地熱井氣水循環洗井及機理分析

宋現龍

（1.河北綠源地熱能開發有限公司，河北雄安新區 071800；2.河北省地熱能梯級利用技術創新中心，河北雄安新區 071800）

資源和環境是人類賴以生存和發展的基礎條件，傳統能源利用帶來的環境污染問題已成為當今世界可持續發展面臨的重大問題，地熱資源作為一種集熱能與水資源為一體的[1]清潔、可再生能源[2]其潛在的開發價值得到越來越多國內外學者的關注[3-5]。由于其熱度適中且富含多種對人體有益的礦物質，在采暖、洗浴、工業、醫療和養殖業等領域有廣泛的應用價值[6]。在地熱井施工過程中，會在井壁形成井壁泥皮，鉆井液及部分巖屑滲入地層內，堵塞含水通道。地熱井施工完成后需要進行洗井作業，一般都要采用多種洗井方法，徹底清除井內和滲入地層內的鉆井液，破壞井壁泥皮，打通含水通道，以增加井的產量及回灌能力。特殊的情況下一種洗井方法可重復使用，使地熱井的水量、水溫盡量達到最佳水量及水溫。不同區域地熱井熱儲層不同，采用的洗井工藝也不相同。目前主要的洗井工藝有噴射洗井、活塞洗井、氣舉洗井、大排量抽水洗井和酸化洗井等，相比較而言，氣舉洗井具有工藝簡單，操作方便，對封隔器沒有影響，不會造成對地層的污染和二次傷害[7]，施工費用較低、有效期長，在地熱井施工及油井施工中均有廣泛應用。2018 年與2019 年故城施工兩口灰巖地熱井，采用氣舉及氣水循環洗井取得了良好的效果。本文主要針對氣舉洗井及氣水循環洗井，并結合生產實際，對其機理進行研究分析，為在今后的地熱井施工中，提供指導或參考依據。

1 氣舉洗井與氣水循環洗井機理

氣舉洗井的主要原理就是采用風壓機將氣體噴入鉆具內，鉆具內壓力升高，液面下降，當液面降至鉆具底面，氣體進入鉆具與套管環空，環空內液體密度降低，液面升高由井口排出，造成環空內壓力降低，地層壓力保持不變，從而建立起一個較大的生產壓差，地層水在壓差作用下運移，向上運移產生氣舉。如圖1 所示，P1表示鉆具內注入氣體壓強，P2為井口大氣壓，P3為鉆具底部A-A"處鉆具內壓強，P4為鉆具底部A-A"處鉆具與套管環空壓強，P5表示在鉆具底部A-A"處地層壓強，ρ1、ρ2、ρ水分別表示液體1、液體2 和水的密度，g為當地重力加速度。在天然狀態下，鉆具及鉆具與套管環空內充滿水，即液體1 及液體2 為地熱水。

圖1 天然狀態

持續往鉆具內噴入氣體，鉆具內壓強P1升高，液體2 液面開始下降。當P1=P4=P5時，氣體由鉆具內進入鉆具與套管環空（如圖2 所示），液體1 密度隨著氣體增多，ρ1逐漸降低，液位上升。當液面高度H1超過井口時，液體1 噴出井口，液體1 密度ρ1越來越低，P4=ρ1gH1+P2

圖2 氣舉洗井

氣水循環洗井是采用空壓機將氣水混合物噴入內管，壓縮空氣在管內形成無數的小氣泡，小氣泡與鉆具內管中的液體形成一種低比重的氣水混合物，液體從鉆具進入套管與鉆具環形空間，環形空間混入混合氣體后，比重逐漸下降，混氣液注的壓力相應降低，鉆具底部處壓力下降，地層壓力保持不變，從而建立起一個較大的生產壓差，地層水在壓差作用下運移，向上運移產生氣舉。氣（空氣）、液（沖洗液）、固（巖屑）三相混合物以較高的速度通過鉆具內管被帶出管外，從而把井底泥漿或巖屑不斷帶出井口。

氣水循環洗井與氣舉洗井原理相似，不同點為氣舉洗井受空壓機功率限制，鉆具下深受限，地熱水在從井底向上運移過程中，運移路徑較長，存在較大水頭損失，鉆具底部產生的壓力差在對地層產生的作用有限。氣水循環洗井可以將鉆具下深到產層裂隙位置，減少由于地熱水運移路徑所產生的水頭損失，對產層裂隙能夠產生較好的清洗作用。如圖3 所示，P1表示鉆具內注入氣體壓強，P2為井口大氣壓，P3為鉆具底部A-A"處鉆具內壓強，P4為鉆具底部A-A"處鉆具與套管環空壓強。在天然狀態下，鉆具及鉆具與套管環空內充滿水，即液體1 及液體2 為地熱水。地層a、b、c、d點距篩管距離為L，a點距b、c、d點的距離分別為hab，hac，had。

