砂巖地熱回灌井射孔完井與濾水管完井對比研究

宋現(xiàn)龍 汪浩 劉瑞軍

摘 ?要：地熱能作為一種儲量大、分布廣的清潔、可再生能源，在開發(fā)利用過程中需要進行同層回灌。目前砂巖回灌井施工完井工藝主要為止水器濾水管完井、分級固井濾水管完井，但是都存在回灌能力衰減快、長期回灌易發(fā)生堵塞等弊端。而射孔完井在油井中使用較為普遍，是提高油井產能的重要措施，但該工藝在地熱井上的應用研究較少，該文通過射孔完井產能影響因素、濾水管完井優(yōu)缺點分析，以及射孔完井與濾水管完井實例分析，對比砂巖區(qū)域2種完井產能測試情況分析，為砂巖區(qū)域地熱井施工提供參考。

關鍵詞：地熱能；回灌；射孔完井；濾水管完井；產能測試

中圖分類號：TK529 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0081-06

Abstract： As a kind of clean and renewable energy with large reserves and wide distribution， geothermal energy needs to be recharged in the same layer in the process of development and utilization. At present， the completion technology of sandstone recharge well construction is mainly water filter pipe completion and hierarchical cementing filter pipe completion， but they all have some disadvantages， such as rapid attenuation of recharge capacity， long-term recharge prone to blockage and so on. However， perforation completion is widely used in oil wells， which is an important measure to improve oil well productivity， but there is little research on the application of this technology in geothermal wells. This paper analyzes the influence factors of perforation completion productivity and the advantages and disadvantages of filter pipe completion， and analyzes the examples of perforation completion and filter pipe completion， and compares the two kinds of completion productivity test in sandstone area， so as to provide reference for geothermal well construction in sandstone area.

Keywords： geothermal energy; recharge; perforation completion; filter pipe completion; productivity testing

隨著經濟發(fā)展、能源需求量大幅增加，而能源供應受到多種因素限制，因此進行能源結構的調整、充分發(fā)掘和利用可再生能源成為能源改革的重要部分。在我國，地熱與太陽能、風能、潮汐能同屬國家要求大力探索和開發(fā)的新能源[1-2]。習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上指出，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。為推動地熱能的開發(fā)和利用，貫徹習近平生態(tài)文明思想，落實碳達峰、碳中和。國家能源局聯(lián)合國家發(fā)展改革委、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、水利部等八部委于2021年9月發(fā)布《關于促進地熱能開發(fā)利用的若干意見》（國能發(fā)新能規(guī)〔2021〕43號），隨后各省市也相繼發(fā)布各自的促進地熱資源開發(fā)的文件。

地熱資源開發(fā)利用首先要解決回灌問題，目前砂巖回灌井完井工藝主要為止水器濾水管完井、分級固井濾水管完井，但是都不可避免地存在回灌能力衰減較快、長期回灌易發(fā)生堵塞、施工難度及風險較大等弊端，而射孔完井工藝是油田注水井完井的的重要環(huán)節(jié)，也是提高產能的重要技術措施之一。另外很多區(qū)域隨著油氣資源不斷枯竭，廢棄油氣井逐漸增多，目前通過射孔技術將很多廢棄油井改造成為地熱井。

環(huán)衍忠等[3]利用射孔技術對辛集市一眼報廢石油探井進行了改造，在該井館陶組長200 m的井段內射開有效含水層約100 m，獲得了地熱水產量100 m3/h，水溫65 ℃。董秋生等[4]結合塘沽地區(qū)油井井身結構特點和地熱地質資料，探討將廢棄油井改造為地熱井，并論證了2口井改造的可行性。宋恩武等[5]利用射孔技術將棄用油（氣）井及注水井改造成地熱井，且通過對晉14#井、晉古14#井和莊64井進行了成功的改造，晉14#井射孔長度30 m，改造后獲得地熱水量90 m3/h，水溫63 ℃，靜水位24 m，動水位65 m；晉古14#井射孔長度30 m，改造后獲得地熱水量65 m3/h，水溫64 ℃，靜水位10 m，動水位86 m；莊64井射孔長度30.5 m，改造后獲得地熱水量85 m3/h，水溫64 ℃，靜水位17 m，動水位36 m。甄華等[6]通過對大港油田地區(qū)地質特征的分析，對報廢油井改造成地熱井的方法進行了探討，通過射孔法改造了報廢油井B9井，改造后獲得地熱水產量100 m3/h，出水溫度95 ℃。李霄等[7]采用電纜傳輸-螺旋布孔射孔技術對松頁油1井進行了地熱井改造，對該井1 300～1 700 m和1 900～2 500 m中的有效熱儲層位累計射穿394.20 m，最后獲得地熱水水溫44～50 ℃。實際工程案例表明射孔完井工藝在廢棄井改造改造施工是可行的。

