摘要
D19井是雄安新区地热清洁能源调查评价项目中的一个勘探井。钻探施工过程中，对多种钻进工艺、钻具钻头、钻井液等关键技术进行研究应用，提高了深部地热钻探施工效率，解决了D19井中复杂地层钻进困难的难题，实现了对目标热储层的保护，顺利地完成了钻探施工任务，通过测录井及抽水试验等手段查明了地质构造及热储特征。文章对D19井钻探关键工艺技术及成果进行了总结，可以为类似钻探项目提供技术支撑，有利于推动深部地热钻探的发展。
雄安新区建设中高度重视对生态环境的保护，大力推进清洁能源的开发利用，在此背景下地热资源的勘探及开发利用显得尤为重
D19井是中国地质调查局地质调查二级项目“雄安地热清洁能源调查评价”中的一个勘探井，项目由中国地质科学院水文地质环境地质研究所负责实施，钻探工作任务由山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队（山东省鲁北地质工程勘察院）承担。该井揭露了雾迷山组和高于庄组两个热储层，通过地热地质钻探、测录井及抽水试验等手段，初步查明该区地层岩性、结构构造、地温垂向变化、热储富水性、渗透性等特征，评价了允许开采量。
D19井设计钻探深度4000 m、完钻深度4021.78 m，位于雄安新区起步区南部，紧靠安新县城，井场北临安新县旅游西路、西邻国道G230，交通便利。
D19井采用ZJ50LDB型钻机，为满足雄安新区对工程建设环保的要求、达到绿色勘探标准，对钻机进行了电动化改装，采用两台功率为800 kW电动机代替原配三机中的两台190型柴油机，为钻机绞车和泥浆泵提供动力，主要设备见
| 序号 | 设备名称 | 型号 | 功率/kW | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 钻机 | ZJ50/3150LDB | ||
| 2 | 井架 | JJ315/45-K | ||
| 3 | 转盘 | ZP375 | ||
| 4 | 绞车 | JC50 | ||
| 5 | 泥浆泵 | F-1300 | ||
| 6 | 动力机 | 1# | 电动机 | 800 |
| 2# | 电动机 | 800 | ||
| 转盘 | 电动机 | 400 | ||
| 7 | 固控系统 | ZJGK-50 | 220 | |
| 8 | 井控装置 | 2FZ35-21 | 144 | |
雄安新区在地质构造上位于渤海湾盆地的冀中坳陷内，主要涉及的构造单元有徐水凹陷、容城凸起、牛驼镇凸起、霸县凹陷、保定凹陷、高阳低凸起，主体构造线以北东向为主，主要断裂有NE向容城断裂、牛东断裂、保定断裂、高阳断裂，NWW向牛南断
| 地层 | 实际分层 | 岩性特征 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 界 | 系 | 组 | 底深/m | 厚度/m | |
| 新生界 | 第四系 | 平原组 | 433.90 | 433.90 | 土黄、灰黄、浅灰色粉土、粉质粘土、粘土，灰黄、灰白色细砂、粉细砂 |
| 新近系 | 明化镇组 | 1270.00 | 836.10 | 灰褐、灰绿色泥质粉砂岩，灰白、灰绿色泥岩 | |
| 古近系 | 东营组 | 1665.00 | 395.00 | 主要为灰白、灰绿色细砂岩，灰、灰绿色泥质粉砂岩互层；红褐、棕褐色泥岩，灰、灰绿色泥质粉砂岩，灰白、浅灰色细砂岩互层 | |
| 沙河街组 | 2920.00 | 1255.00 | 灰白、灰绿色含砾细砂岩，浅灰、灰白色细砂岩，灰黑、灰褐色泥岩，杂色砾岩互层 | ||
| 元古界 | 蓟县系 | 雾迷山组 | 3760.00 | 840.00 | 灰、灰白色白云岩，深灰、灰黑色燧石白云岩 |
| 杨庄组 | 3770.00 | 10.00 | 灰绿色泥岩、灰白色泥质白云岩 | ||
| 长城系 | 高于庄组 | 4021.78（未揭穿） | 251.78 | 灰、灰白色白云岩，深灰、灰黑色燧石白云岩 | |
D19井为四开井：
一开采用Ø444.5 mm钻头钻进至700.00 m，下入Ø339.7 mm石油套管并全段固井；
二开采用Ø311.2 mm钻头钻进至2926.00 m，并进行定深取心，揭露雾迷山组白云岩，下入Ø244.5 mm石油套管并全段固井；
三开采用Ø215.9 mm钻头钻进至3767.00 m，并进行定深取心，揭穿雾迷山组白云岩，下入Ø177.8 mm石油套管，并设置封隔器、“穿鞋”固井；
