天津地区新近系地热回灌井不同完井工艺应用效果对比

王光辉，赵 娜，赵苏民，高 亮，李嫄嫄

（1.天津市国土资源和房屋管理局地质事务中心，天津 300042）（2.天津地热勘查开发设计院，天津 300250）

0 引言

天津地区地热资源主要分布在宝坻断裂以南的广大平原区（图1），按开采热储可分为孔隙型和基岩裂隙型两种。目前，基岩裂隙型热储的回灌率为100%，而孔隙型热储回灌量小且衰减严重，孔隙型热储回灌也是世界性难点［1－2］，极大地制约了新近系热储的开发。天津地区热储通过多年的回灌研究，认识到完井工艺影响回灌井的回灌效果。本文旨在对比滤水管和射孔两种完井工艺在新近系馆陶组孔隙型地热回灌井的应用效果。

1 矿区地质特征

图1 天津地区构造分区图Fig.1 Tectonic division map of Tianjin area

天津地区馆陶组厚200～600m，一般分为馆Ⅰ砂岩段、馆Ⅱ泥岩段和馆Ⅲ砂岩段3层。岩性以含砾砂岩为主，间夹厚度不等的泥岩、粉砂质泥岩，底部常见暗色矿物较多的砂砾岩和砾岩，富水段岩性以中粗砂岩为主，孔隙率20%～33%［3－4］。馆陶组在宝坻断裂以南除在沧县隆起的双窑凸起、小韩庄凸起、潘庄凸起、王草庄凸起等构造的高部位缺失外，均有分布。其沉积环境为准平原化过程中的低弯河和辫状河。

冀中坳陷的武清城区和黄骅坳陷的滨海新区为天津地区热储的集中开采区，主要热储层为馆陶组，其底部为厚30～60m的底砾岩（砾径多＞5mm，平均孔隙率20%），在塘沽区最为发育，厚度可达80m以上。馆陶组特征：出水温度45～86℃，单井涌水量一般40～120m3／h，矿化度一般1～2g／L（由北东向南西方向逐渐增加），水质以Cl·HCO3－Na型为主，pH＝7.32～8.82。

2 滤水管完井工艺应用情况

馆陶组地热井以往一般采用滤水管完井工艺，其主要作用是滤水挡砂、支撑井壁。实际生产中，孔隙型地层地热井主要根据砂岩的成岩性、胶结度、颗粒大小、渗透性等因素选择滤水管［5］。滤水管的制作方式主要有套管表面打眼和滤水管外缠丝（单层或双层）两种。套管表面打眼的滤水管多用于砂岩致密胶结且长期开采不会发生坍塌的地层，外缠丝的滤水管多用于胶结条件不好且容易出砂的粉细砂类地层。

20世纪80年代，地热研究单位在塘沽区开展了馆陶组回灌试验及回灌理论研究。回灌试验井完井工艺采用单层滤水管，试验持续时间263h，最大灌量86m3／h，最小灌量6m3／h。试验过程中出现回灌量严重衰减现象，推测其主因为滤水管及其周围热储层的物理和化学堵塞。

2002年，武清区建成YR9馆陶组地热回灌井。为避免悬浮颗粒对回灌通道的堵塞，YR9地热井使用双层笼式填砾滤水管（主要参数：内缠丝间距0.7 mm，外缠丝间距0.5mm，石英砂砾径0.8～1.2 mm，厚度10mm），完井后测得该井出水量为15～20m3／h。由于水量小，又进行了射孔，出水量最终达到93.8m3／h。2005年1—3月，对YR9地热井进行了供暖期生产性回灌试验，回灌水温40～52℃，回灌量从49m3／h降至20m3／h，衰减明显，加压回灌效果也不理想，从而宣告试验失败。

馆陶组热储层地热回灌井采用单层滤水管和双层笼式填砾滤水管两种完井工艺的试验结果表明，在回灌水处理工艺完善，且无物理及气体堵塞的情况下，回灌量衰减明显，回灌效果均未达到孔隙型地热回灌的理想目标。

3 射孔完井工艺回灌效果

2008年，地热研究单位总结了以往馆陶组地热的回灌试验，确定以射孔方式作为馆陶组地热回灌井完井工艺。该工艺在废弃石油井的实验初步取得良好效果后，于2011年开始被应用于地热回灌井的施工中。

3.1 射孔完井工艺原理

射孔是指将射孔专用设备置入井下预定深度，射穿套管及套管水泥环直至地层，沟通井筒与含水层间流体通道的工艺技术。射孔器中的射孔弹引爆后，爆炸产生能量束击穿套管、击垮地层，当能量束打到地层上，迅速在岩石的接触面上形成高温、高压、高应变率区域，使岩石迅速崩解、破碎，后续射流又将这些破碎物挤入地层，从而形成孔道［6］。根据射孔弹的结构、地层岩石性质，射孔弹穿出孔道长度一般为几厘米至几十厘米，孔道直径一般为几毫米至十几毫米。射孔工艺在油气开发中已是比较成熟的技术［7－8］，该技术近年来被试验性应用于孔隙型地热回灌井完井工艺中，效果较好。

在地热井施工中常采用电缆输送聚能式射孔技术。该工艺的优点是：①射孔枪和射孔弹的种类多，能使用大直径射孔枪和大药量射孔弹，满足高孔密、深穿透、大孔径的射孔要求；②射孔定位快速、准确；③电雷管引爆可靠性强；④作业简便快捷，能连续进行多层射孔。在地热回灌井施工中，通常选用直径89mm射孔弹，直径127mm的射孔器，射孔密度15～20孔／m，射孔螺旋式排列，一般射孔深度可达50cm以上地层。

