濱海新區(qū)西部館陶組回灌井填礫成井工藝的應用分析

江國勝，王光輝，趙娜，黃賢龍，沈健

（1.天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津，300250；2.天津市國土資源和房屋管理局地質事務中心，天津 300042）

濱海新區(qū)西部館陶組回灌井填礫成井工藝的應用分析

江國勝1，王光輝2，趙娜1，黃賢龍1，沈健1

（1.天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津，300250；2.天津市國土資源和房屋管理局地質事務中心，天津 300042）

為了解決以往成井工藝存在的新近系儲層回灌堵塞問題，根據熱儲條件，濱海新區(qū)西部25#地熱回灌井采用大口徑管外填礫的成井工藝。在施工重點工序上，一方面為了減小熱儲層的水流阻力，提高回灌量，25#回灌井采用下管前的破壁洗井和填礫前的正循環(huán)管外洗井，破壞井壁泥皮和清除滲入熱儲層中的稠泥漿，使過濾器周圍形成一個良好的人工過濾層；另一方面總結以前填礫經驗和教訓，25#回灌井采用動水填礫，有效避免了填礫過程中的礫料膨脹與搭橋現象，保證了填礫安全到位。25#回灌井成井后進行了科研性回灌試驗和生產性回灌試驗，最大穩(wěn)定灌量達66 m3/h，穩(wěn)定動水位埋深71.37 m，回灌效果良好，而且后期回灌運行穩(wěn)定，進一步驗證了填礫成井工藝有利于回灌。

地熱；館陶組回灌井；填礫成井工藝；破壁洗井；回灌試驗；濱海新區(qū)

天津地區(qū)新近系熱儲層的回灌研究工作始于1982年，實質性的回灌試驗于1995年冬季供暖期間在塘沽區(qū)新近系館陶組熱儲層進行，此后陸續(xù)在不同地區(qū)開始了不同熱儲類型、不同方式和目的的回灌研究。由于不能實現供暖期的正?；毓噙\行，導致回灌工作一直處于停滯狀態(tài)?；毓噙B續(xù)時間較短、回灌率偏低、灌量衰減明顯是困撓孔隙型熱儲層回灌工作快速發(fā)展的主要原因[1]。自2001年開始，在基巖回灌取得經驗的基礎上對新近系熱儲層回灌井成井工藝及地面水質控制系統(tǒng)進行了大量的研究和試驗工作，主要采用單層濾水管和雙層濾水管成井結構，并進行對井回灌開采生產性試驗，試驗方式主要為自然回灌，并嘗試了加壓回灌，系統(tǒng)地分析了時間與水位、回灌量、回灌溫度的變化關系，得出在自然回灌狀態(tài)下水位與溫度呈正相關變化，而水位與灌量呈負相關變化，研究認為成井工藝是決定成敗的關鍵因素之一[2-4]。

目前天津地區(qū)館陶組熱儲層主要采用三種成井工藝單層過濾器成井工藝、填礫成井工藝和射孔成井工藝。近年來，射孔成井工藝已成功應用于天津市濱海新區(qū)和武清區(qū)館陶組回灌井中，穩(wěn)定回灌量達到100 m3/h以上，回灌效果良好。濱海新區(qū)西部與中東部的地質條件存在一些差異，館陶組砂巖熱儲層厚度相對較薄，且結構較松散[5]，不適宜采用射孔成井工藝，因此，該區(qū)館陶組熱儲層主要采用單層過濾器成井工藝和填礫成井工藝，而實踐表明采用單層過濾器成井工藝回灌效果不太理想。為了解決新近系回灌井堵塞、回灌量連年遞減、熱儲水位逐年下降等問題，濱海新區(qū)西部25#回灌井采用填礫成井工藝。筆者將從該回灌井的成井工藝入手，通過對成井后回灌試驗的數據分析和后期運行實踐，研究該工藝在砂巖地熱回灌井中的應用效果。

1 區(qū)域地質背景

濱海新區(qū)西部位于山嶺子地熱田內，構造位置處于滄縣隆起之潘莊凸起東南邊緣的滄東斷裂帶附近，東與北塘凹陷相鄰，熱儲條件主要受滄東斷裂與海河斷裂控制（圖1），基巖頂板埋深約1300～1500 m。附近發(fā)育主要斷裂構造有滄東斷裂和海河斷裂。

