中深层砂岩回灌井成井工艺优化及效果分析——以天津市明化镇组为例

赵艳婷，沈健，赵苏民，闻爽，张森

（天津地热勘查开发设计院，天津 300250）

地热资源是一种无污染、可再生清洁能源，其开发利用是调整能源结构[1-2]、完成“双碳目标”的有效手段。然而，砂岩储层普遍存在回灌困难的情况[3-4]，这是制约其可持续开发的关键问题[5-6]。天津地区地处华北盆地中北部，砂岩储层地热资源丰富，其主力开采层为新近系明化镇组和馆陶组。与馆陶组相比，明化镇组热储可开发潜力巨大，但其回灌能力与出水能力不相适应。馆陶组的回灌能力介于60~80 m3/h，单位回灌量普遍介于1.0 ~ 1.5 m3/（h·m），明化镇组回灌能力普遍低于30 m3/h，单位回灌量一般在0.4 m3/（h·m）以下，回灌效果差异较大。迄今为止，前人对天津孔隙型砂岩热储，尤其是馆陶组热储回灌方面进行了大量研究，并逐渐总结出回灌流体运移机理[7-8]、成井工艺[9-10]、回灌堵塞[11]以及回灌量衰减的影响因素[12-13]，提出了回灌评价体系[14]，并对不同完井工艺的回灌效果进行了研究[15]。但有关明化镇组回灌研究，特别是不同成井工艺之间的对比分析鲜见报道。将滤水管和大口径填砾成井工艺在明化镇组热储回灌井的应用效果进行了对比分析，提出了明化镇组热储回灌的改进方向。

1 地热地质条件

天津市地区明化镇组广泛分布于宁河—宝坻断裂以南区域[16]（图1），沧县隆起区内底板埋深介于700~1 200 m，南浅北深，沉积厚度介于230~1 100 m。按岩性组合特征分为上、下2段：上段为砂岩、含砾砂岩与泥岩不等厚互层[17]；下段以砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，钙质团块较多。富水段岩性为半胶结的中、细砂岩、粉砂岩[18]，属典型的弱—中等水流强度下的曲流河沉积。

图1 天津市地区构造分区（据参考文献[16]修改）Fig.1 Tectonic division map of Tianjin area（modified accarding to reference[16]）

单井涌水量为40 ~ 80 m3/h，单位涌水量为0.76~5.45 m3/（h·m），井口稳定流温为34~78 ℃，地热流体化学类型以HCO3—Na 型、HCO3Cl—Na 型和SO4·Cl—Na型为主，总矿化度介于400~3 600 mg/L。孔隙度介于21.6 % ~ 39.1 %，渗透系数介于0.48 ~3.50 m/d，渗透率介于（140~2 410）×10-3µm2。

2 滤水管填砾成井工艺应用情况

滤水管填砾成井是指在滤水管与含水层孔壁间，填入比含水层砂砾直径更大的砾石材料而形成人工的过滤层[19]，增大出水量，有效预防松散粉细砂岩地层出砂，阻止含水层中的砂砾进入滤水管内[20]，井筒和地层之间有砾料的支撑，可以保持地层的稳定性和过水效果，提高回灌效果，但其回灌效果还有待改善。

2.1 滤水管填砾井NM-01井回灌能力

NM-01 井采用了一开滤水管填砾成井方式，滤水管段对应井径400.05 mm，滤水管管径177.8 mm，滤水管下入长度63.77 m，对应取水层有效厚度53.54 m，单位涌水量为1.96 m3/（h·m），热储温度为59 ℃，取水段中点埋深为1 045.3 m。因动水位埋深最终稳定到井口附近，故试验仅进行了1 组，回灌量为9.2 m3/h，对应动水位埋深12.55 m，回灌流体温度46 ℃（回灌流体为地热流体，未经换热器），持续时间24 h，稳定时间9 h（图2），校正到25 ℃后，静水位埋深为11.275 m，动水位为20.21 m，水位回开值为92.54 m。

图2 天津市明化镇组NM-01井回灌试验历时曲线Fig.2 Reinjection test curve of well NM-01 in Minghuazhen Formation,Tianjin

2.2 NM-02井回灌试验

NM-02 井采用一开滤水管填砾成井方式，滤水管段对应井径550 mm，滤水管管径177.8 mm，滤水管下入长度118.49 m，对应取水层有效厚度为67 m。NM-02井回灌试验中最小回灌量只能控制在30 m3/h，但动水位埋深最终涨至井口，未获取稳定动水位埋深（回灌试验回灌流体为地热流体，未经换热器）持续时间15 h（图3），校正到25 ℃后，静水位埋深为93.61 m，动水位为7.19 m，水位回升值为86.42 m。

图3 天津市明化镇组NM-02井回灌试验历时曲线Fig.3 Reinjection test curve of well NM-02 in Minghuazhen Formation,Tianjin

