气举—酸化联合洗井技术在地热资源开发中的应用

凌安航

摘要： 中国华北地区的碳酸盐岩热储层是优质的地热资源储层，由于储层内部裂缝发育，钻井过程中常伴有严重的钻井液漏失，导致钻屑堵塞地层内的渗流通道，影响地热井的出水量。本文根据气举-酸化联合洗井技术在南华北地区地热井的实际应用情况，对该技术的基本原理、施工方法和应用效果进行了说明，同时探讨了注气泵压和注气方式对洗井效果的影响，综合考虑各类因素得出适用于实际生产的洗井技术参数，对指导地热资源开发具有一定的实用价值。

Abstract： Carbonate thermal reservoirs in North China are high-quality geothermal resource reservoirs. Due to the development of internal fractures in the reservoirs， serious loss of drilling fluid are often accompanied in drilling process， resulting in drilling cuttings blocking the seepage channels in the formation， and influencing the output of geothermal wells. Based on the practical application of gas lift-acidification combined well-cleaning technology in geothermal wells in South China and North China， the basic principles， construction methods and application effects of this technology are described. At the same time， the influence of gas injection pumping and gas injection on the well-cleaning effect is discussed， and comprehensively considering various factors， the technical parameters of well washing suitable for actual production are obtained， which has a certain practical value on the development of geothermal resources.

关键词： 地热资源；碳酸盐岩热储；洗井

Key words： geothermal resources；carbonate rock thermal storage；well cleaning

中图分类号：P578.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）21-0139-02

0 引言

地热能是一种绿色低碳的可再生能源，随着化石能源的日益短缺和生态环境的不断恶化，地热能应用受到了越来越多的关注。中国地热资源丰富，水热型地热资源总量折合标准煤12500亿吨，年可开采资源量折合标准煤18.7亿吨。中国华北地区在20世纪90年代即开始利用水热型地热资源进行供暖，开采对象主要为元古界、古生界碳酸盐岩热储和新生界砂岩热储，其中碳酸盐岩热储因其出水量大、水温高、易于回灌的特点，成为了重点开采目标。华北地区碳酸盐岩热储以灰质白云岩、白云质灰岩为主，储层内部裂缝、溶洞发育[1]，具有较好的渗流能力，导致钻井过程中钻井液及钻屑经常漏失进入地层[2]，严重影响地热井的出水流量及温度。因此地热井完井时所采取的洗井工艺，对地热井的成井质量具有重要意义。本文拟选取开采碳酸盐岩热储的典型地热井，深入讨论气举-酸化联合洗井技术在碳酸盐岩热储开采中的应用。

1 地热井情况简介

JY-1井位于河南省濮阳市，完钻井深1830m，完钻层位为奥陶系马家沟组，该井采用“三开制”井身结构，一开、二开完钻后下入石油套管并固井，以封隔上部松软地层及冷水层，三开完钻后下入筛管完井。

JY-1井三开采用清水钻井液钻进至1372m时，发生失返性漏失，随即转换为混气负压钻进，并不断补充清水钻井液。该井至1830m完钻时，累计漏失钻井液1665m3。JY-1井在完井作业后，即下入电潜泵进行抽水试验，测得出水流量仅为32m3/h，且水质浑浊，明显未达到设计要求，需要采取洗井措施。

2 气举-酸化联合洗井作业

2.1 气举-酸化联合洗井施工过程

鉴于JY-1井在钻进过程中发生了严重的漏失，初步推测该井出水量偏低的原因为大量钻屑随钻井液进入地层，附着在裂缝壁面，缩小了裂缝宽度，降低了裂缝的渗流能力。

气举洗井的原理为向井下连续注入高压气体，再注入清水推动井筒内的高压气体上返，气体突破井口后，井筒内流体压力骤降，将会在井下形成瞬時负压区。此时在地层压力的作用下，钻屑等堵塞物将大量涌入井筒，并被气液混合流体携带至地面，从而达到洗井的效果[3]。

酸化洗井的本质是通过酸液对岩石胶结矿物或地层孔隙、裂缝内堵塞物的溶解和溶蚀作用，扩大热储层中原有的孔隙和裂缝，恢复或提高地层孔隙和裂缝的渗透性[4]。

为清除地层内的堵塞物，提高出水流量，JY-1井首先进行了气举洗井作业，并在作业过程中不断探索优化注气泵压、注气方式等施工参数，较好地清除了热储层内的堵塞物。

气举作业后，JY-1井出水量依然不甚理想，其原因可能为部分充填裂缝的钻屑尺寸太大，无法通过气举洗井排出；此外热储层内部分裂缝、溶孔尺寸偏小，也制约了该井的出水量。需要通过酸化工艺解决这两方面问题[5]。根据测井数据，将JY-1井的酸化施工井段设计为1284.4-1778.6m，准备浓度16%的盐酸16m3，活性水40m3，配料详见表1。

