天津地區(qū)新近系地?zé)峄毓嗑煌昃に噾?yīng)用效果對(duì)比

王光輝，趙 娜，趙蘇民，高 亮，李嫄嫄

（1.天津市國(guó)土資源和房屋管理局地質(zhì)事務(wù)中心，天津 300042）（2.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250）

0 引言

天津地區(qū)地?zé)豳Y源主要分布在寶坻斷裂以南的廣大平原區(qū)（圖1），按開采熱儲(chǔ)可分為孔隙型和基巖裂隙型兩種。目前，基巖裂隙型熱儲(chǔ)的回灌率為100%，而孔隙型熱儲(chǔ)回灌量小且衰減嚴(yán)重，孔隙型熱儲(chǔ)回灌也是世界性難點(diǎn)［1－2］，極大地制約了新近系熱儲(chǔ)的開發(fā)。天津地區(qū)熱儲(chǔ)通過多年的回灌研究，認(rèn)識(shí)到完井工藝影響回灌井的回灌效果。本文旨在對(duì)比濾水管和射孔兩種完井工藝在新近系館陶組孔隙型地?zé)峄毓嗑膽?yīng)用效果。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

圖1 天津地區(qū)構(gòu)造分區(qū)圖Fig.1 Tectonic division map of Tianjin area

天津地區(qū)館陶組厚200～600m，一般分為館Ⅰ砂巖段、館Ⅱ泥巖段和館Ⅲ砂巖段3層。巖性以含礫砂巖為主，間夾厚度不等的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，底部常見暗色礦物較多的砂礫巖和礫巖，富水段巖性以中粗砂巖為主，孔隙率20%～33%［3－4］。館陶組在寶坻斷裂以南除在滄縣隆起的雙窯凸起、小韓莊凸起、潘莊凸起、王草莊凸起等構(gòu)造的高部位缺失外，均有分布。其沉積環(huán)境為準(zhǔn)平原化過程中的低彎河和辮狀河。

冀中坳陷的武清城區(qū)和黃驊坳陷的濱海新區(qū)為天津地區(qū)熱儲(chǔ)的集中開采區(qū)，主要熱儲(chǔ)層為館陶組，其底部為厚30～60m的底礫巖（礫徑多＞5mm，平均孔隙率20%），在塘沽區(qū)最為發(fā)育，厚度可達(dá)80m以上。館陶組特征：出水溫度45～86℃，單井涌水量一般40～120m3／h，礦化度一般1～2g／L（由北東向南西方向逐漸增加），水質(zhì)以Cl·HCO3－Na型為主，pH＝7.32～8.82。

2 濾水管完井工藝應(yīng)用情況

館陶組地?zé)峋酝话悴捎脼V水管完井工藝，其主要作用是濾水擋砂、支撐井壁。實(shí)際生產(chǎn)中，孔隙型地層地?zé)峋饕鶕?jù)砂巖的成巖性、膠結(jié)度、顆粒大小、滲透性等因素選擇濾水管［5］。濾水管的制作方式主要有套管表面打眼和濾水管外纏絲（單層或雙層）兩種。套管表面打眼的濾水管多用于砂巖致密膠結(jié)且長(zhǎng)期開采不會(huì)發(fā)生坍塌的地層，外纏絲的濾水管多用于膠結(jié)條件不好且容易出砂的粉細(xì)砂類地層。

20世紀(jì)80年代，地?zé)嵫芯繂挝辉谔凉羺^(qū)開展了館陶組回灌試驗(yàn)及回灌理論研究?；毓嘣囼?yàn)井完井工藝采用單層濾水管，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間263h，最大灌量86m3／h，最小灌量6m3／h。試驗(yàn)過程中出現(xiàn)回灌量嚴(yán)重衰減現(xiàn)象，推測(cè)其主因?yàn)闉V水管及其周圍熱儲(chǔ)層的物理和化學(xué)堵塞。

2002年，武清區(qū)建成YR9館陶組地?zé)峄毓嗑?。為避免懸浮顆粒對(duì)回灌通道的堵塞，YR9地?zé)峋褂秒p層籠式填礫濾水管（主要參數(shù)：內(nèi)纏絲間距0.7 mm，外纏絲間距0.5mm，石英砂礫徑0.8～1.2 mm，厚度10mm），完井后測(cè)得該井出水量為15～20m3／h。由于水量小，又進(jìn)行了射孔，出水量最終達(dá)到93.8m3／h。2005年1—3月，對(duì)YR9地?zé)峋M(jìn)行了供暖期生產(chǎn)性回灌試驗(yàn)，回灌水溫40～52℃，回灌量從49m3／h降至20m3／h，衰減明顯，加壓回灌效果也不理想，從而宣告試驗(yàn)失敗。

