地熱井成井井身結構優化設計分析

張建中

(河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院,河南商丘 476000)

地熱井成井井身結構優化設計分析

張建中

(河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院,河南商丘 476000)

隨著我國市場經濟的快速穩定發展,城市化程度加強,人民生活質量提高,地熱作為一種環保、高效、可持續利用的能源,市場對它的需求非常強烈。尤其是在我國北方寒冷地區,急需開發大規模的中、低溫地熱來解決城鎮供熱的問題,而西北高原也急需開發熱礦水來提高人民生活水平,改善人民生活條件。目前,我國的高溫地熱資源發電產業已經具有了一定的基礎,但是,還有許多問題依然存在。雖然地熱作為一種新型環保的替代能源,而且它的利用、技術研發成本十分低廉,但是它開采投資大、風險高,也是不容忽視的問題。

第三系地熱井 潛山地熱井 定向井

隨著我國市場經濟的快速穩定發展,城市化程度加強,人民生活質量提高,地熱作為一種環保、高效、可持續利用的能源,市場對它的需求非常強烈。尤其是在我國北方寒冷地區,急需開發大規模的中、低溫地熱來解決城鎮供熱的問題,而西北高原也急需開發熱礦水來提高人民生活水平,改善人民生活條件。由于地熱市場的推動使得地熱能已經由開采中低溫地熱資源逐漸過渡為開采高溫地熱資源,而且地熱井的勘探和地熱井的成井深度也必然隨之增加。而隨著地熱井成井深度的不斷增加,致使揭露地層情況越來越復雜多變,特別是深潛山和潛山內幕為主體的隱蔽型潛山的地熱勘察,雖然它們有著巨大的勘探效益,但同時也由于地形的影響致使地層可鉆性急劇變差,有更大的幾率產生如井壁垮塌、漏失及井斜等一系列的復雜情況,致使它有著高度的復雜性及風險性。

1 定向井井身結構

目前定向地熱井也就是斜井主要應用于地熱一采一灌(對井)鉆鑿,以此來解決回灌熱儲層段的水平距離受到井口位置限制的問題。

1.1 第三系孔隙熱儲層二開定向井身結構

圖1

第三系孔隙熱儲層定向井一般情況下為二開井身結構。一開井身結構用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,且管外全井段水泥固井并封住定向井表層。二開井采用的是Φ311.2mm井眼,包括直井段、增斜段、造斜段以及穩斜段,下入Φ244.5mm進行套管,頂部與Φ339.7mm的套管重疊不得小于30mm,下部超過目的層不得小于30m,要采用“穿鞋帶帽”的方法進行水泥固頂,下部水泥漿上返至目的層以上的距離不得少于150m。目的層段要采用射孔成井,可根據抽水地熱水含沙量的情況來選擇補掛Φ177.8mm濾水管。

1.2 潛山裂隙熱儲層定向地熱井井身結構

深潛山定向井一般情況下采用四開井身結構。一開井身結構用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段用水泥固井封住表層;而二開井身結構采用Φ311.2mm井眼(包括直井段、增斜段、造斜段以及穩斜段)下入Φ244.5mm套管,頂部與339.7mm套管重疊距離不得小于30m,并采用“穿鞋帶帽”的方法用水泥固井;三開井身結構采用Φ215.9mm井眼,下入Φ177.8mm尾管,頂部與Φ224.5mm套管重疊距離不得小于30m,并采用“穿鞋帶帽”的方法用水泥固井;四開潛山目的層段采用Φ152.4mm鉆頭或Φ149.2mm鉆頭鉆進,直接裸眼完井或根據基巖破碎情況來選擇性下入Φ127mm襯管或Φ114.3mm襯管來完井。

2 第三系孔隙熱儲層地熱井井深結構

第三系孔隙型熱儲層一般情況下埋藏較淺,地層的巖性是由泥巖以及砂巖所組成,砂巖的泥質膠結而疏松,而泥巖的致密性較差。地熱井成井的井身結構一般情況下為一次管串結構(見圖1),泵室管段一般情況下為Φ44 4.5mm井眼或Φ3 75.0 mm井眼下入Φ339.7mm套管或Φ273.0mm套管,通過變徑來和下部Φ177.8mm套管連接,而下部為Φ244.5mm井眼。其中目的熱儲層段的開采,要對應含水砂巖層有選擇性的下入濾水管,而目的熱儲層以上的開采套管外要采用膠傘黏土球止水,且粘土球的厚度要大于30m,而上部要回填粘土以止水。

在第三系孔隙型熱儲層以上的第三系明化鎮組熱儲層巖性結構是最松散的,所以為了防止地熱井出砂,目前最常采用且最經濟有效的方法是在濾水管外與井壁環隙中間用礫料進行充填要在Φ2mm到Φ4mm之間。Φ500.0mm井眼或Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管或Φ273.0mm套管,通過變徑來和下部Φ177.8mm套管連接,而下部為Φ375.0mm井眼,且成井段以上套管外要采用粘土球止水,而上部要通過回填粘土來止水。