滄東斷裂，形成于中生代印支—燕山期構造旋回，總體走向北北東（NNE），傾向南東東（SEE），傾角為30～48°。該斷裂縱貫山嶺子地熱田，區(qū)域上被

北西向的斷裂所切割，是本區(qū)東部的一條區(qū)域性控制斷裂。斷裂東盤普遍發(fā)育古近系，而西盤則古近系缺失，表明其對新生界古近系沉積控制作用強烈。

海河斷裂，是白塘口凹陷與潘莊凸起的分界線。該斷裂原為左旋平移斷層，后期作用中表現有拉張性質，屬基底正斷層，走向北西西，基本沿海河分布，呈帶狀發(fā)育，傾向南南西，傾角40～60°，地層落差400～800 m，斷點埋深1400～1700 m。

2 館陶組熱儲層特征

根據已有地熱鉆井成果資料，濱海新區(qū)西部館陶組熱儲層頂板埋深1100～1300 m，厚度200～300 m。熱儲分為上粗段、中細段和下粗段。

館陶組上段：厚度100～150 m。巖性為灰綠、灰白色厚層細砂巖夾棕紅色薄層泥巖?？紫抖燃s為31.5%～32.96%，滲透率在（869.58～1101.1）× 10-3μm2之間。

館陶組中段：厚度約50 m左右。為上段與下段的隔層，以厚層灰綠色泥巖為主，夾薄層灰色泥質砂巖?？紫抖葹?7.85%～33.01%，滲透率在（535.96～1140.0）×10-3μm2之間。

如表1所示，從字符來看（見表1），特朗普政府的《報告》提及中國的次數最多，中國（China）在高頻詞排序中占位也最為靠前。與之前《報告》不同的是，中國在報告中被提及33次，并被定義為美國利益的“競爭對手”（competitor）和“修正主義者”（revisionist）。在所占總字符比方面，小布什政府《報告》的涉華比重最大，但是高頻詞排序占位卻位居第二，說明2002年的《報告》對外部實體表述較多，但是中國在外部實體中并沒有占首要地位。綜上所述，特朗普政府《報告》最重視中國在美國國家安全戰(zhàn)略中的地位及其所扮演的角色。

圖1 濱海新區(qū)西部25#井附近基巖地質圖Fig.1 Geo logica lMap o f bed rock nea r the w e ll

館陶組下段：厚度約100 m。上部為含礫砂巖，下部灰白色底礫巖，磨圓度差，結構松散，夾少量薄層泥巖?？紫抖?9.67%，滲透率139.85×10-3μm2。

濱海新區(qū)西部25#回灌井利用整個館陶組成井，成井深度1362.39 m，出水量107 m3/h,水溫76℃，水化學類型為Cl·HCO3－Na型，礦化度1726.2 mg/L，pH值7.57[6]。

3 25#回灌井填礫成井工藝

3.1 回灌井井身結構

回灌井井身結構為一開，采用擴孔鉆進[7]。

泵室段：采用φ500 mm三牙輪鉆頭鉆至346.18 m，然后采用φ600 mm鉆頭擴孔。

下部井段：先采用φ311 mm鉆頭鉆進至1362.39 m，為減輕鉆具扭矩采用二次擴孔，第一次采用φ400 mm牙輪拼裝擴孔鉆頭擴孔至孔底，第二次采用φ450 mm牙輪拼裝擴孔鉆頭擴孔至孔底，最后為保證孔徑、清除取水段泥皮，換用φ460 mm牙輪拼裝擴孔鉆頭劃孔至孔底。

完井后全井一次下管，套管串組合：φ219.1 mm沉砂管×4.75 m＋φ219.1 mm反沖濾水管×6.8 m＋φ

3.2 回灌井填礫與止水

填礫：圍填礫料是增大過濾器及其周圍有效孔隙率，減少地下水流入過濾器的阻力，增大鉆井出水量，防止涌砂，延長地熱井使用壽命的重要措施。25#回灌井所填礫料選用粒徑為1.5～5 mm均質磨圓度近似圓形分選較好的優(yōu)質石英砂（圖3）。填礫時采用動水填礫，共計填入龍口石英砂60 t（37.5 m3），礫料頂面超過濾水管頂部40 m，以防止礫料下沉影響成井質量[8]。