在地熱資源開發(fā)方面，馬忠平等[8]為解決天津館陶組地熱井回灌衰減問題，將射孔成井工藝應用于TG-46B井，完井后經洗井抽水試驗，該井出水量為120.63 m3/h，井口水溫70 ℃，靜水位61.6 m，動水位埋深84.5 m，累計回灌試驗89 h，回灌前靜水位埋深63.42 m，對應液面溫度25 ℃，無壓最大回灌量101 m3/h，上述案例說明射孔完井工藝在地熱井改造中是可行的。但是針對射孔工藝在地熱井施工中應注意事項、射孔完井較濾水管完井的優(yōu)勢及劣勢研究還較少。本文旨在通過砂巖區(qū)域地熱回灌井射孔完井影響因素分析，指出射孔完井施工中應注意事項，并通過射孔完井工藝與濾水管完井工藝對比分析其優(yōu)勢及劣勢，為地熱井施工提供參考。

1 ?射孔成井及產能影響因素

射孔完井技術就是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連通孔道的一項工藝技術。在孔隙地熱井施工中一般采用電纜輸送聚能式射孔技術。當聚能射流打到地層上，迅速在與巖石的接觸面上形成高溫、高壓、高應變率區(qū)域，使巖石迅速崩解、破碎，后續(xù)射流又將這些破碎物擠入地層，從而形成了射孔孔道，同時對孔道四周的巖石進行壓實。根據(jù)射孔彈的結構，地層巖石性質，射孔彈穿出孔道長度一般在幾厘米至幾十厘米[9]。孔道直徑一般在幾毫米至十多毫米。

1.1 ?地層參數(shù)對產能的影響

一般認為影響砂巖地熱尾水回灌主控因素有孔隙度、滲透率、回灌層有效砂巖累計厚度，通過收集整理地熱井測井成果，結合現(xiàn)場回灌運行情況，摸清單目標儲層物性條件下對回灌量的影響，在此基礎之上，建立多目標儲層物性條件下的數(shù)學模型，對各種影響因素進行分析計算，并且主要對射孔參數(shù)對產能的影響進行優(yōu)化分析。

1.2 ?射孔參數(shù)對產能的影響

射孔深度：射孔深度是影響井產能的重要因素。目前一般的射孔深度在400～600 mm。通常在保證射孔質量的前提下，射孔深度越大，孔眼與儲層的接觸面積就越大，因此滲流面積也越大，產量越高。

射孔密度：射孔密度即孔密，增大射孔密度，地層流體進入井底的通道增多，產能增大。但是孔密度增加也會損害套管強度。套管若產生損壞或變形，將影響地熱井的產能及壽命。所以在射孔作業(yè)中，對于射孔密度的選擇還需考慮到套管強度以及其他地層條件進行分析。

射孔孔徑：射孔孔眼直徑對于地熱井的產能會具有一定的影響，但是影響程度相對于射孔過程中的其他因素來說不是很大。射孔孔徑只是增加了產層的接觸面積，并不能夠改變流體的流動效率。跟射孔深度和密度一樣，射孔直徑并不是越大越好，隨著射孔孔徑的增加，產能的變化率越來越小，相應地還會增加出砂和孔眼坍塌的風險。

相位角：射孔相位的選擇不僅對完井工藝方法和產能有影響，而且對套管射孔后的強度也有影響。研究表明，一般情況下在均質地層中選用90°的射孔相位角產能最大，在非均質嚴重地層，120°相位最佳，在疏松砂巖60°相位最佳。135°或45°時套管強度保持在較高的比值范圍內，達原套管強度的80%以上，這對地熱井的生產壽命有重要影響。

