地热井成井技术研究

孔令珍,张新福,王荣生 ,张 宁

(东北煤田地质局一 O三勘探队,辽宁 沈阳 110013)

0 前言

成井过程是地热井施工中最为重要的工序之一,对于不同地区的地热井,由于所处的大地构造背景和热储层岩性不同,故而采用不同的井深结构和成井方法,以保证投产之后地热水的产量稳定和长期使用中的井眼稳定。在国内地热钻井中应用技术相对成熟的成井方法有：先期完成法、后期完成法、裸眼完成法、筛管完成法和射孔完成法,简要介绍如下：

1 先期完成法

在钻达目的层顶部时,先下入 1～2层技术套管固井,然后再用小尺寸钻头钻至完钻井深,再下筛管或裸眼完井(如图 1、2)。

图1

图2

下技术套管的目的是为了封固非采水段井壁,满足下部施工需要和隔绝深浅地层水,如易塌井段、漏失井段及其它复杂地层段、非采水井段等。其技术要点是要求环空用水泥封固,两层套管的连接用悬挂式,重复段(约 50m)必须封固密封良好。

为保证地热井的使用寿命,技套井管的规范应按 API标准执行。

先期完成法适用于井较深、上部地层复杂的地热井,是对钻井中的困难分别排除的钻井工艺,完井工艺简单,但工期较长,投资较大。

实例 1：xxx地热井中完井下技套方案

基本情况：

按设计和甲方要求,xxx地热井已钻至井深 1 567 m中完,井身结构：钻头 444.5 mm×313.00 m+311.0 mm×1 487.00 m+215.9 mm×1 567.00 m;表套 339.7 mm×313.00 m。地层岩性：井段 300～1 406 m为侏罗系安山岩、凝灰质粉砂岩、凝灰岩等致密层,1 406～1 462m以奥陶系灰岩、白云岩为主,钻时快,电测自然电位负异常,甲方专家判断可能含水,如果按原设计中完方案施工势必要封掉该层,为了不留下遗憾,甲方要求不能放弃对该层试水;根据本井的实际情况,为了保证下部施工顺利,通过与甲方领导、专家、现场钻井和地质监理共同研究一致认为,井段 1 406～1 462m下筛管(花管)最合适,具体施工措施为：

(1)下技套前在井深 1 400m以下泵入高粘切、高粘度钻井液为液塞。

(2)设计串：1 487向上至 1 465 m下套管,1 465～1 400m下筛管,以上至井深 270 m全部为套管。

(3)为了防止少量水泥发生重力置换下沉,阻流环放在1 350m,阻流环之下的一根套管割 4个螺旋状排放的孔供水泥浆通过,孔径 30mm,公扣处装盲板。

(4)下完套管后,快速接上正反接头和钻杆,把套管送到位,开泵循环畅通。

(5)固井用穿鞋戴帽法,即先打 300 m高密度、再打570m低密度、最后打 200 m高密度水泥浆。

(6)替完泥浆后卸开正反接头,上提洗井两周起钻。

(7)侯凝 48 h后下 311 mm钻头修喇叭口。

(8)试压,加压 5Mpa,经 10 m in,压降小于 0.1M pa,试压合格。

(9)下 215.9mm钻头钻水泥塞,替出井内钻井液,用清水三开钻井,裸眼完井。

实例 2：xxx地热井完井作业方案

(1)洗井：5月 3日 ～5月 5日,用时 3 d;先下入偏心洗井头用清水在大井眼、水层部位开泵高压冲洗,洗至水清为止,之后在裸眼段泵入 6～70/00的六偏磷酸钠溶液 54 m3,钻具起至技套内,不灌清水,观察液面上涨情况,浸泡 48 h后下钻用清水替出井内六偏磷酸钠溶液。

(2)压风机、二氧化碳联合气举：5月 6日 ～5月 7日,用时 2d：分别在井深为 2 600 m、2 300 m、2 000 m、1 700 m、1 400m,共用 150瓶二氧化碳,分 5段、每段 30瓶、段距300m自下而上注入,设计用压风机在井深 1 100 m处引喷,具体操作步骤为：

a.二氧化碳每瓶 20 kg以上,压力 5～7 Mpa,每 30瓶为1组串联在一起,出口要有连接接头。

b.将装有洗井头的钻杆下至井深 2 600 m,用吊卡座于转盘面上,安装井口装置(如下图 3)

