試論分級(jí)固井技術(shù)在“取熱不取水”地?zé)峋┕ぶ械膽?yīng)用

陶宇龍，趙凱

(陜西省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司澄合分公司，陜西渭南715200)

1 引言

在我國(guó)，關(guān)中地區(qū)地?zé)豳Y源較為豐富。在地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，鉆遇含氣地層、裂隙發(fā)育地層均可能對(duì)地?zé)峋┕ぴ斐梢欢ㄓ绊慬1，2]。本次施工的01 號(hào)地?zé)峋ㄟ^(guò)對(duì)其地?zé)豳Y源以及熱儲(chǔ)層特征進(jìn)行觀察，可按照“取熱不取水”工藝對(duì)該地區(qū)地?zé)豳Y源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。部分地?zé)峋陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中，下管措施不當(dāng)及其他原因?qū)е绿坠芟氯胫令A(yù)定深度后出現(xiàn)井下氣體積聚，環(huán)狀空間可能突然出現(xiàn)鉆井液溢流、井涌等現(xiàn)象，或一次性注水泥固井后，環(huán)狀空間存在較大范圍的氣竄現(xiàn)象，影響固井質(zhì)量，致使目的層段導(dǎo)熱性能降低。而且部分地?zé)峋叹┕ぐ凑粘Ｒ?guī)一次性固井作業(yè)，因一次性注入的水泥量過(guò)大，地層不能承受液柱壓力，導(dǎo)致固井質(zhì)量不合格。另外，根據(jù)“取熱不取水”工藝要求，各層段固井水泥的導(dǎo)熱性能也有差異，需分段注入，因此，需研究分級(jí)固井技術(shù)。論文分析了分級(jí)固井技術(shù)在“取熱不取水”地?zé)峋┕ぶ械淖饔谩?/p>

2 分級(jí)固井技術(shù)

分級(jí)固井技術(shù)是指利用分級(jí)箍將較長(zhǎng)的井段分為兩個(gè)井段進(jìn)行固井技術(shù)，主要在于解決固井段較長(zhǎng)且壓力差較大的問(wèn)題，且可避免由于井下復(fù)雜情況影響后續(xù)施工的開(kāi)展[3]。當(dāng)前，分級(jí)箍直徑規(guī)格主要包括244.5 mm、177.8 mm、139.7 mm、127 mm，而分級(jí)固井技術(shù)工藝流程主要是在下套管過(guò)程中，在固井井深大約1/2 的位置放置分級(jí)注水泥器，待套管達(dá)到預(yù)定的位置后，核算一級(jí)固井分段水泥用量，進(jìn)行一次注水泥作業(yè)，對(duì)下部井段先進(jìn)行固井。碰壓后，投入重力塞打開(kāi)分級(jí)注水泥器以進(jìn)行二級(jí)固井作業(yè)及二次注水泥作業(yè)，完成固井技術(shù)作業(yè)[4]。該種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其內(nèi)通徑大且內(nèi)壁光滑，方便后期作業(yè)的開(kāi)展，在施工開(kāi)展過(guò)程中能夠明顯縮短施工時(shí)間，減少對(duì)油氣層的污染，因此，其在一定程度上保證了施工的安全性及環(huán)保性。而分級(jí)固井技術(shù)能夠在注完水泥漿后，壓入下膠塞頂替，碰壓后壓力升高到設(shè)計(jì)值，完成固井作業(yè)。利用懸浮扭矩通徑換向器的作用，旋轉(zhuǎn)以保證膠塞座與膠塞筒脫離到盲板位置，實(shí)現(xiàn)分級(jí)箍免鉆塞全通徑。

3 地?zé)峋厩闆r分析

3.1 地質(zhì)概況

01 號(hào)地?zé)峋挥诙鯛柖嗨古璧啬喜奎S隴侏羅紀(jì)煤田中部，地層由老到新依次為奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系和第四系。巖性主要包括泥巖、砂礫巖以及砂巖等，終孔層位為奧陶系馬家溝組。通常來(lái)說(shuō)，奧陶系巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，巖石熱容較大、熱交換條件好，滿足“取熱不取水”工藝要求。

3.2 井深結(jié)構(gòu)

該地?zé)峋捎谩叭岵蝗∷惫に嚕O(shè)計(jì)采取二開(kāi)結(jié)構(gòu)。一開(kāi)設(shè)計(jì)井深為0～300 m，實(shí)際井深有一定的差異，井徑為444.5 mm，下入φ339.7 mm×8.38 mm 無(wú)縫鋼管至井深300.38 m；二開(kāi)設(shè)計(jì)井深為300～3 200 m 左右，實(shí)際井深3 183.66 m，井徑為311.1 mm，下入φ244.5 mm×10.03 mm 無(wú)縫鋼管至井深3 166.4 m；全井段下入φ177.8 mm×8.05 mm 中心管。