四开采用Ø152.4 mm钻头钻进至4021.78 m，并进行定深取心，揭露高于庄组热储层，裸眼完井。
井身结构如
图1 D19井井身结构
（1）沙河街组泥岩中常含有较多研磨性强的砾石，采用钢齿牙轮钻头和常规PDC钻头寿命低、磨损严重易出现钻头事故，采用镶齿牙轮钻头则效率低，同时泥岩中常夹有结构致密、硬度较高的硬塑性泥岩，在硬塑性泥岩地层中钻进效率极低，严重影响钻探施工效率，如何提高此类地层钻进效率是钻探施工中的一大难题。
（2）古近系东营组及沙河街组中有大段含石膏泥页岩地层，在此类地层钻进时，一方面地层中的石膏吸收钻井液中的水分膨胀，致使井壁泥页岩膨胀剥落；另一方面石膏侵使钻井液性能恶化，降低钻井液的护壁能力；两者形成恶性循环，致使该类地层钻进时护壁困难，井下复杂情况时有发生。
（3）为保护热储层，在热储层钻进需使用清水或无固相钻井液，而清水或无固相钻井液护壁、携带岩屑能力
D19井钻探施工过程中，根据不同井段地层特征、井径及深度等因素，结合以往类似项目施工经验教训，在不同开次、不同地层采用了不同的钻进工艺方法。其中，上部平原组及明化镇地层胶结较差、结构松散，采用大泵量、高泵压喷射钻进工艺以取得较高的钻进效率，喷射钻进完成进尺1251 m；中下部东营组及沙河街组地层胶结较好，主要采用螺杆钻具复合钻进工艺以提高钻效，螺杆钻具复合钻进完成进尺1854 m，底部雾迷山组及高于庄组热储层漏失严重、破碎地层岩屑携带困难，同时为保护热储层，主要采用气举反循环钻进工艺，气举反循环钻进完成进尺781 m，各井段钻进工艺及参数见
| 开次 | 地层 | 钻进工艺方法 | 钻进参数 | 平均机械钻效/(m· | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 钻压/kN | 转速/ (r·mi | 泵量/ （L· | 泵压/ MPa | 风量/ ( | 风压/ MPa | 上返流量/ （L· | ||||
| 一开 | 平原组 | 喷射钻进 | 20~40 | 69 | 64.6 | 14~20 | 22.72 | |||
| 明化镇组上段 | ||||||||||
| 二开 | 明化镇组下段 | |||||||||
| 明化镇组底部 | 螺杆钻具复合钻进 | 60~120 | 40+169 | 41.5、32.3 | 12~18 | 1.92 | ||||
| 东营组 | ||||||||||
| 沙河街组 | ||||||||||
| 三开 | 雾迷山组顶部 | |||||||||
| 雾迷山组 | 气举反循环钻进 | 60~80 | 69 | 10 | 3~5 | 6 | 1.60 | |||
| 杨庄组 | ||||||||||
| 四开 | 高于庄组 | |||||||||
对比该地区类似钻探项目，喷射钻进较常规转盘回转钻进机械钻效提高超过200%、螺杆钻具复合钻进较常规转盘回转钻进机械钻效提高超过90%、气举反循环钻进较常规转盘回转钻进机械钻效提高超过25%。D19井通过多种钻进工艺的合理应用，提高了钻探施工效率，有效地保障了钻探施工安全和质量，顺利地完成了项目钻探施工任务。3.2 含砾泥岩夹硬塑性泥岩地层钻头技术
在沙河街中，泥岩中常含有较多研磨性强的砾石，采用钢齿牙轮钻头和常规PDC钻头则磨损严重，采用镶齿牙轮钻头则钻效很低，在钻遇硬塑性泥岩时钻效更低、机械钻效仅有0.3~0.4 m/h。通过对硬塑性泥岩地层碎岩机理的深入研究，设计出两种针对地层岩性特征的个性化PDC钻头（见
图2 异形片PDC钻头
在东营组及沙河街组中，钻遇了大段含石膏泥页岩地层，通过对含石膏泥页岩地层井壁失稳机理的深入分析。制定了如下技术措施：一、控制钻井液中自由水，尽量降低钻井液失水、减轻石膏吸水膨胀及对地层的水化作用；二、调节钻井液密度、平衡石膏吸水增加的地层压力，使钻井液—地层系统压力平衡；三、调节钻井液PH值，为钻井液处理剂发挥作用提供良好的环
| 项目 | 黏度/s | 滤失量 /[ml·（30min | 泥饼厚度/mm | PH值 | 密度/ (g·m |
|---|---|---|---|---|---|
| 调节前 | 72~98 | 8~15 | 2~3 | 6~7 | 1.15~1.20 |
| 调节后 | 42~55 | 3~6 | 0.6~1 | 8~10 | 1.22~1.35 |
