天津地区新近系明化镇组热储层成井工艺探讨.doc

1、天津地区新近系明化镇组热储层成井工艺探讨摘要：目前天津地区新近系明化镇组地热井施工时主要采用两种成井工艺，一种是单层过滤器成井工艺，另一种是填砾成井工艺。单层过滤器工艺简单经济、钻井效率高，但仅适用于开采井；填砾工艺具有防砂、稳定孔壁、增大出水量和回灌量的优点，但具有一定的施工难度。针对上述两种工艺所暴露的问题，结合应用实例分析，笔者从填砾方法入手，试图寻找一种经济可行的成井技术，为地热资源开发利用保护工作提供支持。 关键字：明化镇组；成井工艺；单层过滤器；填砾 中图分类号： TP65+2.1 文献标识码： A The Rasearchon Well Completion Technology

2、 of Minghuazhen Group of Neogene in Tianjin Area Guosheng Jiang1, Zhongyan Yang1, Ruifeng Hou2, Xianlong Huang1, Wenlong Li1 1.Tianjin Geothermal Exploration and Development-Designing Institute,Tianjin,300250； 2.No.4 Engineering Company Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd. Abstract：At p

3、resent, two well completions technology are mainly used in the geothermal wells construction of Minghuazhen group, Neogene in Tianjin area. One is single filter well completion technology, the other is gravel fill well completion technology. Single filter well completion technology is simple and con

4、venient, the drilling efficiency is high. However, it is only applicable in extraction wells. Gravel fill technology has the advantage of isolation of sand, stabilizing the well wall, increasing the amount of water production and recharge. However，some difficulties are exist in the construction. In

5、order to solve the problems existed in the two technologies, we study the gravel fill technology in detail and combine the analysis of application in engineering practice, and try to find a new well completion technology which is economically feasible to support the utilization and conservation of g

6、eothermal resources. Key words: Minghuazhen group, well completion technology, single filter, gravel fill. 近年来，天津市在地热资源可持续开发利用方面发展很快，特别是新近系馆陶组的成功回灌，为新近系明化镇组热储层的回灌开采提供了借鉴。新近系明化镇组热储层因其埋藏浅、水质好、凿井成本低，所以很受利用单位的青睐。但由于天津市明化镇组热储层以粉细砂岩为主，胶结性差，地层涌砂严重，回灌难度很大。同时，在巨厚的粉细砂地层中成井，如果钻进或成井工艺不当，常常会发生井内坍塌事故或抽水时发生涌砂，若长时间

7、沉积变浅，甚至造成管井报废1。 天津地区新近系明化镇组地热井目前主要采用两种成井工艺，一种是单层过滤器成井工艺2，另一种是填砾成井工艺3，这两种工艺各有其优点和不足，笔者结合这两种成井工艺的特点及实践经验、成井效果，试图探索一种能够保证出水量、成功挡砂且又有利于回灌的成井工艺。天津地区新近系明化镇组热储层特征。 明化镇组热储层是天津地区埋藏最浅的热储层，在宁河宝坻断裂以南普遍分布，顶板埋深 300600 m，底板埋深 5891996 m，以半胶结的粉细砂、细砂岩和杂色泥岩不等厚互层，涌水量在 40100 m3/h，出水温度 4080，地热流体化学类型(按舒卡列夫分类)为 HCO3-Na、HCO

8、3Cl-Na 和 SO4Cl-Na 型，矿化度一般小于 1500 mg/L，局部地区大于 3000 mg/L，多为无轻微腐蚀性热流体4。 1.单层过滤器成井工艺 1.1 单层过滤器成井工艺流程 1.1.1 井身结构 图 1 单层过滤器成井工艺井身结构示意图 该工艺为二开完井（如图 1） ，一开孔径 444.5mm，钻至井深350400m，下入 339.7mm 套管，然后采用 241.3 mm 钻头钻至终孔深度， 下入 177.8 mm 成井管串。用同规格的套管加工圆孔做中心管，外加垫筋不锈钢绕丝过滤器。 圆孔直径 14mm，孔隙率 12%，丝间距 0.50.7mm。为防止井管涌砂，过滤器外包铜