经气举—酸化联合洗井作业后，JY-1井的出水流量达到了112.8m3/h，水温55.5℃，水质清澈，说明气举—酸化联合洗井作业对于提高碳酸盐岩热储的出水量有显著作用。

2.2 气举-酸化联合洗井施工参数探讨

在气举-酸化联合洗井作业过程中，气举洗井能否充分清洗出堵塞在地层中的钻屑，直接关系到后续酸化施工时地层受效面积的大小。而注气泵压和注气方式既对气举洗井效果有重要影响，也是施工过程中易于调控的参数，故下文将从这两个方面开展讨论。

2.2.1 注气泵压

注气泵压是指泵入压缩气体时井口的压力，其大小间接反映了井底流压的大小，影响了气举洗井流体的流速[6]。在JY-1井气举洗井过程中，记录了各洗井周期内气液混合流的自喷持续时间，并将所得数据与注气泵压进行关联分析。

由图1可知，随着注气泵压的升高，气液混合流的自喷持续时间也逐渐增大，说明注气泵压越高，洗井流体携带钻屑高速运移的时间越长，气举洗井的效果也就越好。当注气泵压在5.5-8.5MPa之间时，随着压力的升高，气液混合流自喷时间增长较快；而当注气泵压超过8.5MPa时，气液混合流自喷时间的增速明显减缓。

上述情况说明当注气泵压持续上升超过一定值时，气举洗井的效果将很难有明显提升。考虑到过高的注气泵压可能会损坏筛管和悬挂器，因此气举洗井过程中，注气泵压应控制在8.0-8.5MPa之间。

2.2.2 注气方式

JY-1井气举洗井过程中使用了分段注气、连续注气两种注气方式，分别记录这两种注气方式达到相同注气泵压时所用的时间，并收集洗井返出的岩屑对其粒径与数量进行统计，以便后续分析。

由图2可知，当注气泵压相同时，连续注气所需要的注气时间明显少于分段注气；随着注气泵压的逐渐增加，注气时间也在增加，而分段注气方式的注气时间增长的更快。

图3显示了两种注气方式洗井时返出岩屑粒径的统计结果。两种注气方式都主要返出粒径≤2mm的岩屑；对于粒径分布在2-5mm之间的岩屑，两种注气方式返出的数量基本相同；然而连续注气方式返出5-8mm和≥8mm岩屑的量明显多于分段注气方式。这说明相比于分段注气方式，连续注气方式能够更加有效地清洗出大粒径岩屑。

3 推广应用情况

JY-1井成功完井后，河南濮阳地区又先后部署钻凿了JY-2井、NL-2井、NL-3井等地热井，这些地热井的目的层都是奥陶系马家沟组碳酸盐岩热储，而在钻进过程中也都发生了严重的漏失，致使完井试抽水的出水流量偏低。根据JY-1井的成功经验，分别对JY-2井、NL-2井、NL-3井进行了气举-酸化联合洗井作业，各井的作业效果如表2所示。

由表2可知，经过气举-酸化联合洗井作业后，JY-2井、NL-2井、NL-3井的出水量都增长了50%以上，说明气举-酸化联合洗井技术普遍适用于该地区的碳酸盐岩热储，并能够显著提高地热井的出水量。

4 结论

①碳酸盐岩热储内部裂缝、溶蚀孔隙发育，导致地热井在钻进过程中常发生钻井液漏失，大量钻屑随钻井液进入地层，堵塞渗流通道，严重影响了地热井的出水流量。②气举-酸化联合洗井技术能够在清除残留岩屑、疏通储层裂缝的基础上，进一步扩大储层渗流通道的尺寸，提高热储层的渗透率，从而有效提高地热井的出水流量。③气举洗井过程中，综合考虑洗井效果、施工时间、井下管柱安全等因素，应选取连续注气方式，且注气泵压宜控制在8.0-8.5MPa之间。

参考文献：

[1]陈墨香.华北地热[M].北京：科学出版社，1988：12-17.

[2]刘大伟，康毅力，雷鸣，等.裂缝漏失性碳酸盐岩气藏鉆井完井损害模式[J].钻采工艺，2009（5）：9-12.

[3]刘远涛，陶兴明，等.应用气举洗井工艺解除近井地带地层污染的方法[J].大庆石油地质与开发，2003，22（3）：63-65.

[4]张琪.采油工程原理与设计[M].东营：中国石油大学出版社，2006：294-295.

[5]李砚智，田京振.酸化洗井在河北牛驼镇地热田两口井中的应用[J].探矿工程：岩土钻掘工程，2009（6）：16-18.

[6]张荣军，孙卫.垂直管流中的气液两相流压力计算[J].西北大学学报：自然科学版，2007（1）：123-126.