在三开、四开井段，采用了气举反循环钻进工艺，有效地解决了热储层漏失无法建立循环、破碎地层井壁崩塌、岩屑携带困难等问题；同时，钻进过程中热储层地热水进入井筒参与循环，防止了钻井液、岩屑进入热储层裂隙中，有效地保护了热储层。
根据双壁钻杆下入深度与钻孔深度比值、空压机风量等要求，综合考虑钻探深度、井径等因素，D19井气举反循环钻进配备的主要设备见
| 名称 | 规格 | 数量 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 空压机 |
15 | 1台 | 变频控制 |
| 双壁钻杆 | Ø127/89 mm | 800 m | S135钢级 |
| 常规钻杆 | Ø114 mm | 3500 m | S135钢级 |
| Ø89 mm | 3500 m | S135钢级 | |
| 双壁主动钻杆 | Ø133/89 mm | 1根 | 长12.5 m |
| 气盒子 | 1套 |
考虑破碎热储层钻进时，孔内沉渣较多，容易造成钻柱内腔堵塞，在钻头与钻铤之间设置了防堵工
根据气举反循环钻进中双壁钻杆下深、沉没比及供气量一般要求，考虑实际钻进中刻取岩屑颗粒粒径，运用循环携带不同直径岩屑所需的最小流速（
| 双壁钻杆下深/m | 沉没比 | 风量/( | 风压/MPa | 返水量/(L· | 钻压/kN | 转速/(r·mi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 460~560 | 0.63~0.69 | 10 | 3~5 | 6 | 60~80 | 69 |
| Vmin=5.72[d1(rf-r1)/r1 | （1） |
式中：d1——岩屑颗粒直径，cm；rf——岩屑密度，g/c
实际钻进过程中，在地层较为完整时，返水（渣）连续平稳（见
图3 气举反循环钻进正常返水（渣）情况
（1）取心：D19井共取心14次，其中明化镇组1次、东营组2次、沙河街组4次、雾迷山组6次、高于庄组1次，累计取心进尺40.36 m、获取岩心32.84 m，平均岩心采取率达到了81.36%。
（2）岩屑录井：D19井共捞取岩屑录1144件，所有岩屑自然风干，并填写岩屑标签、装岩屑袋封存，岩屑袋按照顺序摆放在岩屑样盒内，同时制作岩屑沙盘，逐一描述并保存于岩心库中。
（3）测井：D19井共进行了4次物探测井工作，测井项目包括：井温、井径、井斜、电阻率、自然电位、自然伽玛、声波时差等。
D19井通过岩屑录井、取心及测井，查明了各地层埋深及发育厚度，查明了该区域雾迷山组及高于庄组热储构造，在雾迷山组及高于庄组中发现较厚破碎热储层18段。
D19井对雾迷山组上段、雾迷山组全段及高于庄组热储层分别进行了抽水试验，通过抽水试验知晓了热储层的水头压力、温度、富水性等特征，为单井可采资源评价提供了科学依据。根据抽水试验获取的数据，采用承压水稳定流非完整井水文地质参数计算公
图4 D19井抽水试验Q-S关系曲线
图5 D19井抽水试验q-s关系曲线
图6 D19井抽水试验温度流量曲线
通过抽水试验曲线可以看出：雾迷山组上段涌水量大、降深小，反映出雾迷山组上段热储层裂隙发育程度较高，富水性较好，同时因出水量较大，地热水在井筒中向上运移的速度快、温度损失较少，出水温度较高，地热资源丰富；而雾迷山组全段抽水实验数据相较雾迷山组上段变化较小，反应出雾迷山组下段热储发育程度较低、雾迷山组地热资源主要赋存在雾迷山组上段；高于庄组涌水量较小、降深较大，反映出高于庄组热储层富水性较差，同时因涌水量较小，地热水在井筒中向上运移的速度慢、温度损失较大，出水温度相对降低，高于庄组地热资源赋存情况一般。
（1）D19井通过多工艺的合理应用，有效地提高了上部覆盖层钻进效率，有效地保护了热储层、解决了破碎热储层护壁堵漏的难题。
（2）针对沙河街组泥岩中含较多研磨性强的砾石、夹硬塑性泥岩的难题，通过研究设计个性化PDC钻头，配合螺杆钻具复合钻进，提高了硬塑性地层机械钻效、解决了含较多研磨性强砾石地层钻头磨损严重的问题，有效地提高了该类地层钻进效率。
（3）针对含石膏泥页岩地层研究的钻井液技术，有效地解决了石膏侵使钻井液性能恶化、含石膏泥页岩地层井壁失稳等井下复杂情况，保障了钻探施工的顺利进行。
（4）通过测录井、抽水试验等手段，查明了区域地层埋深及发育厚度，查明了热储发育、水温水压及富水性等特征，取得了丰硕的成果，为地热资源的精细化评价和开发利用提供了科学支撑。
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