | 井眼直径/mm | 深度/m | 套管直径/mm | 壁厚/mm | 下入深度/m | 水泥返深/m | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 一开 | 444.5 | 200 | 339.7 | 9.65 | 200 | 地面 | |
| 二开 | 311.2 | 1200 | 244.5 | 8.94 | 170~1200 | 过滤器成井 | |
| 三开 | 215.9 | 2850 | 177.8 | 8.05 | 1170~2850 | 2450 | |
| 四开 | 152.4 | 3000 | 裸眼成井 | ||||
注： 套管全部采用API石油套管，J55钢级；二开固井水泥返深为目的层底界以下50 m
河南WR-1地热井严格按照
图5 河南WR-1井井身结构
Fig.5 Structure of WR-1 well
一开Ø444.5 mm钻头钻至井深200.75 m完钻，按设计下入Ø339.7 mm、壁厚9.65 mm、钢级J55的表层套管200.75 m，对应井深0~200.75 m。内管法固井，R32.5矿渣硅酸盐水泥，干水泥用量16 t，水泥浆密度为1.75 g/c
二开Ø311.2 mm钻头钻进至1150 m钻穿馆陶组，为了保证固井质量，继续加深至1295.06 m二开完钻。下入Ø244.5mm、壁厚8.94 mm、钢级J55的成井管柱，长度1124.64 m，对应井深170.42~1295.06 m，其中过滤器长度80.71 m。
过滤器底部采用内插管固井，内插接头安装位置1280.68 m，过滤器底界1129.29 m，预计水泥返深1180 m，G级油井水泥5 t，水泥浆密度1.81 g/c
馆陶组热储层测试结果，静水位50.4 m，动水位114.95 m，出水量为100.39
三开Ø215.9 mm钻头钻进至井深2954.08 m完钻。下入Ø177.8 mm、壁厚8.05 mm、钢级J55的石油套管1694.82 m，对应井深1259.26~2954.08 m，与上一级套管重叠35.8 m。底部固井使用G级油井水泥11 t，水泥浆密度1.81 g/c
从上述施工验证过程来看，本文提出的设计方案能够满足指导实际生产的要求，但在实施过程中也出现了一些与理论不相符合的情况，针对这些情况对本设计方案也进行了一定的调整修改。
（1）井身结构设计时，对馆陶组储层测试后如何封闭有2种方案，一是注水泥封堵，二是钻进中钻井液封堵。实钻中水泥封堵难度大，采用了第二种方案。三开钻进过程中，当钻井液密度>1.16 g/cm³时，馆陶组储层发生了钻井液漏失，为了钻井安全，钻井液密度严格控制在1.15 g/cm³以下。但当钻进至2440 m左右时二叠系泥岩地层压力高，有坍塌掉块现象，需要加重钻井液平衡地层压力，以保持井壁稳定。处理过程中经常出现上漏下塌的复杂情况，最终采用先堵漏再逐渐加重的方案解决了问题。
（2）实钻馆陶目的层粒度很细，属于粉砂层，原设计的过滤器内包40目铜网无法有效挡砂，常规情况下，这种地层最有效的工艺为填砾成井，由于井身结构限制而无法实现。施工中采用再外包一层60目尼龙网工艺，实现了有效挡
（3）二开馆陶组过滤器成井，为了提高洗井效果，实践中将化学洗井加到固井工艺中，即底部固井注水泥前，注入0.8%焦磷酸钠溶液20
（1）本井通过合理的井身结构设计，达到了安全勘探2个目的层并兼顾独立成井测试的目的，为同井多目的层勘探提供了实践经验。
（2）二开中为了兼顾成井与继续钻进，重新设计了过滤器，实践证明完全可以达到常规过滤器的性能效果。
（3）二开底部固井是关键环节，既要保证固井过程中第一目的层不被封堵，又要使套管稳固，保证继续施工的安全。实践中采用内插法固井达到了目的，丰富了地热井固井方法，可为其它类似项目提供借鉴。
（4）同井多目的层一般用于勘探井，从节约科研资金和对比分析的角度，通过一眼勘探井对不同储层进行科学研究，是目前一些项目比较流行的做法，合理的井身结构设计是实现这一目的的关键。
参考文献（References）
唐海，周开吉，陈冀嵋.石油工程设计：钻井工程设计［M］.北京：石油工业出版社，2011． [百度学术]
TANG Hai， Zhou Kaiji， Chen Jimei. Petroleum Engineering Design： Drilling Engineering Design［M］. Beijing： Petroleum Press， 2011． [百度学术]
王胜启，高志强，秦礼曹.钻井监督技术手册［M］.北京：石油工业出版社，2008． [百度学术]
WANG Shengqi， GAO Zhiqiang， QIN Licao. Drilling Supervision Technical Manual［M］. Beijing： Petroleum Press， 2008． [百度学术]
孙莉.隆平1井钻井设计与施工［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2019，46（6）：36-40． [百度学术]
SUN Li. Driling design and practice of Well Longping-1［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2019，46（6）：36-40． [百度学术]
唐志军.井身结构优化设计方法［J］.西部探矿工程，2005，17（6）：78-80． [百度学术]
TANG Zhijun. Optimization design method of well structure［J］. West‑China Exploration Engineering， 2005，17（6）：78-80． [百度学术]
刘奥，曹光福，谢建安，等.霍尔果斯背斜深井井身结构优化设计［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（2）：26-29． [百度学术]
LIU Ao， CAO Guangfu， XIE Jianan， et al. Casing program optimization of deep well in Horgos Anticline［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2018，45（2）：26-29． [百度学术]
朱忠喜，李思豪，关志刚，等.红153井区井身结构优化设计及应用［J］.钻采工艺，2018，41（6）：114-117． [百度学术]