而對于成井過深(成井深度大于2000m)的第三系孔隙型熱儲地熱井,為了降低卡鉆以及井壁垮塌等特殊情況的風險,可以采用二開井身結構,一開用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm+Φ273.0mm套管(一般情況下300m~500m),管外全孔段采用水泥固井封住表層;二開采用Φ244.5mm井眼下入Φ177.8mm套管,頂部采用變徑和膠傘來與Φ273.0mm套管進行座封,下部和熱儲層段頂部則采用膠傘來止水。

3 潛山裂隙熱儲層地熱井井身結構

通過利用基巖裂隙型熱儲層成井,一般情況下開采目的熱儲層為古生界奧陶系和寒武系府君山組以及元古界長城系巖溶裂隙熱儲層來分析不同類型的潛山井,根據實地情況分別給出不同類型的井身結構方案。

3.1 超過4500m的深潛山井

超過4500m的深潛山井可采用四開井身結構。一開用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段利用水泥固井封住表層;二開用Φ311.2mm井眼下入Φ244.5mm套管,頂部和Φ339.7mm套管重疊距離不得小于30m,并采用“穿鞋帶帽”的方法利用水泥固井。而對于地層較穩定且下部地層壓力體系正常的井,二開套管可以封住陶組易漏的地層,下井深度2000m左右;而對于下部鉆遇地層復雜且坍塌壓力高的區塊,二開套管則需要坐入沙河街組地層,下井深度在3000m至3500m之間,可以有效地降低上部地層垮塌和漏失的風險;三開用Φ215.9mm井眼下入Φ177.8mm尾管,頂部和Φ244.5mm套管重疊距離不得小于30m,并且采用“穿鞋帶帽”的方法利用水泥固井。當非開采目的基巖熱儲層的潛山泥巖地區薄,井壁垮塌情況不嚴重,可以采用Φ177.8mm套管直接坐入潛山頂,同時封隔上部易垮塌地層,在一個開次中直接鉆進潛山內幕地層;四開潛山目的層段采用Φ152.4mm鉆頭或Φ149.2mm鉆頭鉆進,裸眼直接完井或者根據基巖破碎的情況選擇性的下入Φ127mm襯管或Φ114.3mm襯管完井。

若古近系地層垮塌嚴重,且潛山泥巖地層垮漏同層,此時為了安全鉆進,可以將四開井身結構更改為五開井身結構：用Φ177.8mm套管下至潛山頂,四開潛山泥巖易垮塌地層井段采用Φ152.4mm鉆頭或Φ149.2mm鉆頭鉆進,同時下入Φ127mm尾管,五開井身結構針對一般情況下為元古界長城系的目的熱儲層的易漏地層采用Φ105mm小鉆頭鉆進。

3.2 潛山目的層段較淺的井

潛山目的層段較淺的井,一般在2000m左右,采用三開井身結構。一開用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段采用水泥固井封住表層;二開則采用Φ311.2mm井眼下入Φ244.5mm套管坐入完整基巖的潛山3～5m,頂部和Φ339.7mm套管重疊距離不小于30m,并且采用“穿鞋帶帽”的方法利用水泥固井。這種結構的潛山段鉆井參數和鉆頭選擇具有更大的靈活性,而且機械鉆速能有更大的提升空間,同時處理井下突發緊急情況也更加方便。在探井鉆探的過程中,該結構如果多預留一層套管,則可以更好的實現鉆井目的。

3.3 潛山目的層埋深在3500m～4000m之間的潛山井

潛山目的層埋深在3500m~4000m之間的潛山井一般采用三開井身結構。一開用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段采用水泥固井封住表層;二層一般采用Φ241.3mm井眼下入Φ177.8mm套管坐進潛山3m至5m,頂部與Φ339.7mm套管重疊距離不得小于30m,并且采用“穿鞋帶帽”的方法來利用水泥固井。這種結構與二開采用Φ311.2mm井眼的結構相比,可節約大量的鉆井成本。

4 結語

(1)第三系孔隙型熱儲層埋藏深度較淺,井身結構一般情況下為一次管串結構,開采目的熱儲層段是要根據對應含水砂巖層的情況全部或有選擇性的下入濾水管;而泥質膠結疏松的地層為了有效地防止地熱井出砂,需要在濾水管外和井壁環隙之間進行礫料填充。(2)在勘察和開發潛山巖溶裂隙熱儲層時井身結構多數情況下為三開或者四開井身結構,三開或四開套管多數情況下入基巖頂部3m~5m,三開或四開為裸眼完井或根據情況尾管固井完井,這種結構為潛山地熱的勘察發揮了重要作用。(3)目前斜井(定向地熱井)主要應用與地熱一采一灌對井鉆鑿,已解決開采回灌的熱儲層段水平距離收到井口限制的問題。第三系孔隙熱儲定向井多數情況下以二開為主,包括穩斜段、造斜段和增斜段以及直井段,開采目的層段時要采用射孔成井;深潛山定向井一般情況下采用三開或者四開結構并且裸眼完井。

[1]趙金洲,張桂林.《鉆井工程技術手冊》.2010年.

[2]趙金洲,張桂林.《鉆井工程理論與技術》.2011年.

[3]曾鐵軍.深層地熱水井鉆探工藝[J].2010年6月.

[4]徐軍祥.我國地熱資源與可持續開發利用[J].2011年2月.

[5]屠厚澤.《鉆探工程學》.2012年.