止水：為隔離鉆孔所貫穿的透水層或漏層帶，封閉有害和不用的含水層進行止水作業(yè)。止水選用粘土球和紅土，在過濾器頂板上40 m處開始投入粘土球，粘土球投入量50 t，然

后回填紅土至井口封閉。

圖2 25#回灌井井身結構示意圖Fig.2 The schematic diagram o f casing p rogram o f the 25#we ll

3.3 回灌井洗井

下管前的破壁、替漿是填礫井施工的關鍵程序，直接影響成井質量和成井后的回灌效果。為使含水層暢通，提高回灌效果，本次采用下管前“破壁洗井”與下管后填礫前“正循環(huán)管外循環(huán)洗井”的洗井方法（圖4），徹底清除井內泥漿，破壞井壁泥餅，抽出滲入儲層中的泥漿和細小顆粒，使過濾器周圍形成一個良好的人工過濾層。

表1 25#地熱回灌井井身結構一覽表Table 1 Schedu le o f casing p rog ram o f the geotherma l recharge we ll

圖3 回填礫料Fig.3 Filled G rave l

圖4 填礫前正循環(huán)管外循環(huán)洗井示意圖Fig.4 Be fo re fill in the g rave l positive circu la ting pipe outside o fWash we lls sketch map

洗井時利用大港油田10 m3150 MPa空壓機及水泥泵氣水混合聯合洗井，風管下深1346 m，經歷

11.5 h的連續(xù)洗井，剛開始排出的氣水混合體攜帶有殘存泥砂出井，然后水體逐漸干凈，最后水清砂凈。

表2 25#回灌試驗基本數據表Table 2 25#in jection test data sheet

4 回灌試驗

25#回灌井成井后進行了兩組回灌試驗。第一組回灌試驗自2010年9月10日開始，至9月28日結束，累計持續(xù)回灌432.5 h，累計回灌量18 624 m3，恢復水位24 h，回灌前靜水位埋深97.67 m，對應液面溫度40℃。第二組回灌試驗自2010年11月24日開始，至12月6日結束，歷時286 h，累計回灌量14 536 m3，試驗過程中除偶爾出現水量不夠中斷回灌外一直持續(xù)進行，除去中斷時間實際有效回灌時間244 h，回灌前靜水位埋深97.47 m，對應液面溫度40℃。回灌試驗參數見表2，歷時曲線見圖5和圖6。

圖5 25#第一組回灌試驗歷時曲線圖Fig.5 25#The firstgroup in jection test lasted curve

5 填礫成井工藝的應用分析

25#回灌井采用大口徑填礫成井工藝（表3），其回灌試驗結果表明回灌效果良好。在回灌水源不足的情況下，該井回灌試驗時最大穩(wěn)定灌量為66 m3/h，回灌水溫度48℃，穩(wěn)定動水位埋深71.37 m，穩(wěn)定時間20 h，由于穩(wěn)定動水位較低，還具有很大的回灌潛力。歷年回灌監(jiān)測數據（表4）表明，該井在后期的冬季供暖回灌運行穩(wěn)定，2012年度累計回灌量達11.4萬m3[9]。針對25#的成功回灌，其成井工藝有如下特點：

25#回灌井采用大口徑（φ460 mm）成井和動水填礫，增大過水斷面面積、增大回灌能力。采用動水填礫能使礫料順利填入指定位置，防止搭橋和井壁

坍塌[10]。25#采用破壁與正循環(huán)管外循環(huán)洗井，抽出滲入含水層中的泥漿和細小顆粒，使過濾器周圍形成一個良好的人工過濾層，以提高回灌效果。

圖6 25#第二組回灌試驗歷時曲線圖Fig6 25#second group in jection test lasted curve

表3 25#成井工藝參數表Table 3 25#w e ll com p le tion techno logy pa ram e te r tab le

表4 25#歷年回灌監(jiān)測數據表Table 4 The in jection monitoring data tab le over the years