图3

c.打开第一组二氧化碳气瓶向井内注入,注至压力静止后关闭阀门(注意气罐的剩余压力),开泵用小排量将二氧化碳送出钻杆到预定井深位置,注意替入量要计算准确,结束后套压为零。

d.起钻杆至第二段约井深 2 300m,先将第一组二氧化碳的剩余压力放至稳定,之后接第二组二氧化碳重复以上操作。

e.最后一段(井深 1 400m)注完后起钻至井深 1 100m,接好井口,尽快用压风机引喷。

f.按时间顺序对施工中的各种参数、喷出物和水量进行详细记录。

g.现场要准备适合施工的井口装置、连接气瓶和井口的高压管线、各种配套接头、阀门等,注二氧化碳时压风机要待命,引喷前在井架底座周围用土围住,挖好排水沟。

h.提前准备两个空循环灌、气举结束后,喷出的水泵入循环灌计量。

(3)观测水位：5月 8日 ～5月 14日,用时 7d：气举结束后每间隔 1h观察测量水位恢复情况并做好记录,计算各种水文地质参数,分析井下地层供水情况。

(4)抽水试验：如果在井深 270m之内水位恢复较快,估算 10m3(±)10%)可考虑进行抽水试验,依次进行小、中、大三个落程,抽水时间 6、8、10 h,做好记录,用时 2d(5月 15日 ～ 5月 16日 )。

(5)现场验收：完成以上各道工序后,通知甲方组织竣工验收,用时 1d。

(6)提交完井总结报告：完井 15d后提交完井总结报告,报告的编写由工程、地质技术员共同负责。

2 后期完成法

在钻达目的到层顶部时,先不下技术套管,而用原尺寸钻头或变径用小钻头钻至完钻井深,再根据电测和录井资料确定技套的下入深度,或者直接一次性组合下入滤水管、止水器、套管、置泵管等不同规格和类型的套管及固井附件,选择井段固井。

对于井深较浅、上部地层相对稳定的地热井采用较多,优点是能根据获得的钻孔资料自由选择取水井段,钻井工期较短、投资较少,缺点是对钻井技术要求高、完井下管和固井工艺复杂。

实例：xx井完井工序

(一)井身结构

(1)一开：ф444.5mm3A钻头 ×405.59m。

ф339.7mm×9.65mm×J 55套管×405.59m。

(2)二开：ф241.3mm3A钻头 ×3 500.32m。

ф177.8 mm×9.19 mm×N 80滤水管 +套管×(351.75m～3 500.32m)。

(二)设计指标

(1)井深：3 500m

(2)井斜：0～4 00m不大于 1°,400～3 500m不大于 3°

(3)水量：出水量在 70m3/h左右

(4)水温：90℃左右

(三)完井指标

(1)井深：3 500.32m

(2)井斜 ：最大井斜 2.41°(3 500 m)

(3)取水段：2 610 ～3 462.8m;取水总厚度 852.8m,其中含水层 54层,厚度 205.2m;含水层占取水总厚度21.5%,单层厚度最大 12.4m,最小 1.3m,一般 2～7m;顶底板测井温度 91℃ ～118.73℃;岩性以粗砂岩、中砂岩、细砂岩为主,泥质胶结,较疏松,孔隙度 12.1% ～29.3%,渗透率1.0～48.1毫达西。

(4)止水器：用管外封隔器、橡胶漏斗和用牛皮、海带、木头件制作的止水器混合止水(图 5)。

图4

(5)木头高度：100 m

(6)自流水量：280 m3/h(畅流)

(7)水温：120℃(畅流)

3 其它成井法

3.1 裸眼完成法

产层不下井管的完井方法,一般对于井壁稳定的地区采用此方法,如碳酸盐岩、火成岩类裂隙型热储层等,相对于下井管的方法具有出水口截面积大、流动阻力小、出水量较大且不易发生堵塞事故、节省投资等优点,但对于砂泥浆剖面的地热井不适用。

3.2 筛管完成法

取水段下入筛管(滤水管)的完井方法,一般适用于砂泥岩剖面等沉积型地层、配以填砂工艺可起到有效防塌和防砂作用。

图5

3.3 射孔完成法

为了弥补出水量不足而对未取水层段进行射孔,或不下滤水管直接在取水段射孔取水的完井方法。

因不同地区的岩性和施工技术差异,在保证工程质量井下安全的前提下,可选择不同的完井方法。

[1]矿区水文地质工程地质勘探规范 GB12719-1991.doc

[2]地热资源地质勘查规范 (GB11615-2002).doc

[3]陕西师范大学地热资源勘探工程报告书 东北煤田地质局 103勘探队 2006.10

[4]运城金鑫公司地热资源勘探工程报告书 东北煤田地质局 103勘探队 2007.11