摘要
为打赢大气污染防治攻坚战和燃煤替代任务，平顶山市市委市政府委托河南省有色金属地质矿产局组织开展平顶山地区地热勘查开发工作。根据对区域地质情况和地层特点，河南省有色金属地质矿产局自行设计并组织施工了平顶山北地热示范区PBR01井。文章从钻探设备选型、施工工艺选择、钻井液配置等方面介绍了项目设计和施工的全过程；通过钻井的施工，解决了本地区大口径深孔钻进难题，为本地区后续开发应用起到了良好的示范作用；通过对钻时曲线的分析，掌握了本地区不同地层钻进效率情况，提出了提高大直径硬岩钻进效率的方案。
地热能是一种巨大的潜在能源，它可以通过火山爆发、喷泉、岩石的热传导形式向地表传递热量，是一种优质的清洁能源。我国地热能储量丰富，但目前资源利用程度较低、开发利用潜能巨
习近平总书记在十九大报告中指出发展清洁能源是改善能源结构、保障能源安全、推进生态文明建设的重要任务。2019年10月11日，国务院总理李克强在主持召开的国家能源委员会会议上强调，要推动能源生产消费转型升级，保障能源安全。为打赢大气污染防治攻坚战和燃煤替代任务，平顶山市市委市政府委托河南省有色金属地质矿产局组织开展平顶山地区地热勘查开发工作。
为科学合理有效地开发地热，按“示范先行、逐步推广”的原则，河南省有色金属地质矿产局自行设计并组织施工了平顶山北地热示范区PBR01井，利用示范井勘查成果，评价主要目标热储层的地热资源量，探索出一套适合示范区地热勘查开发的工作流程，为后续大面积勘查开发工作提供了基础数据支撑。
（1）地热井按地热地质勘查孔的技术要求钻井施工，准确获取钻井地质及地热参数资料的前提下，开展抽水试验及水质检测分析工作；
（2）查明利用热储层段的岩性、空间分布、空隙率、渗透性及产能；
（3）查明热储盖层岩性、厚度变化、热储的封闭情况及其地热增温率；
（4）查明地热水物理性质与化学组分，并对其可利用方向做出评价；
（5）计算评价地热井地热资源量、可开采的控制范围、可开采量及采灌井距的确定，提出地热资源保护与可持续开发利用的建议。
勘查井计划工期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，用时165 d，受新冠疫情影响60 d，实际施工用时105 d，实际完钻井深2248.56 m。根据地层特点及分层抽水需要，钻井设计为一口三开直
图1 PBR01勘查井井身结构
0.00~137.15 m，采用Ø444.5 mm牙轮钻头钻进，钻穿粘土及地表松散冲积层，钻进至137.15 m完钻。下入规格Ø339.7 mm×9.65 mm，J55表层套管（石油套管）。
施工难点：该井段地层胶结性差、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。
钻具组合：Ø444.5 mm牙轮钻头＋Ø203 mm钻铤4根＋Ø159 mm钻铤8根＋Ø127 mm钻杆，常规转盘回转钻进。
钻井液采用聚合物钻井液体
137.15~1437.73 m，采用Ø311.2 mm牙轮钻头及PDC钻头钻进至井深1437.73 m完钻，进行测井、下二开套管及滤水管，下入规格Ø244.5 mm×8.94 mm的J55石油套管。
施工难点：上部井段泥页岩存在造浆问题，下部煤层井壁易掉块、垮塌及井漏。
钻具组合：Ø311.2 mm钻头+变径+Ø203.2 mm钻铤4根+变径+Ø177.8 mm钻铤6根+变径+Ø158.9 mm钻铤4根+变径+Ø127 mm钻杆+变径+主动钻杆。
钻井液配制：二开后由于原泥浆在扫水泥塞时受到钙侵，决定在出套管前排掉一部分泥浆，将泥浆粘度控制在38 s左右；同时由于泥岩造浆，需连续少量加入大钾溶液减少钻井液中的固相；为防止缩径，还应加入少量铵盐降失水，控制泥岩水化；由于地层压力高，在整个过程中泥浆密度严格控制在1.15 g/cm³以
1437.73~2248.56 m，采用Ø215.9 mm牙轮钻头或Ø215.9 mm PDC钻头钻进，钻进至井深2248.56 m。
施工难点：钻进目的含水层及断层带易造成井漏、井塌及埋钻事故。
钻具组合：Ø215.9 mm钻头+变径+Ø177.8 mm钻铤6根+变径+Ø158.9 mm钻铤8根+变径+Ø127 mm钻杆+变径+方钻杆。
钻井液的配制：三开钻井液的配置主要应提高钻井液的抑制性能，控制粘土矿物水化分散，要有较好的流变性能和造壁性能以降低钻井液向地层渗
因本井下管时采用了挂网缠丝的滤水管，过水通道小，且在钻进至漏失严重地层时被迫使用了惰性堵漏材料，存在过水通道被堵死而影响出水量的可能性。为增加下部水层出水量，本井对三开富含水层、疑似断裂带和钻进漏失地层进行射孔，每段射孔5~15 m，总射孔长度60 m（见
图2 射井车施工及射井弹夹照片
射孔结束后，为进一步打开钻井下部出水通道，提高水量水温，本井在射孔结束后采用SF-10/250型空压机进行洗井，该空压机排气量为10
具体施工原理如下：用空压机直接注入高压气体，实现限气量或者限压力可控井喷，对地层瞬时减压10~15 MPa，不断减压又不断恢复，实现地层吞吐清洗效
通过对我局以往施工的地热井施工调查，大直径硬岩钻探施工难已成为一个共性问题。探索提高硬岩地层大口径深孔钻进效率的研究不仅迫切而且十分必要，对以后类似地层的施工具有指导意义。
下一步我们准备从优化钻头性能和改变钻头破岩机理入手，通过实际钻进过程各项参数的收集、整理、统计和分析，探索一套中深层地热成井标准化施工工艺。
在现场钻至目标地层时采样3~5 m，送钻头生产厂家或其它有相应资质的实验室进行试验，测定其硬度、研磨性等参数。为加快施工进度也可以选取原来施工钻孔相同的地层岩心，但应保证岩样保存完好、未风化。根据试验结果，选择3~4种不同厂家、不同形式、不同配比的全面钻进不取心牙轮钻头、复合片钻头、金刚石钻头，进行对比试验，找出钻进效率最高的钻头类型。
（1）PBR01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。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。
（2）通过本井的地层特点选取了合适的钻机、钻具及施工工艺，钻井按期顺利完钻。根据本井钻探施工特点及钻时曲线分析，提出了提高硬岩地层大口径深孔钻进效率的研究方案。
（3）在施工中采用了高压空压机洗井、射孔等地热井增产工艺，进一步提升了河南省有色金属地质矿产局热井的施工水平，为以后地热井设计、施工和科研工作打下坚实的基础。
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