6 結語

濱海新區(qū)西部25#為館陶組砂巖儲層回灌井，熱儲頂板埋深1124 m，厚度238 m。該回灌井采用大口徑施工，開孔口徑φ600 mm，終孔口徑φ460 mm，濾水管直徑219.1 mm，回灌儲層環(huán)狀間隙達120.45 mm，增大了過水斷面面積，同時采用管外填礫的成井工藝，減小水流阻力，再采用破壁洗井與正循環(huán)管外洗井工藝，回灌試驗和后期運行數據反映回灌效果良好，實踐證明采用大口徑填礫成井工藝有利于回灌。因此，在孔深較淺（一般＜1500 m）且儲層膠結較差的砂巖地熱回灌井中可以考慮首選大口徑填礫成井工藝。

本文的分析只是基于25#回灌井進行的。如果需要更深入地研究大口徑填礫成井工藝在砂巖地熱回灌井中的適用性，還需在不同地區(qū)、不同深度范圍內投入相應的研究工作。

[1]曾梅香，李會娟，石建軍，等.新近系熱儲層回灌井鉆探工

藝探索[J].地質與勘探，2007，43（2）:88-92.

[2]天津地熱勘查開發(fā)設計院.天津地區(qū)中低溫地熱田孔隙型熱儲回灌試驗階段報告[R].2005，31-39.

[3]林黎，王連成，趙蘇民，等.天津地區(qū)孔隙型熱儲層地熱流體回灌影響因素探討[J].水文地質工程地質，2008，125-128.

[4]林建旺，劉小滿，高寶珠，等.天津地熱回灌試驗分析及存在問題[J].河南理工大學學報，2006，25（3）:200-204.

[5]王連成，林黎，林建旺，等.天津市濱海新區(qū)館陶組熱儲回灌技術集成及示范研究[R].2011，48-54.

[6]江國勝，田宗寶，王連成，等.天津市新近系回灌減排技術改造工程總結報告[R].天津地熱勘查開發(fā)設計院.2010， 6-9.

[7]鮑衛(wèi)和，馬忠平，高寶珠，等．新近系回灌井井身結構及施工工藝研究[R]．天津地熱勘查開發(fā)設計院，2007，22-28

[8]景龍，楊永明，常林禎，等.任丘市首眼填礫地熱井施工工藝[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）.2009，36（7）:28-32.

[9]天津地熱勘查開發(fā)設計院.2012年天津地熱回灌開采系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測年報[R].天津地熱勘查開發(fā)設計院，2012.

[10]楊凱，劉文清.粉細砂地層快速鉆進成井工藝的研究[J].西部探礦工程，2002，增刊（001）:282-283.

Application of Gravel-packed Comp letion Technology of Guantao GeothermalReinjection W ell in theW estern BinhaiNew A rea

JIANG Guo-sheng1,WANGGuang-hui2,ZHAONa1,HUANG Xian-long1,SHEN Jian1

(1.Tianjin GeothermalExploration DevelopmentDesigning Institute,Tianjin,300250,China;
2.Tianjin Bureau of Land,Resourcesand Real Estate M anagement,Center of Geology,Tianjin,300042,China)

In order to solve the clogging problems of reinjection well in Neogene geothermal reservoir,the drilling technology of gravel-packed completion technology outside the casing in large diameterwell is taken in 25# reinjection well according to geothermal reservoir conditions in the Binhai New Area.For reducing flow resistance of the thermal reservoir and improving recharge amount,thewell flushing for broken themud wall before casing installed and directwell flushing outside the casing before gravel-packedmethod was adopted,which can damage themud wall and clean out the viscousmud that have got into reservoir,so that the filter is formed a good artificial filter layer.And the dynam ic water filling gravelwas taken into the drilling of 25#,based on theexperiences before,which can avoid gravel expansion and bridging phenomenon to ensure the gravel-packed in place.The reinjection and production tests have carried out separately.It indicates that themaximum recharge amount is 66m3/h and the stablewater level is 71.37m.The testachievesa good reinjection effect.The operation of the system is running steady.This is a good verification thatgravel-packed completion technology couldmake geothermal reinjection in sandstone reservoireasier.

geothermal;Guantao formation reinjection well;gravel-packed completion technology;well flushing;reinjection test;Binhainew area

P314.1;P641.25

A

1672－4135（2014）02－0149-06

2014-02-18

天津市濱海新區(qū)館陶組熱儲回灌技術集成及示范研究（國土房任[2009]27號）

江國勝（1982-）男，水工環(huán)工程師，工程碩士在讀，主要從事地熱地質、鉆井地質和地熱回灌方面的工作，Email: jgs_1982@163.com。