館陶組熱儲(chǔ)層地?zé)峄毓嗑捎脝螌訛V水管和雙層籠式填礫濾水管兩種完井工藝的試驗(yàn)結(jié)果表明，在回灌水處理工藝完善，且無物理及氣體堵塞的情況下，回灌量衰減明顯，回灌效果均未達(dá)到孔隙型地?zé)峄毓嗟睦硐肽繕?biāo)。

3 射孔完井工藝回灌效果

2008年，地?zé)嵫芯繂挝豢偨Y(jié)了以往館陶組地?zé)岬幕毓嘣囼?yàn)，確定以射孔方式作為館陶組地?zé)峄毓嗑昃に?。該工藝在廢棄石油井的實(shí)驗(yàn)初步取得良好效果后，于2011年開始被應(yīng)用于地?zé)峄毓嗑氖┕ぶ小?/p>

3.1 射孔完井工藝原理

射孔是指將射孔專用設(shè)備置入井下預(yù)定深度，射穿套管及套管水泥環(huán)直至地層，溝通井筒與含水層間流體通道的工藝技術(shù)。射孔器中的射孔彈引爆后，爆炸產(chǎn)生能量束擊穿套管、擊垮地層，當(dāng)能量束打到地層上，迅速在巖石的接觸面上形成高溫、高壓、高應(yīng)變率區(qū)域，使巖石迅速崩解、破碎，后續(xù)射流又將這些破碎物擠入地層，從而形成孔道［6］。根據(jù)射孔彈的結(jié)構(gòu)、地層巖石性質(zhì)，射孔彈穿出孔道長(zhǎng)度一般為幾厘米至幾十厘米，孔道直徑一般為幾毫米至十幾毫米。射孔工藝在油氣開發(fā)中已是比較成熟的技術(shù)［7－8］，該技術(shù)近年來被試驗(yàn)性應(yīng)用于孔隙型地?zé)峄毓嗑昃に囍?，效果較好。

在地?zé)峋┕ぶ谐２捎秒娎|輸送聚能式射孔技術(shù)。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：①射孔槍和射孔彈的種類多，能使用大直徑射孔槍和大藥量射孔彈，滿足高孔密、深穿透、大孔徑的射孔要求；②射孔定位快速、準(zhǔn)確；③電雷管引爆可靠性強(qiáng)；④作業(yè)簡(jiǎn)便快捷，能連續(xù)進(jìn)行多層射孔。在地?zé)峄毓嗑┕ぶ校ǔ＿x用直徑89mm射孔彈，直徑127mm的射孔器，射孔密度15～20孔／m，射孔螺旋式排列，一般射孔深度可達(dá)50cm以上地層。

3.2 塘沽區(qū)射孔工藝回灌研究

為研究不同完井工藝對(duì)館陶組的回灌效果，在塘沽地區(qū)選取了3個(gè)地?zé)峄毓嗑甌GR－28，TGR－29D，TGR－30，采用不同的完井工藝進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

（1）地?zé)峋艣r。TGR－28，TGR－29D，TGR－30等3個(gè)地?zé)峄毓嗑嗑噍^近（圖2），回灌井出水量100～118m3／h，水溫均為63℃；TGR－28與 TGR－30為直井，TGR－29D為定向井。根據(jù)測(cè)井解釋成果，這3個(gè)回灌井各項(xiàng)參數(shù)見表1［9］。

（2）地?zé)峋昃に?。地?zé)峄毓嗑甌GR－28，TGR－29D均采用電纜輸送聚能式射孔工藝成井，射孔器直徑102mm，射孔彈直徑12.7mm，射孔密度15孔／m。TGR－28射孔長(zhǎng)度87m，TGR－29D射孔長(zhǎng)度92.3m。

圖2 地?zé)峄毓嗑植紙DFig.2 Distribution of geothermal well for reinjection

TGR－30采用濾水管（梯形碳絲鍍鋅防腐篩網(wǎng)）成井，濾水管直徑177.8mm，孔徑14mm，孔隙率12%，纏絲間距0.5～0.7mm，濾水管長(zhǎng)度100.16m。

（3）回灌試驗(yàn)?；毓嗑ǔ珊?，回灌試驗(yàn)時(shí)，TGR－28地?zé)峋诜遣膳谶M(jìn)行，TGR－29D，TGR－30在采暖期進(jìn)行，均采用自然回灌的方式?；毓嘣囼?yàn)數(shù)據(jù)見表2，歷時(shí)曲線見圖3，圖4和圖5。

表1 地?zé)峄毓嗑畢?shù)Table 1 Parameters of reinjection of geothermal well

表2 回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Reinjection test data

圖3 TGR－28回灌試驗(yàn)歷時(shí)曲線Fig.3 Reinjection test curve of TGR－28

圖4 TGR－29D回灌試驗(yàn)歷時(shí)曲線Fig.4 Reinjection test curve of TGR－29D

按照《地?zé)岬刭|(zhì)勘查規(guī)范》要求，對(duì)3眼地?zé)峄毓嗑畢?shù)進(jìn)行計(jì)算，得出TGR－28最大理論回灌量為121m3／h，TGR－29D為114m3／h，TGR－30為35 m3／h。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的地質(zhì)及回灌水源條件下，塘沽地區(qū)射孔完井工藝比濾水管完井工藝的回灌效果好，為塘沽地區(qū)孔隙型地?zé)峄毓嗍介_發(fā)提供了較好的示范作用。

