深井填礫工藝關鍵技術探討

景 龍,王彥靜,徐 樹,常林禎

(河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊,河北滄州 061000）

深井填礫工藝關鍵技術探討

景 龍,王彥靜,徐 樹,常林禎

(河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊,河北滄州 061000）

在河北平原新近系地熱井施工時采用填礫工藝具有防砂、穩(wěn)定孔壁的優(yōu)點,但具有一定的施工難度。通過實踐應用提出了管孔徑級配方案,總結(jié)了終孔替漿工藝,分析并論證了填礫數(shù)量計算方法、填礫速度的確定原則及靜水填礫方法的可行性。

地熱井;深井填礫;河北平原;新近系

河北平原區(qū)新近系熱儲膠結(jié)性差,以往采用非填礫工藝成井,經(jīng)過多年運行,部分較淺井含砂量增大,山西南部地區(qū)亦有類似現(xiàn)象[1],嚴重者井壁坍塌、產(chǎn)量降低[2～3]。

為克服上述弊端,近年來我們通過與兄弟單位合作,逐漸完善了深井填礫成井工藝。通過在河北、天津等類同地層的施工,工藝逐步成熟,可以在新近系成井中應用。

1 填礫工藝的優(yōu)缺點

1.1 填礫優(yōu)點

(1）礫料充填于濾水管與井壁的環(huán)隙中,對井壁具有支撐作用,從而平衡井壁與井管之間的力學狀態(tài)[4]。

(2）在濾水管與井壁之間形成人工過濾層,防止較松散地層中極細砂進入井筒,可有效控制管井含砂量(達到1/20萬以下）,延長井及附屬設備的使用壽命。

(3）填礫井孔徑增大,一定程度上增大了滲水面積,減少水力損失,可增大單井產(chǎn)量。

(4）填礫井的結(jié)構更適合回灌,可實現(xiàn)灌采雙重功效[3]。

1.2 施工難點

(1）為能夠順利填礫并形成一定厚度的過濾層,孔徑必須增大,給施工帶來難度,因此必須選擇合理的孔、管徑級配,保證普通鉆機裝備亦可成井。

(2）深井填礫最大的難題即為如何能夠保證礫料安全到位,因此必須控制填礫數(shù)量及填礫速度,選擇合理的填礫方法。

(3）由于孔徑較大,填礫成井后不利于洗井[2],合理控制替漿性能以簡化洗井工藝也是關鍵技術之一。

填礫工藝必須克服上述技術難題,才可以推廣使用。

2 管孔徑級配

管孔徑級配的優(yōu)化實質(zhì)是確定鉆孔與井管之間環(huán)隙大小,控制礫料厚度。環(huán)隙增大利于填礫,但給護壁、成孔帶來難度。填礫厚度的控制必須綜合考慮多方因素。

2.1 影響因素分析

2.1.1 防砂

就擋砂方面不少文獻提出了要求,認為只要礫石直徑與砂樣直徑選擇合理,填礫的最小厚度相當于礫料標準直徑的2～3倍時就能夠阻砂[5],直徑為4 mm的標準礫料為例填礫最小厚度不過15 mm;規(guī)范說明礫料厚度>25 mm即可有效擋砂[6]。由此可見控制礫料厚度>25 mm方可實現(xiàn)擋砂功能。

2.1.2 安全填礫

為預防孔壁不規(guī)則時影響礫料安全到位需要將孔、管徑間隙增大。規(guī)范要求單邊環(huán)隙>75 mm[6]。實際在施工中發(fā)現(xiàn),通過成井后期掃孔破壁等技術措施能夠保證孔壁平整,可避免砂橋風險,從而也可減小孔徑,降低千米以深地熱井施工難度。

2.1.3 施工難度

管徑一定時增大環(huán)隙即增大孔徑,但給施工帶來難度。施工時回轉(zhuǎn)扭矩增加,泵量要求增大,工期延長,成本增加。普通深井施工設備無法滿足要求,工藝推廣受限。

2.2 實用分析

2005年以來我們與一些兄弟單位合作,在滄州、天津順利完成5眼新近系填礫地熱井(見表1）。各井運行良好,含砂量均達到普通供水井要求。

表1 井結(jié)構數(shù)據(jù)表

由上述施工數(shù)據(jù)可見:

