射孔技術在孔隙型地熱回灌井中的應用

賈 志，張芬娜，楊忠彥，彭紅晶，趙 娜

(1.天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250;2.中國地質大學(北京)，北京 100083)

近年來，為了解決孔隙型地熱回灌的問題，已有不同學者從成井工藝、回灌工藝等多種方式進行了探討[1－6]。從已有回灌情況來看，采用常規(guī)成井方法的孔隙型熱儲地熱井，回灌能力普遍較差。射孔技術是作為石油行業(yè)的關鍵技術，可以節(jié)約大量資金，且施工工藝簡單，同時也能改變地熱井目的層無水只能報廢的現狀，其在地熱開發(fā)中的已被成功應用[7]。如果充分發(fā)揮射孔技術的優(yōu)勢，是否可以在孔隙型熱儲的回灌方面取得突破呢?我們就這一設想在濱海新區(qū)進行了試驗，試驗結果表明回灌效果良好，完全達到了預期的目標。

1 濱海新區(qū)地質及地熱熱儲特征

1.1 地質特征

天津地區(qū)地處Ⅰ級構造單元華北地臺北緣，以寧河－寶坻斷裂為界分為北區(qū)和南區(qū)。北區(qū)屬Ⅱ級構造單元燕山臺褶帶的次一級(Ⅲ級)構造單元薊寶隆褶區(qū)，南區(qū)屬Ⅱ級構造單元華北斷坳區(qū)。南區(qū)為平原區(qū)，區(qū)內包括一隆兩坳，即滄縣隆起、冀中坳陷和黃驊坳陷三個Ⅲ級構造單元。Ⅲ級構造單元上發(fā)育的Ⅳ級構造單元凸起、凹陷的延伸方向和較大斷裂的走向均呈北北東(NNE)向，形成雁行式相間排列的構造格局。濱海新區(qū)在區(qū)域上位于南區(qū)Ⅱ級構造單元華北斷坳區(qū)的東南部[8]。區(qū)內發(fā)育的主要斷裂有北北東向的滄東斷裂帶和北西西向的海河斷裂、漢沽斷裂等 (見圖1)。

1.2 熱儲特征

濱海新區(qū)目前主要開采的熱儲層是新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組[9]。

1.2.1 新近系明化鎮(zhèn)組熱儲層特征

明化鎮(zhèn)組熱儲層是濱海新區(qū)埋藏最淺的熱儲層，在整個濱海新區(qū)普遍分布，按熱儲層特征將其分為上、下兩個熱儲段:

1)明化鎮(zhèn)組上段熱儲:富水段巖性以中細砂巖為主，揭露頂板埋深為310～606 m，厚度為 137～876 m。分布規(guī)律為西部較薄至東部逐漸加厚。單井涌水量40～75 m3/h，靜水位埋深為52～80 m，水溫30℃ ～35℃。

2)明化鎮(zhèn)組下段熱儲:富水段巖性為粉細砂巖夾中砂，揭露頂板埋深610～1 363 m，厚度為154～875 m，分布自西向東逐漸加厚。單井涌水量40～80 m3/h，水溫35℃ ～50℃。

1.2.2 新近系館陶組熱儲層特征

館陶組熱儲層位于明化鎮(zhèn)組熱儲層之下，在隆起區(qū)的高凸起部位缺失，其余地區(qū)均有分布，按其特征將館陶組熱儲分上、下兩個熱儲段:

1)館陶組上段熱儲:巖性以粉細砂巖為主，其中夾有3～4層泥巖和砂質泥巖，揭露頂板埋深1 129～1 806 m，厚度為19～349 m，西部薄至東部逐漸加厚。單井出水量為40～90 m3/h，水溫 45℃ ～60℃。

