砂巖孔隙型回灌井成井工藝探析

沈健 王連成 趙艷婷

摘要：砂巖熱儲回灌技術是孔隙型熱儲可持續(xù)開發(fā)利用中的主要技術難題，也是影響孔隙型熱儲地熱資源實現(xiàn)可持續(xù)開發(fā)利用的一個瓶頸問題。而其中回灌井成井工藝是影響砂巖熱儲回灌效果的一個重要因素。天津開展新近系孔隙型砂巖熱儲回灌井成井工藝研究已有二十多年歷史，積累了豐富的經(jīng)驗，尤其在濱海新區(qū)的館陶組熱儲取得了較好的應用效果。本文對目前常用的回灌井成井工藝進行了分析對比，為今后不同地區(qū)回灌井施工提供了借鑒。

關鍵詞：地熱資源，回灌，成井工藝，砂巖熱儲，館陶組

中圖分類號：P314.1 文獻標識碼：B

文章編號：1001-9138-（2016）07-0075-80 收稿日期：2016-06-07

1 前言

地熱資源是一種清潔能源，主要分為砂巖孔隙型儲層地熱和巖溶裂隙型儲層地熱。砂巖孔隙型儲層地熱資源，具有埋藏淺、分布廣、儲量大、利用范圍廣等特點，近年來開發(fā)利用規(guī)模呈逐年增大趨勢，為推動經(jīng)濟和環(huán)境發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益。

目前，砂巖熱儲回灌技術是孔隙型熱儲可持續(xù)開發(fā)利用中的技術難題，也是天津孔隙型熱儲地熱資源實現(xiàn)可持續(xù)開發(fā)利用的一個瓶頸問題。以往，在天津新近系熱儲層只能開采不回灌的現(xiàn)象普遍存在，大大地縮短了新近系砂巖熱儲地熱資源開發(fā)利用的壽命。砂巖熱儲回灌受多個因素制約，尤其是回灌井的成井工藝更是回灌能否實現(xiàn)的重要技術環(huán)節(jié)。因此，開展回灌井成井工藝的研究，并將先進技術推廣應用，對于促進地熱回灌技術的開發(fā)，推廣具有十分重要的作用。

天津市在多年的館陶組孔隙型地熱回灌井施工工藝探索中，積累了豐富的實踐經(jīng)驗。在對濱海新區(qū)館陶組熱儲層特征分析的基礎上，為了適應不同的儲層特征，達到理想的回灌效果，不斷地進行了技術改進。通過分析各階段鉆井工程的技術改進，確定適宜的回灌井施工工藝，指導實際鉆井施工，取得了較好的應用效果，為促進本地區(qū)的回灌工作發(fā)揮了巨大的作用。

2 一開過濾器成井工藝

2.1 工藝概述

一開過濾器成井工藝在濱海新區(qū)主要應用于熱儲層埋深較淺（孔深<1500m）的館陶組回灌井中，經(jīng)過技術改進，能有效提高回灌效果。

該工藝采用大口徑填礫工藝，如圖1所示，為阻擋進砂，確保回灌效果，礫料厚度應大于75mm，且礫料高度必須超出濾水管，以起到濾水、擋砂的作用；礫料上部填粘土球止水。這種工藝，井徑較大，投入礫料可預防松散粉細砂巖地層出砂，破壁換漿徹底，因人工投入的礫料質(zhì)量好，過水效果好，可有效提高回灌效果。

該成井完井后選擇擴孔，按規(guī)范要求，井管和井壁之間單邊間隙要大于75mm。在過濾器和井壁之間充填一定厚度的礫料，填礫時應保證礫料到位，起到濾水、擋砂的作用，形成很好的濾層。

2.2 工藝優(yōu)點

由于口徑較大，井身結構簡單，洗井方法簡便，可以保證成井后的回灌能力；同時施工成本較低。

2.3 技術要點

（一）施工過程中對鉆井液選擇：在施工上部明化鎮(zhèn)組時應采用優(yōu)質(zhì)鈉土鉆井液，適當加入銨鹽及一些可除解材料；在施工下部館陶組應采用自然造漿方式，避免對熱儲層造成傷害堵塞。

