地热井洗井及增产工艺技术探讨

摘要:本文从地热井钻探过程入手,分析了钻井过程中时含水层通道的污染因素,系统总结了地热井的洗井工艺和流程、水层改造增产技术及变更设计增产技术,在地热钻井中的应用。
 
  关键词:地热打井;水层污染;洗井方法;水层改造;增产工艺
 
  引言
 
  依据地热井工程项目的一般施工工艺流程,地热井施工可分为开工准备、钻探、洗井、抽水试验及供水建设阶段,洗井是地热井工程的重要分部工程之一川。对于水资源勘探,洗井又是水井钻探的重要成井工艺过程。
 
  随着钻探设备能力、地热开发深度和广度的不断发展,地热井钻探深度一般达千米以上,很多地区钻探三四千米才能得到品位较高的地热资源。由于热储含水层埋藏较深,钻井施工周期长,泥浆液注压力大,钻井液、岩屑等外源物质对含水层产生较强的污染堵塞作用,造成洗井困难。若洗井工艺技术选择不合适,造成地热井出水量小,甚至无利用价值而报废,导致投资商和承包商数百万元的直接经济损失。
 
  1地热井的一般井孔结构
 
  地热井一般相对较深,在北京地区的成井深度通常在2000一4000m。为了降低成井风险,一般较深的地热井设计成四开井段的井孔结构。
 
  在具体施工过程中,每开井段均预留一径套管,主要目的是为了防止在施工过程中因套管破损而需再次下入小一径的套管,并且要不影响下入正常钻具施工。
 
  “一开”为表层套管井段(泵室段),口径须保证抽水泵钓外径要求,深度设计应考虑水位及其下降速率等因素;“二开”与“三开”为技术套管井段,用以封隔漏层和低温水层,同时也起到封固地层破碎坍塌的作用;“四开”为取水目的层井段,致密完整的地层通常采用裸眼过滤器完井。对于相对较为破碎的地层一般可下人套管过滤器完井,滤水管的内径不应过小,须满足施工钻具的顺利下入,同时,过小的过滤器直径也会影响地热井的产水量。
 
  2地热井的施工周期
 
  地热井的施工周期,依施工难易程度不同有所不同。
 
  通常对于致密基岩地层,深度2000一4000m的地热井,一般施工周期4一8个月。有些地热井因井孔事故及施工本身的原因,施工周期持续一年多。其中,在“四开”取水目的层井段出现粘钻、卡钻、坍塌等事故情况下,常采取调高泥浆粘度进行护井壁,采用泡酸、泡油等方法进行解卡,用堵漏剂进行堵漏,有时处理时间持续几个月,同时也相应会造成含水层通道的严重堵塞,增加了洗井工序的难度。
 
  水顶漏钻进,但如果钻井液消耗量太大或沉砂太多,又不能提前完井或水泥永久封固时,用堵漏剂临时堵漏是必然的选择。地热井堵漏剂一般有果壳、贝壳、蛙石、云母、锯末等。为了节省钻井费用和施工便利,一般采用锯末进行临时堵漏。由于木屑与酸不反应,且遇水膨胀,所以当采用锯末堵漏时,常需要增加洗井次数,才能达到增大出水量的目的。
 
  3地热井的钻探方法
 
  一般地热井钻探采用正循环全面钻进、泥浆钻井液方法。钻井液通常添加有机材料,以提高泥浆性能,保证顺利高效钻进。钻井泥浆与洗井要求是一对矛盾体,使用较高粘度的泥浆,能够提高钻井井壁的安全性,但同时泥浆也易沉淀在井壁,堵塞含水层通道,造成洗井相对较为困难。
 
  岩屑污染
 
  当钻遇相对较大的孔隙或裂隙时,在泥浆强漏或顶漏钻进时,大量的岩屑将同钻井液进入到含水层的孔隙或裂隙中,充填堵塞孔隙或裂隙。如果岩屑在孔隙、裂隙中充填紧密或有些岩屑与酸反应很弱,很难将裂隙中的岩屑清除干净。
 
  4钻井工程对含水层通道的污染因素分析
 
  地热井出水量的大小不但与地层本身的富水性有关,还与洗井工艺有直接关系。当遇到出水量偏小现象时,必须了解钻井的水文地质条件,客观地分析原因。应特别关注洗井方法及工艺是否不当,造成地热井出水量小,甚至报废。
 