3.3 武清地區(qū)射孔工藝回灌研究

濱海新區(qū)孔隙型地?zé)峄毓嗳〉贸晒?，為檢驗(yàn)射孔工藝在天津市不同地區(qū)孔隙型熱儲(chǔ)的回灌效果，選擇武清區(qū)一對(duì)地?zé)峋囼?yàn)射孔采灌效果。回灌井井深1 978m（斜深），目的層為館陶組，測(cè)井成果顯示水層共7層，厚80.7m，孔隙度29.42%～36.70%，滲透率554.44×10－3～1 714.7×10－3μm2，射孔總長(zhǎng)度81m。于2012年12月10日進(jìn)行了回灌試驗(yàn)［10］，回灌方式為自然回灌，回灌溫度35℃，最大穩(wěn)定回灌量120m3／h，穩(wěn)定時(shí)間36h，穩(wěn)定動(dòng)水位埋深74～75m（圖6）。試驗(yàn)結(jié)束后，在供暖季進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)，回灌量128m3／h，動(dòng)水位70m左右，未出現(xiàn)回灌量衰減的現(xiàn)象。由此證明在武清地區(qū)開鑿射孔工藝的地?zé)峄毓嗑蓪?shí)現(xiàn)該地區(qū)地?zé)豳Y源的采灌平衡。

圖5 TGR－30回灌試驗(yàn)歷時(shí)曲線Fig.5 Reinjection test curve of TGR－30

圖6 武清地區(qū)地?zé)峄毓嗑毓嘣囼?yàn)歷時(shí)曲線Fig.6 Reinjection test curve of Wuqing geothermal well

4 原因分析

通過分析射孔完井工藝地?zé)峄毓嘣囼?yàn)效果，射孔完井工藝可實(shí)現(xiàn)孔隙型地?zé)?00%采灌，更適用于天津地區(qū)館陶組熱儲(chǔ)回灌。筆者認(rèn)為，影響孔隙型地?zé)峄毓嘈Ч脑蛑饕倾@井過程中對(duì)地層滲透率和泄流面積?，F(xiàn)有的地?zé)徙@井技術(shù)普遍使用黏土和添加劑配置鉆井液，鉆井液循環(huán)過程中因井筒內(nèi)的液柱壓力作用，通過孔隙滲入地層，并在井壁形成泥皮，堵塞滲流通道，影響地層孔隙度和滲透率，而現(xiàn)有的洗井工藝雖能將井壁表面的泥皮破壞并沖刷掉，但很難徹底清除滲入地層的泥漿。孔隙型地?zé)峋∷我话氵x擇滲透率比較好的幾個(gè)含水層成井，而這幾個(gè)含水層也是受鉆井液影響最大的地方。采用濾水管完井工藝，濾水管和取水層受到鉆井液的影響，造成泄流面積減小最終導(dǎo)致取水段的滲透率降低而影響回灌效果。

圖7 濾水管及射孔成井示意圖Fig.7 Sketch showing well completion of filter and perforation

射孔完井方式時(shí)，射孔彈進(jìn)入地層深度大，一般穿透鉆井液影響帶（圖7），保證了井筒和熱儲(chǔ)層的聯(lián)通性，射孔彈道內(nèi)壁成為泄流斷面，增加了泄流面積，起到增加地?zé)峋a(chǎn)能的作用，回灌水流在井筒壓力作用下，可沿著孔道順利進(jìn)入熱儲(chǔ)層，回灌效果較好。

5 結(jié)語

射孔技術(shù)應(yīng)用于新近系館陶組地?zé)嵬昃に?，?shí)現(xiàn)地?zé)峄毓嗔看?、回灌持續(xù)長(zhǎng)的試驗(yàn)效果，對(duì)天津市新近系地?zé)峄毓嗟难芯烤哂兄匾饬x，為孔隙型地?zé)衢_采提供了可靠的技術(shù)保證，對(duì)于周邊省市開展同類型試驗(yàn)研究具有示范作用。

總結(jié)兩種完井工藝回灌試驗(yàn)，在相同地質(zhì)條件下，孔隙型地?zé)峄毓嘈Ч芡昃に噷?duì)熱儲(chǔ)層滲透率的影響，鑒于此，筆者認(rèn)為，無論是射孔完井工藝還是濾水管完井工藝，只要解決了回灌井完井過程對(duì)熱儲(chǔ)層的影響，應(yīng)該都可以實(shí)現(xiàn)地?zé)衢_發(fā)利用的采灌目標(biāo)，這將是天津市地?zé)峄毓嘌芯康闹饕较颉?/p>

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