（二）破壁換漿：下管前做到“破壁”去除泥皮，下管后填礫前“正循環(huán)管外循環(huán)換漿”，徹底清除井內(nèi)鉆井液，破壞井壁泥餅。

（三）物探測井：確保過濾器的位置對應下至目的含水層。

（四）逐級擴孔：嚴格按照技術標準進行。

（五）填礫：應采用動水投礫，一般要求礫料頂面超過過濾器頂部20m。

3 二開過濾器成井工藝

3.1 工藝概述

二開過濾器成井工藝的應用歷史較久，早在1987年，天津地熱勘查開發(fā)設計院、大港石油管理局和南開大學數(shù)學系在大港油田水電廠對新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組熱儲進行早期回灌試驗研究時，就采用了該成井工藝，如圖2所示。該工藝應用至今，較為成熟。二開過濾器成井工藝在濱海新區(qū)主要應用在較深地熱井中（孔深>1500m），采用水泥固井止水方法。水泥固井具體工藝是在過濾器上部加裝盲管，并預打旋流孔，待井管下至預定位置后，利用旋流孔進行注水泥固井作業(yè)。旋流孔下部加高強度橡皮傘，防止水泥漿下沉。

3.2 工藝優(yōu)點

該種工藝成井質(zhì)量較高，既能固定井管，又能起到隔絕上部冷水層的止水作用，保證取水段的溫度和出水量。該工藝在地熱井施工中應用廣泛，濱海新區(qū)早期館陶組地熱井均采用該種工藝。

3.3 技術要點

（一）由于井孔較深，要根據(jù)鉆井地層的不同調(diào)配不同性能的鉆井液，其基本要求是鉆井液要有較好的攜砂能力，具有潤滑性，能防坍塌、防縮徑的特點，保證井下安全。

（二）下管：由于含水層一般不連續(xù)，下管前要準確安排好技術套管和過濾器下入順序，丈量套管一定要準確，成井后確保過濾器的位置與目的含水層一一對應，且套管串頂部與上部表層套管重疊不少于30m。

（三）止水：各含水層之間用橡皮兜止水。

（四）固井：二開固井一般采用二級固井方法。第一級固井在距過濾器頂部以上100m左右的位置進行，該處預留旋流孔，水泥漿上返高度不少于300m，候凝24h再進行二級固井；第二級固井在二開套管頂部擠入水泥漿，干水少于5T。兩次固井的水泥漿密度均為1.85g/cm3。兩次固井都采用G級油井水泥，套管內(nèi)水泥塞高度不少于10m。

（五）洗井作業(yè)：完井后，首先要用清水換漿，采用六偏磷酸鈉溶液浸泡，對含水層噴射洗井，破壞泥皮，然后再進行氣舉洗井。

4 二開射孔成井工藝

4.1 工藝概述

射孔技術是指將射孔器用專用儀器設備輸送到井下預定深度，對準目的層引爆射孔器，穿透套管及水泥環(huán)，構成目的層至套管內(nèi)連通孔道的一項工藝技術。該技術作為石油鉆井領域比較成熟的技術，在油氣層成井中廣泛使用。近年來被嘗試性地應用于孔隙型熱儲地熱井成井工藝中，效果較好，尤其是在地熱回灌井中應用，明顯提升了回灌能力。

射孔技術一般應用在較深地熱井中（一般>1500m）。

該成井工藝結合測井曲線解釋成果分析熱儲層的滲透率、孔隙度、含水層厚度及井溫等參數(shù)，通過射孔作業(yè)方式，建立滲水通道成井。該工藝應用于賦水性好、滲透率大、地層成巖性好，膠結較致密的熱儲層中，如圖3所示。

4.2 工藝優(yōu)點

該種工藝成井質(zhì)量較高，工藝成熟。既能隔絕上部冷水層，保證取水段的溫度和出水量，也能做到保護熱儲層不被污染，增加回灌量。該工藝近年來在地熱回灌井施工中應用較多。