  总之,钻探施工对含水层的污染因素主要有钻井液、堵漏剂、岩屑、柴油、水泥等方面,影响程度与施工周期、钻井液及堵漏剂成分有关。
 
  固井水泥污染
 
  在固井过程中,由于封隔塞失效,水泥浆进入到含水层的井段,意外造成含水层封固,使井孔出水量明显偏小或不出水。这种情况是常规洗井方法所不能解决的,需采用射孔结合加压酸化洗井,效果会较为理想。
 
  柴油污染
 
  地热井一般深度相对较大,粘钻和卡钻事故经常发生,通常采用浸泡柴油、原油的方法进行解卡,柴油、原油会对含水层造成一定的污染。
 
  钻井液污染
 
  钻井液主要是由膨润土配制成的泥浆,粘土的主要成分是硅酸盐,本身的稳定性很强。钻进时泥浆一方面在井壁形成固化的泥皮,另一方面会以渗漏形式进入含水层的孔隙裂隙中,从而堵塞含水层。为了保证泥浆携带岩屑的能力,泥浆液注的压力一般高于含水层的压力,当钻遇孔隙裂隙时,常常出现泥浆强漏不返。受诸多方面因素的制约,地热钻井施工很难应用平衡或欠平衡钻进工艺,泥浆渗漏现象在目前地热钻井中是不可避免的普遍现象。洗井难易程度,一方面与钻井的施工周期有关,施工周期越长,泥皮的固化程度越高,越难清洗干净,从而影响出水量;另一方面与泥桨密度有关,泥浆密度越大,漏失量越大,从而渗透进入含水层中越远,洗井越难清洗干净。
 
  2洗井工艺技术和流程
 
  1洗井目的
 
  成井工艺是指探井、换浆、安装井管、填砾、封闭以及洗井、抽水试验、采集水样等工序的总称,因此,洗井是成井工艺的一个承前启后的关键工序。地热井有裸眼和滤水管两种过滤器完井方式。为了最大限度地获取地热水,地热井一般都要经过简单或复杂的洗井工艺,并采用多种洗井方法。特殊的情况下一种洗井方法多次重复使用,使地热井的水量、水温达到设计或合同指标的要求,同时尽量达到最佳水量及水温,工程项目质量合格,最后经抽水试验和采集水样化验,通过水量和水质检验。
 
  堵漏剂污染
 
  当钻遇大的溶洞或裂隙时,短时间可采用泥浆或清2洗井方法及流程。
 
  地热井同水井一样,一般洗井方法有喷射洗井、压2008柯柏林等:地热井洗井及增产工艺技术探讨第3卷第1期缩空气洗井、多磷酸盐洗井、水泵抽水洗井、酸化洗井、液态二氧化碳洗井、活塞洗井、压水洗井、综合洗井卜4]等。
 
  作者根据自身多年的钻井施工经验,总结了地热井的一般洗井工艺流程。
 
  井口返液基本不含砂岩屑为止。多磷酸盐洗井结束后应进行压缩空气洗井。
 
  完井结束
 
  喷射洗井
 
  多磷酸盐洗井压水洗井
 
  喷射洗井洗井化碳洗活塞洗井酸化洗并报书仆砖洲压缩空气洗井压缩空气洗井111压缩空气洗升压缩空气洗月水泵抽水洗井尸l水泵抽水洗井曰l水泵抽水洗井尸}水泵抽水洗井压缩空气洗井。
 
  地热井压缩空气洗井一般采用石油钻井行业的高压高排量的空气压缩机,常用空气压缩机的能力为10m3/1SOkg。采用反冲洗的作业方法,风管采用钻杆,下入深度一般500一1000m。压缩空气洗井产生间断喷流的出水方式(水量大时连续出水),喷流高度可达几m至十几m,井中的水柱上下振荡幅度几百m,几百m水柱压力的瞬间释放有助于含水层的疏通出水。根据出水持续时间和间断时间的比例!可估算地热井的出水能力。压缩空气洗井结束后,1一般采用水泵抽水洗井和试水。
 