9、网。 1.1.2 止水工艺及措施 水泥永久止水，止水材料为高标号水泥。 1.1.3 洗井 止水结束，下钻用清水替换井管内泥浆，然后采用各种方法进行洗井直至水清砂净，然后进行降压试验。 1.2 实用效果 2012 年至今，天津地区共有 4 眼明化镇组地热开采井采用单层过滤器成井工艺，抽水含砂量均达到天津地区验收标准，其完井参数如表 1。实用效果表明，单层过滤器管外包单层 60 目铜网成功防砂，且单位涌水量较大，但管外包双层 60 目铜网，出水量明显受影响。 表 1 单层过滤器成井工艺地热井数据表 井位 井深（m） 取水有效厚度（m） 孔隙度（%） 渗透率（10-3m2） 包网规格 单位涌水量（m

10、3/hm） 出水温度() 水头高度(m) 宝坻区某井 1207.59 93.89 27.7436.39 528.851677.8 包单层60 目铜网 2.68 45 24.28 东丽区某井 1510 94.74 27.3735.75 518.011614.7 包单层 60目铜网 3.03 80 70.89 静海区某井 1106 88.51 27.934.69 529.91434.5 包双层 60 目铜网 1.54 57 93.33 津南区某井 1407.15 70.42 28.834.05 620.851229.2 包单层60 目铜网 4.39 41 107.79 1.3 工艺特点 （1）钻孔

11、口径小，钻进效率高，钻进过程中容易控制井壁稳定，水泥止水效果好。 （2）由于过滤器外环空靠储层坍塌而形成的滤层混有钻井泥皮、钻屑等杂物，会堵塞滤层的孔隙，增加水阻，影响出水量，回灌效果不理想。 2.传统填砾成井 图 2 填砾成井工艺井身结构示意图 2.1 填砾成井工艺流程 2.1.1 井身结构 采用 550mm 开孔钻进至 380400m 换径 444.5mm 钻进至终孔，下入直径 339.7mm 和直径 177.8 mm 套管串，采用绕丝过滤器，缠丝断面为梯形，缠丝间距根据热储层砂岩粒径确定，一般 0507mm。管外投入粒径 24mm 的龙口砂砾料（如图 2） 。 2.1.2 投砾与止水 (

12、1)围填砾料是增大过滤器及周围有效孔隙率、减少地下水流入过滤器的阻力、增大钻井出水量、防止涌砂、延长地热井使用寿命的重要措施。填砾时一般采用动水填砾，选用粒径为直径 24 mm 均质近似圆形的优质石英砂； (2)止水选用粘土球和红土，在过滤器顶板以上 40m 时要投入粘土球止水，粘土球直径应在 2530 mm，粘土球投入量不少于 100m，再投入红土至井口，填满填实。 2.1.3 洗井 (1)完井后进行换浆，换浆要求换至清水； (2)换浆后用六偏铝磷酸钠浸泡过滤器井段，破坏泥皮，时间不少于24h； (3)用空压机和泥浆泵对过滤器井段自下而上逐层进行高压喷射洗井；(4)用压风机进行气举洗井至水清

13、砂净，然后下入潜水泵进行正式抽水。 2.2 应用效果 2011 年至今，天津地区共有 5 眼 1000m 以上的明化镇组地热井采用填砾成井工艺，其中 3 眼在施工过程中发生了塌孔事故或砾料没填到位。宝坻区某地热井井深 1131.62m，下管至 809m 时塌孔；东丽区某地热井井深 1468.8m，由于砾料没有填到位，最终出水量 73m3/h，出水温度 79，动水位 133m。津南区某地热井 1263.01m，也是由于砾料没有填到位，最终出水量 81.41m3/h，出水温度 45，动水位 139.45m。 东丽区某地热回灌井成井深度 1362.39m，同为孔隙型砂岩热储层，2010 年 9 月回

14、灌试验时最大稳定灌量为 66 m3/h，回灌水温度 48 ，稳定动水位埋深 71.37 m，稳定时间 20 h，由于稳定动水位较低，还具有很大的回灌潜力5。2012 年供暖季回灌监测资料显示6，该井年总回灌量为 11.4 万 m3，回灌运行稳定。应用效果表明，孔隙型砂岩热储回灌井采用填砾成井工艺回灌效果良好。 2.3 工艺特点 （1）在过滤器与井壁之间形成人工过滤层，防止较松散地层中极细砂进入井筒，可有效控制管井含砂量(达到 120 万以下)，延长井及附属设备的使用寿命。 （2）填砾井孔径增大，一定程度上增大了渗水面积，减少水力损失，可增大单井产量。 （3）填砾井的结构更适合回灌，可实现灌采双