2 ?射孔施工及注意事項

射孔完井主要問題為地熱井出砂問題，目前采用的防砂技術主要有濾水管機械防砂、化學防砂等。濾水管防砂是通過濾砂網阻擋地層砂進入井內，從而達到防砂的目的。化學防砂技術分為固砂技術和人工井壁防砂技術。固砂技術是通過向地層內注入固砂劑，使地層中游離的砂膠結得更好，從而提高地層砂膠結強度，減少地層砂進入井筒，達到防砂的效果；人工井壁防砂技術是將防砂材料泵送到炮孔附近虧空帶，充填、堆積、壓實后，在地層溫度、水以及固化劑的作用下膠結固化成一體，成為人工井壁。人工井壁具有很高的強度，能阻止虧空地帶進一步垮塌，從而實現(xiàn)防砂的目的[10-11]。徐忠立[12]認為半固結狀態(tài)的砂巖在回灌水流的沖刷下，也會造成部分巖屑的脫落，從而造成射孔孔道的淤塞。因此研究地熱井射孔完井工藝，防砂技術也很關鍵。

因此在射孔時，射孔井段的選擇應避開套管接箍，除優(yōu)選滲透性好、孔隙度大、泥質含量低和單層砂巖厚度大的地層外，還要注意要選擇固井質量好、出砂可能性低的儲層。建議在射孔時，射孔井段固井質量要達到優(yōu)良標準，同時盡量選擇聲波時差小于300 μs/m的井段。

3 ?濾水管成井的優(yōu)缺點

相比較射孔完井，在砂巖地層中目前主要采用濾水管完井，目前常用的砂巖熱儲地熱井成井工藝有： 包網纏絲濾水管成井和大口徑纏絲濾水管填礫成井[13－14]。

包網纏絲濾水管成井：優(yōu)點在于鉆孔口徑小，鉆進效率高，鉆進過程中容易控制井壁穩(wěn)定，水泥止水效果好，適用于砂層膠結較好，顆粒較粗的地熱井開采井；缺點在于不適用于膠結差、粒度細的砂巖儲層。主要是因為濾水管外環(huán)空常混有鉆井工程中鉆井泥皮、巖屑等雜物，其充填產層孔隙，影響出水量及回灌效果。

大口徑纏絲濾水管填礫成井：其優(yōu)點為在管外環(huán)空形成人工過濾層，在保證出水量和防砂的同時，增大滲流出水面積，該工藝常應用于較淺的地熱井施工中；缺點為施工技術要求高，要求鉆孔直徑大，濾層有一定的厚度，同時確保礫料投送到位，需進行一級或多級擴孔工作，鉆進工作量大，成本高，鉆井深度大，成井風險就大。

問題：維護孔壁穩(wěn)定難度大，施工風險高，對于深井礫料投送難度大，隨著鉆孔深度的加大，保證填礫質量的難度也隨之加大。

4 ?研究實例區(qū)域概況

研究區(qū)位于河北省衡水市故城縣，在構造上屬于武城凸起。根據(jù)區(qū)域地質資料和成井報告，本區(qū)自下而上鉆遇奧陶系、石炭-二疊系、古近系、新近系和第四系[15]。熱儲層主要為新近系館陶組熱儲和奧陶系巖溶熱儲。館陶組熱儲上部為新近系明化鎮(zhèn)組蓋層。明化鎮(zhèn)組厚度約為680～880 m，地層巖性為淺棕色泥巖、灰黃色細砂巖、灰綠色和灰白色粉砂巖。奧陶系巖溶熱儲上部為石炭系-二疊系蓋層。該蓋層厚度290～1 050 m，其上部巖性為灰色泥巖、灰色粉砂巖互層，下部巖性為灰黑色炭質泥巖、煤層夾深灰色灰?guī)r、灰色細砂巖，與下伏地層為假整合接觸，為一套海陸交互相碎屑巖夾碳酸鹽巖沉積。