  抽水试验
 
  喷射洗井
 
  地热井完井工序结束后,要连续进行喷射洗井,用泥浆泵注清水稀释置换泥浆。有些地热井由于各种原因,停待很长时间没有及时换浆,给后续洗井工作带来较大的困难。换浆过程中,要用侧喷冲井器喷射井壁,扰动解除在钻探过程中孔壁上粘结的泥皮,主要含水层井段要增加喷射次数。一般换浆和喷射洗井从下向上进行,取水井段喷射洗井结束后,将侧喷冲井器下至井底继续清水换浆,直到井口返液较清和基本不含泥砂为止。喷射洗井结束后连续进行多磷酸盐洗井;岩溶裂隙很发育的地热井,可接着进行压缩空气洗井。
 
  水泵抽水洗井
 
  水泵抽水洗井选用流量和扬程合适的潜水泵
 
  通过水泵大排量抽水洗井,有助于快速排净井中的泥浆和细岩粉,达到水清砂净(符合含砂量标准)。
 
  同时水泵抽水还能准确知道地热井的出水量和温度,为下一步制定洗井方案或进行抽水试验提供依据。水泵抽水洗井只能达到水清砂净的目的,对增加出水量影响很小,但长时间抽水可提高一定的出水温度。如果出水量达不到要求,下一步洗井一般采用酸化洗井或再次进行多磷酸盐洗井。
 
  多磷酸盐洗井
 
  多磷酸盐洗井的原理就是泥浆中的钙(CaZ+)镁(MgZ+)离子与多磷酸钠盐发生络合作用,形成水性络离子,破坏泥皮的固体结构成为液体泥浆状态,使井壁的泥皮得以清除。生产中常用的多磷酸钠盐有焦磷酸钠(Na4p4O7)、六偏磷酸钠(Na(pOZ)。)和三聚磷酸钠(Na5P3OI。)。洗井液的配制浓度一般不小于l%,钻进周期长、泥浆密度大及固相含量高时,应选用较高浓度的洗井液。洗井液注入一般从井底上返置换取水井段中的浆液。洗井液一般在井中浸泡24小时。24小时后应进行喷射洗井,返出的洗井液要再用泥浆泵打回井中,反复喷射三遍以上,最后从井底用清水置换全部药液,直至酸化洗井。
 
  对碳酸岩盐含水层,尤其是岩溶不很发育的白云岩,酸化洗井对地热井的增产是十分有效的,地热井几乎都要进行酸化洗井。洗井一般采用浓度31%左右的工业盐酸,盐酸与碳酸岩盐、泥浆反应剧烈。盐酸洗井一方面酸液进入孔隙或裂隙与岩石反应,使空隙得以增大,提高水流渗透条件;另一方面盐酸还能与孔隙或裂隙中的岩屑和泥浆等污染物反应,疏通空隙流道,恢复含水层的原始渗透能力。实践中一般注酸井段方案为:?当为了提高出水量,在没有强漏井段时,可采用一次全部含水层井段充满酸液;?当为了提高出水量,在有强漏井段时,可采用分段对全部含水层充满酸液;?当出水量已达到满意要求,想要提高温度,采用深部高温含水层井段充满酸液。为了提高洗井效果,盐酸洗井一般与液态二氧化碳洗井、压缩空气洗井联合使用[6];对于非碳酸岩盐(如砂岩、砾岩、火山岩等)含水层,可采用土酸(盐酸、氢氟酸(7:3))洗井,氢氟酸能有效溶解石英、硅酸岩类l5],盐酸能溶解岩石中的方解石脉及碳酸岩盐胶结物,其机理与盐酸洗井相似。
 
  液态二氧化碳洗井
 
  对于几千米深的地热井,液态二氧化碳不能凭借自身的液压(7MPa)自动压进深部井中,需要配合泥浆泵的高压水流同步携带液态二氧化碳。液态二氧化碳在注人井中的过程中,形成的高压混合流对井壁泥皮和孔隙裂隙中的堵塞物有冲刷扰动作用,井喷后液态二氧化碳瞬间气化,将携带的泥浆、岩屑(块)等污染物喷出井口,疏通了孔隙裂隙的通道。同时井内形成负压,含水层内的水快速流入井中,将通道中的堵塞物冲刷干净。
 
  地热井液态二氧化碳注入后需要空气压缩机气举引喷。
 
  目前,随着空气压缩机能力的提高,地热井一般用压缩空气洗井替代液态二氧化碳洗井,工艺简单,成本低、效率高。
 
  程中,发现压力突然降低,连续注水量约SO0t,再配合盐酸洗井,日出水量由180t增加到600t,最终水量达到了合同要求。分析原因是漏失的泥浆和岩屑严重堵塞了裂隙通道。
 