15、重功效7。 （4）为能够顺利填砾并形成一定厚度的过滤层，孔径必须增大，给施工带来难度，加大了施工风险，也提高了施工成本。 （5）砾料从地面沿环空投送到目的层，随井深的加大，砾料的投送工作就越加困难，会出现填砾不均匀、架桥等现象，严重时甚至出现填砾不到位，造成填砾失败的后果，因此必须控制填砾数量及填砾速度，选择合理的填砾方法。另外对于井深大于 1000m，填砾难度特别大，对于工艺上还有待改进。 （6）由于孔径较大，填砾成井后不利于洗井8，合理控制替浆性能以简化洗井工艺也是关键技术之一。 3.新填砾工艺探索 针对前两种工艺的缺点、局限性，借鉴石油井的防砂技术原理，通过石油领域多年的实践验证，实际应

16、用技术已经成熟，证明了其可靠性和实用性，但其操作过程的复杂和高昂的施工成本是地热行业无法接受的，因此结合地热行业的实际情况，进行开发和创新。 3.1 新工艺流程 3.1.1 井身结构 （1）钻进 变径二开完钻。一开直径 444.5mm 至 380m；二开 393.7mm 至设计井深。 （2）成井管串 339.7mm 套管/370m + 339.7mm244.5mm 变径接头 + 244.5mm 套管+K 式封隔器+填砾工具+177.8mm 套管+177.8mm 过滤器+177.8mm沉淀管 （3）井口回填，K 式裸眼封隔器止水。 井身结构采用二开变径钻进、成井管串一次下井的成井结构,井身结构图

17、（如图 3） 。 图 3 新填砾工艺井身结构示意图 3.1.2 填砾方法 将专门填砾工具连接在成井管串上，位置位于近过滤器上端，砾料按一定比例混在携砂液中，混砂液在填砾工具上部通过内管来输送（泵送过程） ，然后通过填砾工具的转换，输送至过滤器与目的层之间的环空（转换过程） ，砾料经过过滤器的阻挡从混砂液中脱离出来（脱砂过程）,留在环空形成人工滤层，脱砂后的液体通过过滤器、填砾工具以及内管与成井管串环空返回地面。工艺原理示意图（如图 4） 。 图 4 内管填砾工艺示意图 3.1.3 止水方法 止水用扩张式管外封隔器，其特点是操作简单，较传统的粘土球止水要安全可靠，同时其在填砾过程中起到必要的管外

18、密封作用。 3.1.4 携砂液 携砂液是具有一定的粘度，对砾料有较好的悬浮能力，在填砾过程中，携带砾料，混砂液易于泵送，不会在输送过程中造成砂堵的液体。 3.2 工艺特点 （1）钻进采用一次成孔，不经过扩孔工作，较现行的传统填砾工艺，减少了工作量，降低了钻进成本和施工风险。 （2）该填砾工艺具有填砾均匀、密实，砾料在管外运移距离短，使砾料更易到位，井深的加大几乎对填砾质量无影响。 4.结语 （1）通过多眼地热井实践，天津地区新近系明化镇组粉细砂岩热储层采用单层过滤器成井工艺成功防砂，但该工艺仅适合开采井，不利于回灌。 （2）填砾成井工艺具有很好的防砂效果，但传统填砾施工难度大、风险高等因素在一

19、定程度上制约了该工艺的应用和发展。 （3）文章针对传统填砾工艺存在的施工难点，借鉴石油井的防砂技术原理，从填砾方法入手，试图采用内管填砾工艺，理论上解决了填砾困难、施工风险高的问题，但有待于实践检验。 参考文献： 1杨凯，刘文清.粉细砂地层快速钻进成井工艺的研究J,西部探矿工程，2002 2马忠平，庞海，王艳宏等.天津地区地热钻井及钻井技术J，探矿工程（岩土钻掘工程） ，2008.12:9-11. 3景龙，王彦静，徐树，常林祯.深井填砾工艺关键技术探讨J，探矿工程(岩土钻掘工程)，2010，37(10)：5155 4胡燕，林黎，林建旺等.天津市地热资源可持续开发潜力评价报告N.天津地热勘查开发设计院 5江国胜，程万庆，王连成等.砂岩地热回灌井大口径填砾成井工艺的应用效果分析J.第十三届中国科协年会地热能开发利用与低碳经济研讨会论文集,2011:213-218. 6王连成，沈健，赵娜等. 2012 年度天津地热回灌开采系统动态监测专题报告N.天津地热勘查开发设计院 7 景龙，杨永明，常林祯，等任丘市首眼填砾地热井施工工艺J探矿工程(岩土钻掘工程)，2009，36(7)：2832 8 卢予北地热井常见主要问题分析与研究J探矿工程(岩土钻掘工程)，2004，31(2)：4347