新型同径分层止水工艺在地热探采深井的应用

杨联锋，段云星

（1.山西省第三地质工程勘察院，山西晋中030620；2.中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083）

0 引言

抽水试验是获取区域水文地质参数、地层温度、地下水补给路径、影响范围等项目的重要手段［1-4］。工程技术人员在抽水试验的抽水设备、止水技术、止水材料、计算方法等方面积累了大量经验和方法［5-6］。管外止水和管内止水是否有效决定着试验结果的准确性。目前的抽水试验止水方式有异径分台阶止水工艺和一孔同径分层止水工艺［7-18］。异径分台阶止水工艺所需多级扩孔，井身结构复杂，需多次下入、拔出井管，成本较高；一孔同径分层止水工艺简化了井身结构，节省了管材和成本，但需要在管外投粘土球、灌注水泥浆等。

原平大营地热探采结合深井是为勘探本区域的地热赋存情况，最后还要作为生产、生活利用的热水井。分层抽水试验获取水文参数后，需要根据出水量和出水温度来确定后续利用哪层水、永久封固哪层水。设计分层止水措施时，管内止水和管外止水都应是临时措施。试验完成后，应该可以解除止水措施，并且解除后应不影响目的含水层的出水和后续利用。为此，本项目设计了新型临时分层止水装置来进行抽水试验。

1 项目概况

原平大营地热探采结合深井位于山西省原平市沿沟乡王董堡村，设计井深3060 m，完钻井深3088 m，终孔口径215.9 mm。项目任务是钻井勘探变质岩地层的含水量和温度，通过岩心分析、水质测试等方法评价该区域地热资源赋存情况，为地热开发利用提供参数和依据。而后建成水井，供周边生产和生活使用。钻遇地层情况如表1 所示。

表1 钻遇地层及岩性描述Table 1 Drilling strata and geology

井身结构设计为倒塔式三开结构：

一开采用Ø393.7 mm 牙轮钻头、泥浆循环钻进工艺，钻至492 m；下入Ø339.7 mm 石油套管，管外环空用水泥浆封固。

二开采用Ø311.1 mm 牙轮钻头、泥浆循环钻进工艺，钻至1554 m；下入Ø244.5 mm 石油套管，部分位置下入滤水管；管外环空不封固。

（3）三开采用Ø215.9 mm 牙轮钻头、泥浆循环钻进工艺，钻至3088 m 终孔；下入Ø177.8 mm 石油套管，部分位置下入滤水管；管外环空不封固。

井身结构及套管程序参数如表2 所示。

表2 井身结构及套管程序Table 2 Wellbore structure and casing program

2 新型同径分层止水工艺

探采结合井进行分层抽水试验后，需要永久封固非目的含水层，尽量恢复目的层的出水量。因此，需要设计新型临时分层止水装置来进行抽水试验。

2.1 管外止水装置

设计止水伞来进行管外止水。止水伞工作原理类似雨伞，由肋条、帆布、膨胀止水材料组成，如图1所示。

（1）肋条由长500 mm、宽30 mm、厚3 mm 的弹性钢条制作而成，底部焊接在套管外，上部自由扩展，如图 1（a）、图 1（b）。

（2）肋条与套管之间衬帆布袋，一侧固定在肋条上端，另一侧固定在套管上，如图1（c）。

（3）帆布袋内缠绕海带辫、膨胀止水胶带（50 h膨胀200%），填充化学膨胀剂等材料；并用铁丝将肋条上端和帆布袋穿插扎口。制作完成后，外径约Ø210 mm。如图1（d）。

（4）每个止水位置安装2 个帆布伞，间隔2 m。帆布伞吸水膨胀后像伞一样撑开，如图1（e）。撑开的帆布伞外径Ø240 mm 左右，堵塞套管与井壁的环空间隙，起到管外止水的作用。

图1 管外止水伞制作流程与工作原理Fig.1 Manufacturing process and working principle of the canvas umbrella for outside‑pipe sealing

止水伞实物见图2。

图2 止水伞现场实物Fig.2 Mteral object of canvas umbrella

2.2 管内止水装置

设计止水托盘进行管内止水。该装置由圆钢加工而成，长200 mm，与套管外径相同，两端壁厚10 mm。内孔中间部位设置斜面凸起，厚30 mm，通孔直径根据抽水分层数阶梯设计。如分4 层抽水，则需要使用通孔直径 100、120、140 mm 的 3 个止水托盘。止水托盘和隔离盖结构和实物如图3 所示。