  综合洗井
 
  地热井洗井实践中,上述各种洗井方法基本不单独使用,一项洗井工艺流程只有几种洗井方法组合在一起使用,才能形成一个完整的洗井作业程序。每个程序水泵抽水洗井结束获得准确的水量和水温结果,为制定下一个洗井程序或进入抽水试验阶段提供依据。如喷射一多磷酸盐一压缩空气一水泵联合洗井;多磷酸盐一喷射一压缩空气一水泵联合洗井;压缩空气一水泵联合洗井;酸化一液态二氧化碳一压缩空气一水泵联合洗井;酸化一压缩空气一水泵联合洗井;活塞一压缩空气一水泵联合洗井;活塞一水泵联合洗井;压水一酸化一压缩空气一水泵联合洗井等。
 
  活塞洗井
 
  活塞洗井在地热井洗井中应用较少。由于地热井深度大,一般认为活塞引起的井水振荡作用对深部含水层的影响能力较弱。活塞洗井主要应用于地层富水性较差的地热井,十余眼地热井活塞洗井的经验表明,水量一般能增加20%一30%。受钻机设备的提升能力限制,活塞洗井主要实施在“一开”井段(北京300m士),活塞最深下到过“二开”井段深度1000m。活塞与钻杆连接,行程受钻塔高度限制,一般20m左右。为了增加活塞的行程,提高振荡幅度,个别地热井活塞与钢丝绳连接,但改装工艺较复杂,钻机负荷和磨损很大。地热井单次活塞洗井一般持续2一3天,钻机刹车片太热时要停待降温或更换,因活塞磨损严重要及时更换胶皮。活塞洗井对井壁坚固程度较差的岩石(如砾岩、薄互层岩层)有一定的破坏作用,裸眼过滤器完井造成井壁掉块堵塞井孔,一般不会造成井壁岩层的坍塌。活塞洗井后可进行压缩空气洗井或水泵抽水洗井检验洗井效果。
 
  3水层改造增产工艺技术
 
  采油工程技术的发展,大大推动了地热井水层改造工艺技术的进步。油层改造工艺技术!,一7]可应用于地热资源的开发利用。与上述洗井方法相比较,水层改造工艺技术是借助人工外力使岩层产生新的孔隙、裂缝或增加天然裂隙的规模。地热井已应用的水层改造工艺技术有压裂改造技术和射孔改造技术。
 
  压水洗井
 
  压水洗井在地热井洗井中的应用较成功的案例很少。
 
  其机理是密封井口(或分隔器密封),用泥浆泵及钻杆向含水层高压注入清水,水流冲动裂隙中的堵塞物,同时对裂隙和岩石有一定的破裂作用。例如北京地区某地热井,在应用多种常规洗井方法反复洗井几个月效果不明显情况下,最后采用压水洗井方法进行洗井,在压水过1压裂改造技术。
 
  压裂改造技术就是依靠机械设备和一定的技术工艺对岩体施加强大的外力,使岩体沿一定方向产生人工裂缝。岩体经过压裂改造,致密岩体产生了新生裂缝,原有裂缝增加了规模,提高了含水层的裂隙率(孔隙度)和渗透率,有助于提高地热井的产水量。据美国洛斯阿拉莫斯国家实验室EE一3号井水力压裂试验资料,压裂井段3474一3584m,注入压力4lMPa,注入水量75903m3,岩体产生破裂南北70Om,东西12om,深度方向500m[8]。
 
  由于压裂改造技术工艺技术复杂,实施成本昂贵,同时一般地热井的成井工艺难以达到压裂工艺要求,目前在地热井高压压裂方面应用很少。即使有些地热井实施了该项技术,但由于工艺简化、压力较低,增产效果不大。
 
  地热井压裂改造技术常与酸化洗井联合使用一酸化压裂。
 
  压裂改造技术对油层改造的成功经验表明,该项技术对地热井洗井及增产工艺技术探讨第3卷第1期地热井方面的应用将会越来越好。
 
  2射孔改造技术
 
  射孔改造技术作为石油钻井的一项主要完井手段,已得到广泛的普及和应用。近年来,射孔改造技术已引进应用到地热钻井领域[0]。地热井应用射孔技术基本选择在非设计目的层的技术套管井段。当设计含水层水量难以达到要求时,一般选择对地热井浅部技术套管井段的含水层射孔补水。地热井射孔技术与油井相同,在地层条件相同条件下,射孔效果取决于射孔密度、孔径及射孔器的穿深能力。大部分地热井在经一次或几次射孔补水后出水量都有较大的提高,达到了设计或合同的要求。
 