4.3 技術要點

（一）由于井孔較深，要根據(jù)鉆井地層的特點控制鉆井液的性能，要求鉆井液有較好的攜砂能力，具有潤滑性，能防坍塌、防縮徑，保證套管能下入到位。

（二）二開固井一般采用二級固井方法。第一級固井要確保水泥漿上返高度超過射孔井段以上150-200m，保證射孔井段管外有完整的水泥環(huán)封固。

（三）射孔作業(yè)要根據(jù)測井解釋成果和地層情況選擇合適的射孔槍型和彈型。

（四）完井后徹底洗井。

5 二開過濾器與射孔工藝回灌效果比較

（一）射孔工藝相對于過濾器成井工藝更為簡單，而且在特定的地層中應用，由于射孔建立的通道更為直接，事實證明是有利于地熱回灌的。

（二）過濾器成井工藝能選擇合適的過濾器類型和纏絲間距，對止砂和出水的效果較好把握，一般能做到含砂少，涌水量大。

（三）過濾器工藝經(jīng)過多年的應用，技術成熟，對天津地區(qū)絕大多數(shù)孔隙型地層都適用，射孔技術對地層的成巖性和膠結程度要求較高，不適用于淺井和膠結差的地層。

（四）過濾器成井工藝對下管位置準確度要求高，如果過濾器與含水層不能準確對應，則會嚴重影響回灌效果。而且在施工過程中，限于過濾器長度和過濾器兩端各存在30-50cm左右的實管和管箍的影響，過濾器和目的層嚴格對應的難度會增大。

射孔成井工藝不存在以上問題，選位過程中利用測井曲線與作業(yè)只要做到對應于既定含水層射孔即可，不存在順序和丈量的問題。

（五）對于裸眼段較長的地熱井，過濾器工藝由于管串結構復雜，各段承受應力有區(qū)別，過濾器強度較弱，下管過程中格外要注意。如果選擇雙壁過濾器，則外徑更大，對井身質(zhì)量和井眼軌跡要求更高。

6 結論

結合濱海新區(qū)館陶組熱儲層特征，考慮到不同成井工藝的優(yōu)缺點，在不同區(qū)域應選用適合的成井工藝：

（一）在孔深較淺（一般<1500m），目的層埋深較淺的地熱井中，儲層膠結程度一般較差，較為松散，考慮選用一開過濾器成井工藝。

（二）對于深度較大的館陶組地熱回灌井（一般>1500m），為減小施工風險，多采用二開成井方式，其中館陶組地層賦水性好、滲透率大且膠結性較好的儲層，選用射孔成井工藝，射孔成井方式，對于膠結性較差的松散地層，采用二開單層過濾器成井工藝。

（三）二開過濾器成井和射孔成井工藝在技術上各有優(yōu)缺點，今后應繼續(xù)加強成井工藝的研究，根據(jù)不同地層選擇適合的成井工藝，使回灌效果最大化。

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10.徐國芳 馬致遠 周鑫.地壓型熱儲流體尾水回灌化學堵塞機理研究——以咸陽回灌一號井為例.工程勘察.2013.41（7）

作者簡介：

沈健，2005年畢業(yè)于長安大學水文與水資源工程專業(yè)，畢業(yè)后就職于天津地熱勘查開發(fā)設計院，現(xiàn)為水工環(huán)地質(zhì)專業(yè)工程師，主要從事水文地質(zhì)、地熱地質(zhì)、地熱回灌等專業(yè)技術工作。

王連成，1997年畢業(yè)于石家莊經(jīng)濟學院巖土工程專業(yè)，畢業(yè)后就職于天津地熱勘查開發(fā)設計院，現(xiàn)為水工環(huán)地質(zhì)專業(yè)高級工程師，主要從事暖通工程、地熱地質(zhì)、地熱回灌等專業(yè)技術工作。

趙艷婷，2013年畢業(yè)于中南大學礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，畢業(yè)后就職于天津地熱勘查開發(fā)設計院，現(xiàn)為水工環(huán)地質(zhì)專業(yè)助理工程師，主要從事水文地質(zhì)、地熱地質(zhì)、地熱回灌等專業(yè)技術工作。