图3 管内止水托盘Fig.3 In‑pipe sealing tray

某层位抽水试验流程为：

（1）按照设计抽水位置，将止水托盘与套管焊接在一起。小通孔托盘在下，大通孔托盘在上，依次下入井内。

（2）投入相应直径水泥球，堵住抽水层下部托盘口，而后灌入水泥浆候凝，由此堵住下层水。

（3）钻杆接入隔离盖，下至抽水层上部托盘口，依靠钻杆重力堵住上层水。

这样，管外通过帆布伞临时止水，管内依靠止水托盘临时止水，可以进行相应层位的抽水试验。

3 现场抽水试验

设计5 次抽水试验，第1 次对全井段（494～3088 m）采用大泵量进行混合抽水试验；第2～5 次为分层抽水试验，抽水层段为2665～3088、2158～2665、1604～2158、494～1604 m；随套管下入止水伞、止水托盘、滤水管，具体如表3 和图4（a）所示。

表3 分层抽水试验设计Table 3 Design for multi‑level pumping test

图4 抽水试验设计Fig.4 Design for pumping test

管柱下入井内后，止水伞内止水材料吸水膨胀，管外已经分段临时止水。根据抽水试验程序，进行管内止水托盘临时止水。抽水程序为：

（1）第一次抽水：钻杆带着深水泵、水位测管下至450 m，抽取全井段混合水，管内托盘不止水。如图 4（b）。

（2）制作抽水水仓，采用Ø273 mm×9 mm 无缝钢管加工，上下端分别与抽水钻杆连接。水仓内置抽水泵和水位测管，电缆及测管接头引出水仓外。

（3）第二次抽水：使用抽水水仓，泵量为50 m3/h。钻杆带着隔离盖下至2665 m 处止水托盘，隔离盖密封托盘口，钻杆头伸入托盘以下。如图4（c）。

（4）投水泥球封堵2665 m 处止水托盘口，注入水泥浆5 m 高度，候凝。

（5）第三次抽水：使用抽水水仓。钻杆带着隔离盖下至2158 m 处止水托盘，隔离盖密封托盘口。钻杆头伸入托盘以下。如图4（d）。

（6）投水泥球封堵2158 m 处止水托盘口，注入水泥浆5 m 高度，候凝。

（7）第四次抽水：使用抽水水仓。钻杆带着隔离盖下至1606 m 处止水托盘，隔离盖密封托盘口，钻杆头伸入托盘以下。如图4（e）。

（8）投水泥球封堵1606 m 处止水托盘口，注入水泥浆5 m 高度，候凝。

（9）第五次抽水：钻杆带着深水泵、水位测管下至450 m，抽取该层段水。如图4（f）。

试验结束确定取水层位后，管内水泥塞用钻头扫通；注入水泥浆至取水层位下部，水泥浆通过滤水管进入管外环空而封固；取水层上部环空的封堵，可以再次下入水泥球堵住托盘口并注入水泥浆候凝，最后管内注入水泥浆，使水泥浆通过滤水管进入环空；候凝后，钻扫管内水泥至取水层上部。

4 应用效果

抽水试验通过变频设备来控制抽水流量，进行3 个降深的抽水。出水量采用三角堰计量，读数精确到1 mm。分层水的水位在水仓内进行测量，水仓内测管在泵头之下5 m，以防水流旋涡对水位数据产生影响。对水仓外壁和井壁之间的水位也进行观测，用来检测止水效果。抽水试验成果如表4 所示，满足了水文地质参数计算要求。

表4 抽水试验成果Table 4 Results of pumping test

（1）根据第2、3、4次持续抽水时间内，水仓与井壁间水位的变化数据，绘制曲线如图5。每条曲线的左段为S3 降深抽水阶段，中段为S2 降深抽水阶段，右段为S1 降深抽水阶段。可以看出，每抽水阶段的水位较平稳，说明止水措施有效，很好阻止了其他含水层的干扰。

图5 水仓与井壁间水位降深Fig.5 Water level drop between the water tank and the pipe wall

（2）分层抽水时，管内由钻杆重力压着隔离盖封堵抽水层上部的地层水。若能实现完全封堵，表4 中“仓外平均降深”应为0。然而，由于隔离盖与止水托盘的接触面制作误差，无法实现完全接触封堵，会抽走一定量的上部水。另外，随着抽水点上移，钻杆重力减小，无法完全压住隔离盖，导致仓外平均降深逐渐增大。第4次抽水时仓外平均降深明显大于前几次，说明此套止水装置的应用深度有一定的限制。抽水点越深，止水效果越好。

5 结语

本文设计了止水伞进行管外止水、止水托盘进行管内止水的新型同径分层止水工艺，并在地热探采深井分层抽水试验中成功实施。

（1）该工艺减少了钻井变径次数和施工工序，简化了井身结构，为事故处理预留了一级下套管空间。

（2）通过抽水试验成果可以获得不同井段的地温梯度和涌水量，为准确封闭不取水段提供了依据。

（3）此套止水工艺的管内止水需要钻杆自重压住隔离盖。抽水点越深，所用钻杆越长，其重力增大，可获得更好的止水效果。

（4）止水伞管外止水措施在地热井的应用，依靠其支撑在稳定的变质岩井壁而承受水压，成功分隔堵水。对于砂层、粘土层等不稳定地层，会有井壁不稳定而导致分隔堵水失败的风险。