3.3 問(wèn)題成因分析

根據(jù)有關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鉆遇中生界三疊系延長(zhǎng)組發(fā)育湖泊-三角洲沉積體系，泥頁(yè)巖較發(fā)育，山西組的沉積相通常是砂泥混積的潮坪相、湖濱相、含植物化石的泥巖沼澤相以及煤層，太原組潟湖-潮坪-障壁島沉積體系，泥巖和煤層較發(fā)育，具有生烴能力，使烴類氣體具有一個(gè)較好的生長(zhǎng)存儲(chǔ)條件。而其斷裂裂隙的發(fā)育也更有利于較深地層內(nèi)的烴類氣體逐漸往上運(yùn)移，幫助氣體進(jìn)入儲(chǔ)層聚集，在鉆探過(guò)程中可發(fā)現(xiàn)，氣測(cè)顯示異常且甲烷的含量也相對(duì)較高。一般情況下，在進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，液柱壓力及地層壓力基本處于平衡狀態(tài)，氣體不易侵入井筒，少量?jī)?chǔ)存的氣體可能進(jìn)入鉆井液中循環(huán)，隨著鉆井液緩慢平穩(wěn)的運(yùn)移到地面且散發(fā)在空氣中，從而減少氣體的聚集現(xiàn)象[5]。但在靜井狀態(tài)下，井內(nèi)的平衡狀態(tài)可能失穩(wěn)，氣體就可能緩慢地進(jìn)入鉆井液中，并且在每個(gè)關(guān)鍵位置聚集。在二開(kāi)結(jié)束、套管下放過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間靜井可能導(dǎo)致氣體在井內(nèi)聚集，聚集的氣體壓力過(guò)大將會(huì)出現(xiàn)溢流、井涌及其他情況發(fā)生。常規(guī)的一次性固井，注水泥后含氣層氣體可能在環(huán)空形成較大范圍的氣竄現(xiàn)象，導(dǎo)致固井質(zhì)量降低，影響地?zé)峋罱K的換熱效率。

在01 號(hào)地?zé)峋┕み^(guò)程中，在井深2 040.00 m、2 205.00 m、2 230.00 m、2 257.0 0m（三疊系劉家溝組地層），井深2 325 m、2 396 m、2 420.40 m、2 439.69 m、2 459 m、2 495 m、2 570 m、2 574 m、2 603.50 m、2 631 m、2 641 m、2 644 m、2 653.75 m（二疊系石千峰組地層），2 713 m、2 719 m、2 742 m、2 758.59 m、2 833.02 m、2 890 m、2 957.25 m（石盒子組地層），3 092.82 m（馬家溝組地層）均發(fā)生漏失，共計(jì)25 個(gè)漏點(diǎn)，初步統(tǒng)計(jì)總漏失量784 m3。錄井分析判斷為三疊系底部與二疊系上部屬于風(fēng)化裂隙較發(fā)育地段，推斷地層破碎較嚴(yán)重，該漏失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常的滲透性漏失和鉆進(jìn)正常消耗，漏失為地層裂縫或地層破碎發(fā)育所致。因此，運(yùn)用常規(guī)的一次性固井工藝，一次注水泥量過(guò)大，地層無(wú)法承受液柱壓力，存在地層被壓漏的風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致水泥漿漏失或失返，固井質(zhì)量不合格，使鉆孔喪失地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用的價(jià)值。

4 地?zé)峋旨?jí)注水泥固井工藝流程

4.1 主要設(shè)備及套管串設(shè)計(jì)

固井主要設(shè)備包括了泵車、水泥罐車、水罐、分級(jí)注水泥器等。分級(jí)注水泥器安裝的位置一般在固井深度的1/2 處，01 號(hào)地?zé)峋疄榫戮嗑? 700～1 705 m 處。入井管串結(jié)構(gòu)自下而上：φ244.5 mm 浮鞋+φ244.5 mm 短套管+φ244.5 mm 浮箍+φ244.5 mm 套管+φ244.5 mm 浮箍+φ244.5 mm 套管串+φ244.5 mm 分級(jí)箍+φ244.5 mm 套管串+φ244.5 mm 聯(lián)頂節(jié)，φ244.5 mm 套管下入至井深3 166.45 m 處，全井段下入φ177.8 mm 中心管。

4.2 固井準(zhǔn)備

固井準(zhǔn)備工作主要是按照套管設(shè)計(jì)深度在井口連接下入井內(nèi)，下管時(shí)3150～2 900 m 目的層井段每1 根套管加裝1 個(gè)扶正器，在2 900～0 m 井段每2 根套管加裝1 個(gè)扶正器，扶正器下放組數(shù)可根據(jù)實(shí)際井深和井況適當(dāng)調(diào)整，盡可能提高套管在井眼的居中度。按固井要求調(diào)整鉆井液性能，保證井眼不漏、不垮，使用的浮箍、浮鞋、分級(jí)箍應(yīng)認(rèn)真檢查連接質(zhì)量和下入位置，保證套管能夠達(dá)到預(yù)期的位置，整個(gè)套管在作業(yè)時(shí)應(yīng)全部處于密封的狀態(tài)，可在井口部位連接好固井管線，以準(zhǔn)備完成固井。根據(jù)“取熱不取水”的工藝要求，按照4 種導(dǎo)熱水泥漿配方準(zhǔn)備好各種調(diào)配材料。