3.2 塘沽区射孔工艺回灌研究

为研究不同完井工艺对馆陶组的回灌效果，在塘沽地区选取了3个地热回灌井TGR－28，TGR－29D，TGR－30，采用不同的完井工艺进行对比试验。

（1）地热井概况。TGR－28，TGR－29D，TGR－30等3个地热回灌井相距较近（图2），回灌井出水量100～118m3／h，水温均为63℃；TGR－28与 TGR－30为直井，TGR－29D为定向井。根据测井解释成果，这3个回灌井各项参数见表1［9］。

（2）地热井完井工艺。地热回灌井TGR－28，TGR－29D均采用电缆输送聚能式射孔工艺成井，射孔器直径102mm，射孔弹直径12.7mm，射孔密度15孔／m。TGR－28射孔长度87m，TGR－29D射孔长度92.3m。

图2 地热回灌井分布图Fig.2 Distribution of geothermal well for reinjection

TGR－30采用滤水管（梯形碳丝镀锌防腐筛网）成井，滤水管直径177.8mm，孔径14mm，孔隙率12%，缠丝间距0.5～0.7mm，滤水管长度100.16m。

（3）回灌试验。回灌井建成后，回灌试验时，TGR－28地热井在非采暖期进行，TGR－29D，TGR－30在采暖期进行，均采用自然回灌的方式。回灌试验数据见表2，历时曲线见图3，图4和图5。

表1 地热回灌井参数Table 1 Parameters of reinjection of geothermal well

表2 回灌试验数据Table 2 Reinjection test data

图3 TGR－28回灌试验历时曲线Fig.3 Reinjection test curve of TGR－28

图4 TGR－29D回灌试验历时曲线Fig.4 Reinjection test curve of TGR－29D

按照《地热地质勘查规范》要求，对3眼地热回灌井参数进行计算，得出TGR－28最大理论回灌量为121m3／h，TGR－29D为114m3／h，TGR－30为35 m3／h。试验结果表明，在相同的地质及回灌水源条件下，塘沽地区射孔完井工艺比滤水管完井工艺的回灌效果好，为塘沽地区孔隙型地热回灌式开发提供了较好的示范作用。

3.3 武清地区射孔工艺回灌研究

滨海新区孔隙型地热回灌取得成功后，为检验射孔工艺在天津市不同地区孔隙型热储的回灌效果，选择武清区一对地热井试验射孔采灌效果。回灌井井深1 978m（斜深），目的层为馆陶组，测井成果显示水层共7层，厚80.7m，孔隙度29.42%～36.70%，渗透率554.44×10－3～1 714.7×10－3μm2，射孔总长度81m。于2012年12月10日进行了回灌试验［10］，回灌方式为自然回灌，回灌温度35℃，最大稳定回灌量120m3／h，稳定时间36h，稳定动水位埋深74～75m（图6）。试验结束后，在供暖季进行了实际生产，回灌量128m3／h，动水位70m左右，未出现回灌量衰减的现象。由此证明在武清地区开凿射孔工艺的地热回灌井可实现该地区地热资源的采灌平衡。

图5 TGR－30回灌试验历时曲线Fig.5 Reinjection test curve of TGR－30

图6 武清地区地热回灌井回灌试验历时曲线Fig.6 Reinjection test curve of Wuqing geothermal well

4 原因分析

通过分析射孔完井工艺地热回灌试验效果，射孔完井工艺可实现孔隙型地热100%采灌，更适用于天津地区馆陶组热储回灌。笔者认为，影响孔隙型地热回灌效果的原因主要是钻井过程中对地层渗透率和泄流面积。现有的地热钻井技术普遍使用黏土和添加剂配置钻井液，钻井液循环过程中因井筒内的液柱压力作用，通过孔隙渗入地层，并在井壁形成泥皮，堵塞渗流通道，影响地层孔隙度和渗透率，而现有的洗井工艺虽能将井壁表面的泥皮破坏并冲刷掉，但很难彻底清除渗入地层的泥浆。孔隙型地热井取水段一般选择渗透率比较好的几个含水层成井，而这几个含水层也是受钻井液影响最大的地方。采用滤水管完井工艺，滤水管和取水层受到钻井液的影响，造成泄流面积减小最终导致取水段的渗透率降低而影响回灌效果。

图7 滤水管及射孔成井示意图Fig.7 Sketch showing well completion of filter and perforation

射孔完井方式时，射孔弹进入地层深度大，一般穿透钻井液影响带（图7），保证了井筒和热储层的联通性，射孔弹道内壁成为泄流断面，增加了泄流面积，起到增加地热井产能的作用，回灌水流在井筒压力作用下，可沿着孔道顺利进入热储层，回灌效果较好。

5 结语

射孔技术应用于新近系馆陶组地热完井工艺，实现地热回灌量大、回灌持续长的试验效果，对天津市新近系地热回灌的研究具有重要意义，为孔隙型地热开采提供了可靠的技术保证，对于周边省市开展同类型试验研究具有示范作用。

总结两种完井工艺回灌试验，在相同地质条件下，孔隙型地热回灌效果受完井工艺对热储层渗透率的影响，鉴于此，笔者认为，无论是射孔完井工艺还是滤水管完井工艺，只要解决了回灌井完井过程对热储层的影响，应该都可以实现地热开发利用的采灌目标，这将是天津市地热回灌研究的主要方向。

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