综上所述，两眼井滤水管填砾回灌井的回灌能力在30 m3/h以下，NM-1井的回灌量更小，仅为9.2 m3/h。

3 大口径填砾成井工艺回灌效果分析

3.1 大口径填砾成井工艺原理

明化镇组热储层的总厚度大，孔隙度较高，渗透率较大，为回灌流体在储层中的运移提供了基础条件[21]，但相对于馆陶组热储层，其砂层单层厚度薄，泥质含量高，成岩性差、胶结疏松、易出砂，储层敏感性高，需要成井工艺在减少钻井液污染的前提下，具备良好的挡砂和支撑效果。尽管采用滤水管填砾成井对明化镇组回灌效果有一定的提升，但是可以通过扩大成井口径或增加地热井取水段的渗流通道等措施进一步改善回灌效果。钻井过程中对钻井组合和钻井液进行优化，避免污染储层，并采用联合洗井方式防止成井过程中热储的孔隙通道被堵塞。

3.1.1 成井直径

成井直径能直接影响成井后的过流面积。目前填砾成井一般采用ϕ177.8 mm的井径，当地质及工程条件允许时，可以选用ϕ244.5 mm的井径。

3.1.2 钻具组合

选择钻具组合需要考虑在确保安全的前提下，尽可能快地提高钻进速度，减小钻井液对地层的影响时间。采用螺杆和PDC钻头（图4）复合钻进，能有效加快钻进速度，缩短钻井液对地层的影响时间，减小影响程度。

图4 PDC钻头Fig.4 PDC drilling bit

3.1.3 钻井液

地热井常用的钻井液类型有细分散钻井液、聚合物钻井液、堵漏钻井液、泡沫钻井液和清水等。其中堵漏钻井液与泡沫钻井液是在易发生严重漏失的地层钻井中所用的，清水一般用于地层稳定的基岩层，均不适用于明化镇组地热井所钻遇的地层。聚合物钻井液中需大量添加高分子聚合物，形成的滤饼破壁后容易堵塞地层中的过水通道，且不易通过洗井的方式疏通排除，从而影响回灌效果。因此，以细分散钻井液为主，同时降低黏土含量，少使用或不使用聚合物。选用的钻井液密度介于1.05~1.10 g/m3，马氏黏度介于30 ~ 40 s，失水量小于10 mL/30 min，pH值为9，含砂量小于0.5%。

3.1.4 洗井方式

洗井是解决成井工艺中钻井液残留影响的唯一途径，其效果能直接影响明化镇组回灌井的成井效果。多种洗井方式均有其独特的作用。因此，明化镇组回灌井宜采用多种洗井方式并举的洗井组合方案。先进行磷酸盐洗井，破坏钻井液残留滤饼。再进行高压喷射洗井，对近套管段进行彻底清理。然后通过拉活塞洗井，逐段疏通含水层。最后通过气举洗井，全面疏通全井。各洗井方式相辅相成，联合洗井才能达到最佳效果。

3.2 NM-01B井回灌井

NM-01B井井深1 201.48 m，为一开直井，采用大口径填砾成井工艺，揭露明化镇组热储厚度为871.48 m，发育砂岩段（水层）共有17层103.7 m，滤水管段对应井径为590 mm，滤水管管径为244.5 mm，滤水管下入长度为123.38 m，对应取水层有效厚度81.56 m，孔隙度介于26.98%~34.08%，渗透率介于（425.73~1 211.10）×10-3µm2，泥质含量介于3.33%~9.54%，单位涌水量为4.40 m3/（h·m）。

3.2.1 NM-01B井回灌试验

NM-01B 井进行了3 组回灌试验，各组持续时间分别为26、43、72 h，稳定时间分别达11、27、54 h，回灌流体为地热流体，供暖初期未换热至较低温度（图5）。

图5 天津市明化镇组NM-01B井回灌试验历时曲线Fig.5 Reinjection test curves of well NM-01B in Minghuazhen Formation,Tianjin

3.2.2 回灌能力对比

最接近NM-01B 井的同构造单元同层位地热井是NM-01 井。两眼井的地质条件几乎相同，井底距离为360 m。图6 为两眼井的井身结构对比，分别采用滤水管填砾和大口径填砾2 种工艺。从现场回灌试验可以看出，NM-01B 井的试验最大回灌量为32 m3/h，对应动水位埋深为17.35 m，回灌流体温度37 ℃。表1 列出了两眼井的回灌试验计算结果，从实际回灌的最大值来看，NM-01B井回灌能力远高于NM-01 井。但由于NM-01B 井成井井径和取水段有效厚度均大于NM-01 井，因此两眼井在最大稳定回灌量下所对应的回灌流体温度、动水位埋深也存在差异，为了便于对比分析，利用水位校正等相关推算公式将回灌流体温度统一校正至25 ℃、动水位埋深统一按10 m，对最大回灌量进行了重新计算，引入注水面积A注、单位注水面积回灌量q注物理量：