4.3 固井施工

固井采取專用泵車及水泥罐車，泵車一般一用一備，使用的水泥總量可達(dá)到130 t，高密度導(dǎo)熱水泥漿平均密度為1.85g/cm3，低密度導(dǎo)熱水泥漿平均密度為1.45 g/cm3，在灌注時(shí)應(yīng)先灌注低密度的水泥漿，隨后將高密度的水泥漿灌入，并嚴(yán)格按照固井的設(shè)計(jì)開(kāi)展作業(yè)。一級(jí)固井作業(yè)：在循環(huán)正常后，注入前置液，注入量為8 m3，隨后需要注入水泥漿，一級(jí)導(dǎo)熱水泥漿1 注入的初始密度應(yīng)控制在1.45 g/cm3，注入量大約在43 m3，一級(jí)導(dǎo)熱水泥漿2 密度增大到1.85 g/cm3，注入量大約在22 m3，注水泥的排量應(yīng)控制在1.8～2.2 m3/min，一級(jí)導(dǎo)熱水泥漿灌注完成后，進(jìn)行壓膠塞作業(yè)，替漿量大約124 m3，碰壓后，穩(wěn)壓3～5 min，正常放壓后，確認(rèn)浮箍、浮鞋密封良好后，卸掉水泥頭上蓋，投重力塞打開(kāi)分級(jí)箍，循環(huán)泥漿，候凝。二級(jí)固井作業(yè)：注入前置液8 m3，注入二級(jí)導(dǎo)熱水泥漿1 大約66 m3，密度應(yīng)控制在1.45g/cm3，注水泥的排量應(yīng)控制在1.8～2.2 m3/min，二級(jí)導(dǎo)熱水泥漿2 密度增大到1.85 g/cm3，注入量大約在8 m3，注水泥的排量應(yīng)控制在1.0～1.4 m3/min，二級(jí)導(dǎo)熱水泥漿灌注完成后，進(jìn)行壓膠塞作業(yè)，替清水量大約65 m3，碰壓正常后，候凝48 h。

4.4 鉆塞

在固井工作結(jié)束后將套管中預(yù)留的水泥塞、膠塞鉆穿，隨后完成成井作業(yè)。在鉆井過(guò)程中下鉆探水泥塞時(shí)應(yīng)注意下放過(guò)程中控制鉆具下放速度，在臨近淤積水泥塞位置時(shí)可緩慢試探，遇到阻礙時(shí)應(yīng)立即上提鉆具。在探遇水泥塞后可接好方鉆桿循環(huán)緩慢下放輕壓慢轉(zhuǎn)，開(kāi)始鉆壓應(yīng)為10 kN，并根據(jù)實(shí)際情況逐漸增大壓力，但壓力最大不超過(guò)30 kN，直至穿過(guò)水泥塞部位，遇到膠塞面時(shí)可提前減少鉆壓并緩慢下放，起始?jí)毫υO(shè)置在5 kN，最大壓力不超過(guò)10 kN。鉆塞需要在候凝24 h后開(kāi)展，作業(yè)時(shí)間不超過(guò)72 h，避免由于水泥強(qiáng)度較大影響到鉆塞。在下鉆到預(yù)定的位置后，探測(cè)到水泥塞時(shí)應(yīng)不加壓，預(yù)防水泥漿堵塞鉆頭水眼。

4.5 突出特點(diǎn)

分級(jí)固井技術(shù)是最常見(jiàn)的固井技術(shù)之一，在中深層大孔徑地?zé)峋┕み^(guò)程中，通過(guò)對(duì)套管進(jìn)行分段固井，可以有效避免因一次性注入的水泥量過(guò)大，導(dǎo)致水泥液注壓力壓漏地層的情況發(fā)生。分級(jí)固井技術(shù)在地?zé)峋┕ぶ械膽?yīng)用可以防范較大范圍的環(huán)空氣竄現(xiàn)象。同時(shí)，在“取熱不取水”工藝條件下，也滿足了固井水泥導(dǎo)熱性分段調(diào)配的需求，通過(guò)分段注入，更好地提升換熱效能，提高地?zé)豳Y源的利用率。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，分級(jí)固井技術(shù)能夠簡(jiǎn)化液壓開(kāi)口方式結(jié)構(gòu)形式，以此保證分級(jí)固井技術(shù)的順利開(kāi)展。通過(guò)在01 號(hào)地?zé)峋叹鳂I(yè)過(guò)程中采用分級(jí)固井技術(shù)，有效避免了25 個(gè)漏點(diǎn)地層被壓漏的情況發(fā)生，保證了固井作業(yè)的順利完工，固井效果好，成井質(zhì)量高，熱交換性能得到有效保障，“取熱不取水”工藝下，井口出水溫度完全滿足后續(xù)供熱工藝需求。

通過(guò)本次應(yīng)用實(shí)踐，分級(jí)固井技術(shù)可以解決中深層大孔徑地?zé)峋叹┕ご嬖诘膯?wèn)題，固井效果良好，為日后該技術(shù)在地?zé)峋┕ぶ械陌l(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)。