ZHU Zhongxi， LI Sihao， GUAN Zhigang， et al. Optimization design and application of well body structure in Hong 153 well area［J］. Drilling & Production Technology， 2018，41（6）：114-117． [百度学术]
潘德元,何计彬,杨涛,等.雄安牛驼镇地热田岩溶热储层地热深井井身结构优化设计[J].钻探工程,2021,48(2):78-84. [百度学术]
PAN Deyuan, HE Jibin, YANG Tao, et al. Optimization design of the geothermal wellbore structure in karst reservoir[J]. Drilling Engineering, 2021,48(2):78-84. [百度学术]
唐志军.川东北河坝区块井身结构的优化与实践［J］.石油钻探技术，2011，39（1）：73-77． [百度学术]
TANG Zhijun. Casing optimization and practice at Heba Block of Northeastern Sichuan Basin［J］. Petroleum Drilling Techniques， 2011，39（1）：73-77． [百度学术]
刘颖彪，朱忠喜，刘彪，等.西湖1井井身结构优化设计研究［J］.钻采工艺，2013，36（2）：124-127． [百度学术]
LIU Yingbiao， ZHU Zhongxi， LIU Biao， et al. Research on optimization design of well structure of Xihu 1 well［J］. Drilling & Production Technology， 2013，36（2）：124-127． [百度学术]
刘小康，田智生.页岩气井钻遇破碎地层的井身结构优化设计［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（7）：89-91． [百度学术]
LIU Xiaokang， TIAN Zhisheng. Optimal design of casing program of shale gas drilling in broken formation［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2016，43（7）：89-91． [百度学术]
边杰，和鹏飞，侯冠中，等.渤海低渗油田定向井井身结构优化［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（1）：52-56. [百度学术]
BIAN Jie， HE Pengfei， HOU Guanzhong， et al. Optimization of casing program for directional wells in Bohai low permeability oilfield［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2017，44（1）：52-56． [百度学术]
王吉平.超深地热井设计及施工工艺［J］.西部探矿工程，2015，27（11）：65-68． [百度学术]
WANG Jiping. Ultra‑deep geothermal well design and construction process［J］. West‑China Exploration Engineering， 2015，27（11）：65-68． [百度学术]
赵光贞.山东地区地热井钻井工艺技术［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2006，33（6）：43-45． [百度学术]
ZHAO Guangzhen. Drilling techniques of geothermal well in Shandong region［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2006，33（6）：43-45． [百度学术]
于洪波.复杂地质条件下S形定向井的井身结构优化及应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（6）：28-31，35． [百度学术]
YU Hongbo. Casing program optimization of S‑shaped directional well in complicated geological conditions and the application［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2018，45（6）：28-31，35． [百度学术]
于孝民，杨春光，董国明，等.唐山市第一眼蓟县系地热井钻探及成井技术［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（2）：41-44． [百度学术]
YU Xiaomin， YANG Chunguang， DONG Guoming， et al． Drilling and completion technology in the first geothermal well construction in Jixian System in Tangshan［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2014，41（2）：41-44． [百度学术]
马忠平，庞海，王艳宏，等.天津地区地热钻井及成井技术［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2008，35（12）：9-11． [百度学术]
MA Zhangping， PANG Hai， WANG Yanhong， et al. Geothermal well drilling and completion in Tianjin area［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2008，35（12）：9-11． [百度学术]