圖3 氣水循環洗井

a點的水頭為

b點的水頭為

c點的水頭為

d點的水頭為

當持續向鉆具內注入混氣水，如圖3 所示，液體1（混氣水）充滿鉆具與套管環空，液體1 密度ρ1<ρ水，液體1 液面上升至井口，從井口排出。在不考慮鉆具與套管環空內液體流速及水頭損失條件下：a點同一埋深套管內水頭為ρ1H2/ρ水+P2/（ρ水g），a點流速

式中：K為滲透系數。

同理b點同一埋深套管內水頭為ρ1（H2-hab）/ρ水+P2/（ρ水g），b點流速

c點同一埋深套管內水頭為ρ1（H2-hac）/ρ水+P2/（ρ水g），c點流速

d點同一埋深套管內水頭為ρ1H2/ρ水+had+P2/（ρ水g），d點流速

上述結果得到：υd=υa>υc>υb。

然而在實際中，套管內液體在流動過程中存在水頭損失，d點同一埋深套管內水頭大于ρ1H2/ρ水+had+P2/（ρ水g），因此υd<υa。綜上，距離鉆具底部越近，ρ1密度越小，含水裂隙產層流速越大。即在氣水循環洗井時，將鉆具盡可能下深至含水層裂隙發育位置，同時盡可能增大空壓機功率，達到較好的洗井效果。

2 施工案例

故城縣縣城，構造上位于滄縣隆起南部武城凸起上，武城凸起面積1 362 km2，東、西分別以滄東斷裂和武城斷裂為界，東部為德州凹陷（如圖4 所示），西部為大營鎮凹陷。武城斷裂：自清河至故城西，長約62 km，走向NE30°，傾向NW，傾角30~40°。斷層面下端埋深達8 000 m，上端延入新近系，屬正斷層，沿線分布地熱異常帶。滄東斷裂位于河北平原東部，是河北平原區一條規模較大的斷裂，其北起寧河，向南經滄州、南皮、吳橋和山東德州，直至臨清附近，總體走向NE30°左右，全長約350 km，傾向SEE。滄東斷裂具有明顯的南北分段特征，在故城縣附近的臨清-德州段，走向約NE45°，傾向SEE100°。

圖4 故城區域構造

故城是一個以傳導為主的沉積盆地型地熱分布區[8]，熱儲主要有上第三系館陶組熱儲和奧陶系巖溶裂隙熱儲。2018—2019 年故城施工兩口奧陶系巖溶裂隙地熱井，如圖5 所示，灰巖1 井（圖5（a））和灰巖2 井（圖5（b））井深分別為2 904 m（垂深2 744.5 m）和2 950 m（垂深2 750 m），熱儲巖性為灰色、灰褐色白云質灰巖、灰巖和灰質白云巖。地熱井施工完成后進行了酸化、氣舉、抽水等方式洗井，成井時出水量差，動水位240 m 時水量均小于30 m3/h。

對上述地熱井測井結果進行分析，在地熱井鉆進過程中泥漿及部分巖屑滲入地層，堵塞含水通道，常規氣舉及抽水對地層所產生的壓差不足，滲入地層中的泥漿及巖屑不能排出。后期兩口地熱井均采用氣水循環洗井進行增產施工，在井眼干凈的條件下，進行氣水循環洗井。鉆具下深到含水層裂隙發育位置，空壓機將高壓氣體打入鉆具，當鉆具內壓力達到一定值后（鉆具內壓力增至8~9 MPa），開啟泥漿泵進行氣水循環洗井，在地層裂隙發育位置產生較大負壓，地層水在壓差作用下產生較大動能。故城兩口灰巖地熱井在進行了氣水循環洗井后，水量分別達到了55 m3/h 和65 m3/h，達到了預期的增產效果。

3 結論

地熱井施工完成后，采用氣舉洗井，工藝簡單，操作方便，施工費用較低。當地熱井出水量差，空壓機功率較低時采用氣水循環洗井，洗井時鉆具下深盡可能接近裂隙發育位置，增大空壓機功率。鉆具下深到含水層裂隙發育位置，空壓機將高壓氣體打入鉆具，當鉆具內壓力達到一定值后開啟泥漿泵，進行氣水循環洗井，在地層裂隙發育位置產生較大負壓，地層水在壓差作用下產生較大動能，將地層中泥漿及巖屑帶出，產生較好的洗井效果。另外，氣水循環也可用于回灌井清淤洗井施工，該工藝相比回灌井簡單的回揚，效果更好，且施工簡單。