表1 天津市明化镇组NM-01井、NM-01B井回灌试验计算结果对比Table 1 Comparison between calculation results of re-injection tests between well NM-01and well NM-01B in Minghuazhen Formation,Tianjin

图6 天津市明化镇组NM-01井、NM-01B井井身结构对比示意图Fig.6 Schematic diagram comparing the well structure of Well-NM-01 and Well-NM-01B in Minghuazhen Formation,Tianjin in Minghuazhen Formation,Tianjin

式中：A注为注水面积，单位m2；r为井半径，单位m；h为取水段有效厚度，单位m。

式中：q注为单位注水面积回灌量，单位m3/h；A注为注水面积，单位m2；Q注为回灌量，单位m3/h。

根据对比结果可知，消除滤水管对应井径、取水段有效厚度差异的影响，NM-01B 井回灌能力是NM-01井的1.5倍；在此之上，消除回灌水温、动水位埋深差异的影响，NM-01B 井回灌能力是NM-01 井的1.87倍。

3.3 NM-02B回灌井

回灌井NM-02B和开采井NM-02组成采灌系统，两眼井的井底距离大于656 m。NM-02B井井深955 m，为一开直井，采用大口径填砾成井工艺。揭露明化镇组热储厚度673 m，发育砂岩段（水层）25 层145.7 m。滤水管段对应井径444.5 mm，滤水管管径244.5 mm，滤水管下入长度114.09 m，对应取水层有效厚度为65.74 m。孔隙度介于23.11%~39.12%，渗透率介于（342~2 413）×10-3µm2，泥质含量4.41%~14.96%。

3.3.1 NM-02B回灌试验

NM-02B 井进行了3 组回灌试验，各组持续时间分别为23、47、73 h，稳定时间分别达到22、20、48 h，回灌流体为地热流体，供暖初期未换热至较低温度。历时曲线见图7。

图7 天津市明化镇组NM-02B井回灌试验历时曲线Fig.7 Re-injection test curves of well NM-02B in Minghuazhen Formation,Tianjin

3.3.2 回灌能力对比

距NM-02B 井距离最近的同一构造单元同层地热井为NM-02 井。图8 为两眼井的井身结构比较，可见两眼井分别采用滤水管填砾和大口径滤水管填砾工艺，从表2 可以看出，NM-02B 井最大稳定回灌量是58.0 m3/h，对应动水位埋深17.63 m，回灌流体温度36.5 ℃。从实际回灌的最大值来看，NM-02B井回灌能力远好于NM-02井。

表2 天津市明化镇组NM-02井、NM-02B井参数对比Table 2 Comparison Comparison of parameters for Well-NM-02 and Well-NM-02B in Minghuazhen Formation,Tianjin

图8 天津市明化镇组NM-02、NM-02B井井身结构对比示意图Fig.8 Schematic diagram comparing the structure of wells NM-02 and NM-02B in Minghuazhen Formation,Tianjin

根据对比结果可知，消除滤水管对应井径、取水段有效厚度差异的影响，NM-02B 井回灌能力是NM-02井的2倍以上。

4 原因分析

明化镇组具有砂岩粒径小、砂岩胶结差、砂层薄和泥质含量高的特点。滤水管填砾成井工艺具有良好的挡砂效果，阻止了地层中游离砂进入井筒，避免在井筒内沉积，淤埋过水通道，减小过流面积，从而造成回灌能力下降。大口径填砾工艺在具备滤水管填砾成井工艺挡砂优点的基础上，扩大成井直径，增大了地热井成井后的过流面积。此外，钻井施工过程中，钻井液会在井壁形成滤饼，破壁后不能将滤饼完全清除出井内，对地层造成堵塞，降低渗透系数，钻井液配方优化和钻具组合优化减小了施工时钻井液的影响，减小堵塞，在钻井施工结束后，通过联合洗井的方式，将部分堵塞成分从地层中带出，疏通地层。这些共同作用下，实现了明化镇组储层回灌能力的提升。

5 结论

1）天津明化镇组储层成岩性差、胶结疏松、易出砂，采用滤水管填砾成井工艺，可有效保持地层稳定性并预防出砂，但回灌能力有待提升。

2）相比滤水管填砾成井工艺，大口径填砾成井工艺中成井套管直径增至244.5 mm，优化了钻具组合、钻井液和洗井方式，在预防出砂和保持储层稳定性的同时，降低了储层污染，增加了渗流通道。

3）两眼井应用了大口径填砾成井工艺，回灌能力分别提升了1.5倍、2倍以上，效果明显。