  射孔改造技术在水泥污染方面也得到了非常成功的应用。北京某地热井,井深3349m,含水层岩性为灰岩和白云岩,裸眼过滤器完井,取水段2383一3349m。洗井过程中发现270m处套管重叠段水泥封固失效且出少量黑水。实施水泥“戴帽”封固过程中,分隔塞不慎失效,水泥浆(1.909/cm,)下窜到了裸眼取水井段,再次水泵试水发现水量由以前的82m3/h下降到抽水几分钟就断流,说明水泥浆渗漏封固了含水层。最后经过采用射孔一盐酸一压裂一压缩空气一水泵抽水联合洗井工艺。射孔总长18m,共234个孔,孔径10Inlll。盐酸浓度31%,用量20t,打压最高至16MPa,空气压缩机气举18小时,经水泵抽水洗井出水量恢复到76m丫h,取得了较好的效果。
 
  射孔技术工艺比较简单,操作简便,成本较低,在地热钻井项目中已得到了广泛应用。
 
  合分析含水层的地层岩性、发育程度、深度以及地层温度等情况,最后确定技术套管的下人深度。(l)目的层的富水性和温度分析能够达到要求时,技术套管就下在预留变径深度;(2)目的层的富水性较好,而温度达不到要求时,预留技术套管井段需要加深扩孔后再下入技术套管;(3)目的层富水性较差,技术套管井段温度较高且有含水层时,技术套管可采用挂管工艺变浅套管下入深度;(4)目的层的富水性很差,需要加深工艺技术时,一般根据加深长度多少、井孔的安全性及成井风险等因素决定技术套管的下入时间和深度。后期成井法工艺技术在实践中取得了较好的效果,大大降低了地热井的成井风险。
 
  加深工艺技术
 
  加深工艺技术就是目的层的富水性很差或温度较低时,通过增加钻井深度期望获得新的含水层和较高的地层温度。加深前要深入分析地质条件的可能性,否则又增加了风险成本和钻井成本。加深可在设计终孔后分析水量、水温很难达到要求时进行,或经过洗井后水量、水温达不到要求(有时投资方会理解让步接受)时进行。实践中加深工艺技术应用普遍,地热井的产能技术指标都能得到一定程度的增加。
 
  4变更设计增产工艺技术
 
  有些地热井由于钻进过程中发现实际地质条件与设计不一致,常出现地层时代或地层层序与设计有重大差异,层位深度较设计变浅或变深,设计目的层富水性不均或很差等情况,应该及时调整或变更设计成井工艺。
 
  很多地热井由于变更设计达到了设计或合同的水量、水温要求。地热井常用的变更设计增产工艺技术有后期成井法工艺技术、加深工艺技术和侧钻工艺技术。
 
  3侧钻工艺技术
 
  侧钻工艺技术常应用在被迫处理钻进施工事故。本文侧钻工艺技术是指地热井在增产方面的主动应用。由于侧钻工艺技术复杂,施工风险大,成本较高,在地热井增产方面很少应用。北京某地热井井深3512m,取水井段2647一3512m,经两个月多种常规洗井方法反复洗井,出水量300m3/d,水温64℃,达不到600m3/d合同要求,最后决定实施侧钻工艺技术。侧钻斜孔井深2695一3llsm,平均方位150’,稳斜井孔顶角18’30’,水平位移110m。最终直孔和斜孔共同出水,水量628m3/d,水温73℃,达到了合同要求,降低了地热井项目的经济风险。
 
  后期成井法工艺技术就是不按设计成井程序成井,“三开”技术套管井段钻进结束后,不按设计程序下入套管,而是变径继续“四开”目的层井段钻进,至设计终孔深度或中间深度。根据钻探录井和物探测井资料,综结语。
 
  地热是清洁和可再生的自然资源,集热能、矿物及水资源三位于一体,作为清洁能源家族中的一员,对能源补充和保护环境起到越来越重要的作用。