(1）只要下管填礫前井眼處理得當,填礫工藝合理,保證上部第四系松散段最小環(huán)隙>100 mm、下部>55 mm完全可保證礫料安全通過。

(2）這種管孔徑的級配保證了一定的填礫厚度,實現(xiàn)了擋砂功能。

(3）從施工能力分析,常規(guī)鉆機可以滿足施工要求,工期及成本相差不大。

(4）從增產(chǎn)的角度分析,增大井徑實現(xiàn)增產(chǎn)是有局限的。以我隊近年來在滄州市區(qū)施工的4眼井為例擬合涌水量曲線(見圖1）,各井施工機械、地質(zhì)條件基本相同的情況下,采用大孔徑填礫工藝較常規(guī)小孔徑(245 mm）非填礫工藝出水能力明顯增加;然而同樣采用填礫工藝的R3-1井較R6井孔徑增大,涌水量增加了45%,但R3-1井施工效率(日均成井深度）僅為R6井的57%,成本明顯增加。取涌水曲線與效率曲線的交叉點對應孔徑(D點）作為最優(yōu)孔徑,可見取水層孔徑達到300 mm(D點）左右時(牙輪鉆頭選311 mm）是合理的。

圖1 孔徑-效率、涌水量相關圖

2.3 管孔徑級配

綜上分析,以常用的石油套管為例,采用兩級井管的成井結(jié)構(見圖2）并確定管孔徑級配(見表2）,這與河南千米填礫地熱井孔身結(jié)構[7]相近。

圖2 填礫成井結(jié)構示意圖

表2 管孔徑級配表

3 替漿

3.1 替漿方法

填礫井中管外環(huán)隙大,泥漿充填礫料孔隙中,一般占組合顆?？傮w積的40%左右。高粘度泥漿將產(chǎn)生較大的內(nèi)摩阻力,洗井時需要增大臨界壓力方使空隙中泥漿流動并排出。可見控制替漿性能可簡化洗井工藝。因此替漿時保證井壁穩(wěn)定的前提下應力求降粘。

我們在下管前泥漿的調(diào)整分成除屑和降粘兩個階段。

(1）第一階段除屑,配合破壁完成。在幾級擴孔及破壁的過程中,泥漿中含有大量的巖屑且性能不均。此時必須替入優(yōu)質(zhì)泥漿,將孔內(nèi)巖屑徹底排出。泥漿性能調(diào)整主要方向是適當控制泥漿粘度,保證懸浮力,配合固控設備(振動篩、旋流除砂器）提高排屑效率。建議性能參數(shù)為:粘度22～23 s,密度1.15 kg/L左右,失水量<8 mL/30 min,含沙量< 015%。循環(huán)2周以上巖屑基本清除時可提鉆探孔。

(2）第二階段降粘,配合探孔完成,是替漿的關鍵。探孔到底循環(huán)泥漿時少量漸入清水降低密度,同時可將探孔過程孔壁脫落巖屑及泥皮排出,此時建議控制泥漿性能達到:粘度20 s左右,密度1.15～1.10 kg/L。此時要控制清水漸入量,粘度變化不宜太快,循環(huán)一般不少于3周。該工序結(jié)束要進行短起,短起后再行降粘,此時向泥漿中增大清水漸入量,并定時測泥漿密度及粘度,一般循環(huán)2周后將泥漿性能調(diào)整為:粘度17 s左右,密度<1.10 kg/L。然后可提鉆下管。

3.2 實用分析

以社熱2、DG51R井降粘過程為例(見圖3）分析。社熱2井在降粘階段分成兩個步驟,第一步循環(huán)3周粘度由27 s降至18 s,短起后循環(huán)2周由19 s降至16.5 s結(jié)束,下管完井后采用泵抽洗井6 h即達到水清砂凈。DG51R井在第一步由于井筒泥漿不均,循環(huán)6周粘度由27.8 s降至18.5 s,短起后由20 s降至17 s,最終該井亦采用抽水洗井10 h達到水清砂凈。由于合理降低了粘度,最終采用簡單的泵抽洗井法即將含水層及礫料徹底洗通。

圖3 泥漿粘度調(diào)整歷時線

由上述泥漿調(diào)整過程可見:根據(jù)地層特征,河北平原區(qū)填礫地熱井替漿粘度降至17～16 s是可行的,從而簡化了洗井工藝,這與河南部分地區(qū)的做法相近[8]。從圖3看出,各井降粘擬合線基本為漸變,因此要保證泥漿性能漸變且要掌握好循環(huán)周期,否則替漿不均將影響成井質(zhì)量[9],DG51R井先期泥漿質(zhì)量略差,歷時線變幅較大,通過增長循環(huán)周期,最終成井也取得了較好效果。

4 填礫

4.1 礫料數(shù)量確定

礫料規(guī)格選擇可參照普通供水管井的方法,但數(shù)量確定有所差異。關于礫料數(shù)量的計算參考規(guī)范[6]稍作修改見下式:

式中:V——礫料數(shù)量,m3;Dk——填礫段井徑,m; Dg——過濾管外徑,m;L——填礫段長度,m; V裸——裸孔段體積(見圖2）;α——附加系數(shù)。