本區(qū)構造沉積演化特征對武城凸起地熱田的形成創(chuàng)造有利條件，總體概括為早古生代為海相碳酸鹽巖發(fā)育的時期，此階段經歷穩(wěn)定沉降，海相碳酸鹽巖沉積厚度500～800 m；在晚古生代經歷加里東運動的抬升，發(fā)育表生巖溶作用，其后又發(fā)生整體沉降，發(fā)育海陸交互相煤系地層，此階段是直接蓋層的發(fā)育階段；之后，在中生代由于印支-燕山期運動的擠壓松弛作用，形成一系列NE、NNE向的斷裂和次生斷裂，為良好的導水通道，新生代由于喜山運動的多幕活動再次對熱儲產生了影響，發(fā)育具有較高地溫梯度值特征的區(qū)域性蓋層。

本文選取武城凸起館陶組段不同完井工藝地熱井進行對比分析，該區(qū)域地層埋深介于1 200～1 400 m，熱儲厚度200～300 m，巖性上部為棕黃色泥巖與灰綠色粉砂巖略等厚互層，中下部為灰色砂礫巖與灰色泥巖不等厚互層，砂厚比64.8%～75.8%，孔隙度28.71%～35.56%，滲透率205.08～1 275.8 md。

5 ?射孔井及濾水管井數(shù)據(jù)對比

區(qū)域內濾水管完井地熱井采用二開井深結構，一開為泵室段，深度350～450 m，下入Φ339.7 mm石油套管，二開在施工時直接鉆穿目的層，下入177.8 mm石油套管和包網繞絲篩管組合管串，采用分級箍工藝進行固井，對目的層上部采用油井水泥進行全封固。該完井工藝缺點為在組合管串下入井筒時，濾水管外部繞絲部分容易受到地層巖石剮蹭，失去防砂作用；同時二開采用組合管串，施工風險大，易發(fā)生卡鉆事故。

區(qū)域內射孔完井地熱井同樣采用二開井深結構，與濾水管完井不同點在于二開全部下入石油套管，并進行水泥全封固，然后對目的層進行射孔完井。射孔前進行測井，已確保射孔段固井質量良好。

地熱井目的層均為館陶組地層，本文選取7口地熱井，分3組地熱井進行對比分析，分別為：①DR1#、DR2#、DRS3#；②DR4#、DRS1#；③DR3#、DRS2#。施工現(xiàn)場照片如圖1所示，相關參數(shù)見表1。

通過表1和圖2可知，上述7口地熱井均鉆穿館陶組地層，進入東營組后完井。館陶組熱儲地層埋深及熱儲層厚度變化均不大，館陶組地層頂板埋深1 160～1 190 m，底板埋深1 360～1 400 m，而水層厚度變化較大，水層厚度最大207.3 m，最小89.1 m。平均孔隙度范圍為28.71%～35.56%，其中DR1#平均孔隙度最大，為35.56%；DRS2#平均孔隙度最小，為28.71%。平均滲透率范圍為205.08～7 631.82 md，其中DRS1#平均滲透率最大，為7 631.82 md；DRS2#平均滲透率最小，為205.08 md。隨后對DRS1#、DRS2#、DRS3#進行射孔施工，射孔參數(shù)見表2。

由于地熱井水量受水位降深、含水層厚度影響，為便于比較，對射孔完井和濾水管完井產能進行求取平均值。通過上述數(shù)據(jù)對比（圖3）：①不難發(fā)現(xiàn)濾水管完井雖然水層厚度較射孔井大，但是出水量與射孔井相比變化不大（表3）；②射孔井單位含水層出水量及單位含水層厚度、單位降深出水量均較濾水管井有大幅提升（圖4）。

6 ?結論

通過對比故城區(qū)域館陶組地層射孔完井和濾水管完井工藝比較不難發(fā)現(xiàn)，射孔完井整體優(yōu)于濾水管完井。①由于射孔前對熱儲層進行了固井作業(yè)，井壁穩(wěn)定。在射孔前優(yōu)選大段砂巖目的層進行射孔作業(yè)，避開了細粉砂層及泥巖層；射孔后穿透力強，泄流面積大。②相比較濾水管完井，射孔完井工藝簡單，不易發(fā)生井下事故，同時采用射孔完井工藝的地熱井作為回灌井可有效降低出砂風險。③射孔完井可以選定優(yōu)質含水層進行射孔施工，單位含水層厚度出水量大。④濾水管完井地層和濾水管之間存在一定的施工間隙，由于在回灌過程中長時間沖刷，井壁易坍塌。采用射孔工藝完井，石油套管與地層之間進行水泥封固，井壁更加牢固。

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