關于α取值須特別說明:α的產(chǎn)生主要由于礫料運輸損失、鉆孔超徑、礫料在環(huán)隙下沉過程中的孔壁粘接等原因造成。深井中礫料通過有限的環(huán)狀間隙與孔壁時有碰撞,在具有泥皮的孔壁上易于粘結(jié),填礫數(shù)量越多,粘結(jié)量越多。以直徑311 mm鉆孔為例,1000 m鉆孔壁總面積接近1000 m2,礫料的粘接量不容忽視,這也是深淺井礫料量計算之別。

以我們填礫井實際礫料使用量分析(見表3）:較深井(社熱2）或大徑鉆孔(R3-1）孔壁面積較大,礫料粘結(jié)量大,使α達到1.5以上;而孔徑相對小、深度相對淺的井(R6、DG51R）也達到1.3～1.4。據(jù)此現(xiàn)場礫料應以1.5～1.8的數(shù)量準備,較普通供水管井的礫料有所增加。

表3 填礫數(shù)量統(tǒng)計表

4.2 填礫速度控制

為保證礫料在濾水管對應位置不產(chǎn)生分選、填礫過程不產(chǎn)生架橋現(xiàn)象,須控制填礫速度,否則可能影響填礫質(zhì)量,以下逐一進行分析。

4.2.1 分選效應分析

河北平原新近系熱儲顆粒分選具有差異性,實現(xiàn)擋砂礫料須具有一定級配。填礫時粒徑不同的礫石在沖洗液中的沉降速度是不同的。如果投入速度過快,大礫已充填而小礫還未到位,造成大徑顆粒在下而小徑顆粒在上的分選性,長距離下沉的深井中尤為明顯[2]。為此必須測算各級顆粒到達井底時間,使用下式[4]:

式中:v——礫料在靜止沖洗液中的下沉速度,m/s; K——礫料顆粒的形狀系數(shù),對于球形顆粒K= 5111,不規(guī)則顆粒K=2.5～4,我們使用定廠家的礫料經(jīng)現(xiàn)場試驗取3.5為宜;d——礫料粒徑,m; ρ1——礫料密度,選擇石英礫石時為2.65 g/cm3; ρ——完井液密度,通過現(xiàn)場測出,一般在1.10～1.05 g/cm3之間,計算時取均值1.07 g/cm3為宜。利用上式可初步測算出不同粒徑礫料在完井液的下沉速度,以求得礫料到達井底時間。

為容納最初沉入井底的大徑礫石,須在井管串底部預留一定體積的裸孔段(成孔而不下管）來沉淀。由于顆粒不均,比較大小礫到達濾水管底界的時間差來控制填礫速度。使用如下公式:

式中:q1——填礫速度限量,m3/h;V——濾水管底部可容礫料的體積,m3,包括沉淀管處環(huán)隙體積和預留裸孔段體積(俗稱“口袋”）,裸孔段還具沉淀殘余巖屑的作用,巖屑沉淀按照施工經(jīng)驗以孔深的5‰計取;t1——最小礫料顆粒到達時間,h,t=H2/v; H2——濾水管串底界深度,m;ti——其它各級礫料顆粒到達時間,h,ti=H2/vi;vi——各級礫料在沖洗液中的下沉速度;ni——各級礫料對應的體積含量,%,據(jù)顆分試驗取得。

4.2.2 砂橋效應分析

假設井壁穩(wěn)定,如投入的礫料(或封填材料）速度太快,使投入量大于其通過環(huán)隙的能力,礫料堆積于最窄環(huán)隙處可能產(chǎn)生自鎖而形成砂橋(見圖4）,在不穩(wěn)定段架橋現(xiàn)象更易出現(xiàn)[10],為此須控制礫料在環(huán)隙中的流通量。取該處間隙尺寸的1/4為經(jīng)驗系數(shù)控制填礫速度,顆?？砂踩ㄟ^而不產(chǎn)生擠密現(xiàn)象:

式中:q2——填礫速度限量,m3/h;v2——礫料中最小顆粒在完井液中的下沉速度,m/h,由式(1）計算; S——最小環(huán)隙面積,m2,一般為管箍處。

圖4 礫料架橋示意圖

4.2.3 實用分析

采用上述分析方法,在R6、社熱2、R3-1、DG51R井施工中按照式(3）、(4）計算值與實際對比可見:由于實際填礫速度均未超過計算填礫速度限量(見表4）,因此施工中未出現(xiàn)砂橋現(xiàn)象;含砂量亦未超標,可確定礫料安全到位,無分選現(xiàn)象。

綜合分析,從避免分選及砂橋效應出發(fā)確定填礫速度是可行的,根據(jù)計算可知:

(1）由于預留裸孔段長度之別造成了分選限速(q1）的差異,因此控制裸孔段的長度對填礫地熱井具重要意義:裸孔段不但可以沉淀泥漿中的殘留巖屑及稠漿以簡化洗井工藝,對減弱礫料的分選效應更顯作用,因此在許可條件下應力求增大裸孔段,但這將增大施工成本,綜合分析1500 m以淺的填礫地熱井,保持q1=q2條件下反推裸孔段長度宜控制在40 m左右較合理。

(2）砂橋效應限速q2比較固定,只要確定了管孔徑級配便可確定,一般178 mm/311 mm(管徑/孔徑）的級配填礫限速在7～8 m3/h,該限值與施工經(jīng)驗接近,其它封填材料投入速度的控制亦可以式(4）進行校核。

4.3 填礫方法

普通供水管井采用的填礫方法主要有靜水填礫、動水填礫、抽水填礫[4]等,也有特殊的導管填礫法[11]。在深井中,采用動水填礫分選加劇;抽水填礫容易孔壁失穩(wěn),產(chǎn)生砂橋;導管填礫要求環(huán)隙足夠大,深井使用受限。

表4 填礫速度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4.3.1 基本原理

在填礫過程中,隨著礫料的均勻投入,環(huán)隙泥漿在礫料的沖擊下形成活塞效應,使井管內(nèi)外水柱產(chǎn)生壓差,迫使泥漿通過濾水管沿井管向上逐漸流出管外。隨著孔內(nèi)礫料高度增加,礫料逐漸埋沒濾水管,井口返漿量漸少,流速由急變緩。當?shù)[料全部埋沒濾水管時,井口停止返漿,以此核算填入量和理論計算量。這種填礫方法實際也有抽水填礫的功效,由于環(huán)隙流體速度較低,減少了抽水填礫的安全隱患;同時通過井口返漿情況能判定填礫的進度及安全性。既使在社熱2井(成井深度1886 m）中應用,填礫質(zhì)量亦可保證[3]。

4.3.2 工藝流程

(1）下管后井口安裝排漿三通,排漿管引出保證不回流;

(2）按照設計速度進行填礫,并觀測井口返漿量,填礫一般為2人于井口鐵鍬連續(xù)均勻投入;

(3）井口及時補充稀泥漿,保證不缺水;

(4）井口返漿明顯減小時停止填礫,待礫料密實下沉封井口泵壓檢驗(泵壓升高環(huán)隙穩(wěn)定不返水時礫料到位）;

(5）井管內(nèi)下鉆到底泵入清水替漿;

(6）泵抽洗井管外液面未下降驗證投礫到位,投粘土球止水。

5 結(jié)論

(1）合理的管孔徑級配是成井的前提,保證管孔環(huán)隙在松散層段達到100 mm以上,填礫段達到55 mm以上是可行的;從施工難易程度及增產(chǎn)角度分析目的層選擇311 mm的孔徑是合理的。

(2）終孔替漿也是成井的關鍵環(huán)節(jié),采用除屑、降粘的調(diào)整方法逐步降低粘度,可簡化洗井工藝。

(3）深井填礫數(shù)量較淺井有所增加,附加系數(shù)α宜控制在1.3～1.7,最終要進行泵壓檢驗。

(4）填礫速度的控制是施工中的重要技術措施,以分選效應和砂橋效應為出發(fā)點確定的填礫速度可以保證填礫質(zhì)量。

(5）靜水填礫方法可行,礫料可安全到位。

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D iscussion on Key Technology of Gravel-filling for Deep W ell/J

ING Long,WANG Yan-Jing,XU Shu,CHANG Lin-zhen(No.4 Team of Hydrogeology and Engineering Geology,Hebei ProvincialBureau of Geo2exploration andMineralDe-velopment,Cangzhou Hebei 061000,China）

In the construction of geothermalwell in neogene in Hebei plain,gravel-filling technologywas adopted with the advantages of sand control and borehole wall stability.Based on the practice,the paper put forward the gradation scheme for pipe diameters,summed up themud replacement technology and analyzed the calculationmethod for gravel-filling quan-tity,principle of gravel-filling speed and the feasibility of static water gravel-filling.

geothermalwell;gravel-filling in deep well;Hebei plain;neogene

TE249

:A

:1672-7428(2010）10-0051-05

2010-09-10

景龍(1978-）,男(漢族）,河北懷安人,河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊地熱鉆井公司副經(jīng)理,探礦工程、水文地質(zhì)專業(yè),從事巖心鉆探、地熱鉆井工程、水文地質(zhì)施工技術及管理工作,河北省滄州市新華區(qū)冷凍廠東街,jing_longd@163.com。