2)館陶組下段熱儲:上部巖性以粉細砂巖為主;中部以中細砂巖為主;底部普遍發(fā)育單層厚度為30～60 m的礫巖。揭露頂板埋深1 245～1 900 m，厚度100～150 m。單井涌水量為 60 ～120 m3/h，水溫 60℃ ～77.5℃。

圖1 斷裂構造圖

2 孔隙型熱儲地熱井傳統(tǒng)成井工藝特點

成井工藝是地熱井施工中最為重要的一環(huán)，由于所處的地質構造和熱儲層巖性不同，需采用不同的井身結構和成井方法[10]，以保證投產之后地熱井的產量穩(wěn)定和井眼穩(wěn)定。在天津地區(qū)孔隙型熱儲地熱井主要的成井方法有:包網纏絲濾水管成井和大口徑纏絲濾水管填礫成井[11－12]。

2.1 包網纏絲濾水管成井

優(yōu)點:鉆孔口徑小，鉆進效率高，鉆進過程中容易控制井壁穩(wěn)定，水泥止水效果好。

缺點:不適用于膠結差、粒度細的砂巖儲層。

問題:由于濾水管外環(huán)空靠儲層坍塌而形成的濾層混有鉆井泥皮、鉆屑等雜物，會堵塞濾層的孔隙，增加水阻，影響出水量，回灌效果不理想。

適宜性:該工藝適用于砂層膠結較好，顆粒較粗的地熱井開采井。

2.2 大口徑纏絲濾水管填礫成井

優(yōu)點:管外環(huán)空形成人工濾層，在濾層保證質量的前提下，可以有效增大導流面積，減小水阻，很好的保證出水量和出色的防砂效果。

缺點:要保證礫料順利投送到位，要求鉆孔直徑大，濾層有一定的厚度，需進行一級或多級擴孔工作，鉆進工作量大，成本高，鉆井深度大，成井風險就大。

問題:維護孔壁穩(wěn)定難度大，施工風險高，對于深井礫料投送難度大，隨著鉆孔深度的加大，保證填礫質量的難度也隨之加大。

適宜性:該工藝常應用于較淺的地熱井施工中。

3 射孔成井

射孔技術就是將射孔器用專用儀器設備輸送到井下預定深度，對準目的層引爆射孔器，穿透套管及水泥環(huán)，構成目的層至套管內連通孔道的一項工藝技術。在孔隙地熱井施工中一般采用電纜輸送聚能式射孔技術。當聚能射流打到地層上，迅速在與巖石的接觸面上形成高溫、高壓、高應變率區(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，從而形成了射孔孔道，同時對孔道的四周的巖石進行了壓實。根據射孔彈的結構，地層巖石性質，射孔彈穿出孔道長度一般在幾厘米至幾十厘米[13]。孔道直徑一般在幾毫米至十多毫米。

4 回灌試驗

為研究不同成井工藝對新近系熱儲的回灌影響，本次選擇天津某地采用不同的完井工藝的兩眼地熱井，進行回灌試驗效果的對比[14－15]。

4.1 地熱井基本情況

DR－1、DR－2井位于的天津東疆港東南部，距天津市區(qū)約60 km，對地熱井影響較大的有滄東斷裂、海河斷裂和漢沽斷裂(見圖2)。兩井均成井于新近系館陶組，井口距離約550 m，地熱井詳細參數見表1。

表1 地熱井參數

4.2 回灌試驗分析

根據井口溫度及溫度損失的經驗值，此次將 DR－1、DR－2井回灌試驗均以熱儲溫度70℃作為統(tǒng)一溫度對試驗觀測數據進行校正。

4.2.1 DR －1地熱井回灌試驗

DR－1回灌試驗于2011年8月5日開始，至8月15日結束，持續(xù)時間183.6 h，累計回灌量11 029 m3，最大瞬時回灌量87 m3/h?；毓嘣囼灇v時曲線見圖3。

圖2 井位圖

圖3 DR－1井回灌歷時曲線圖

從圖3可以看出 1 165～2 485 min，2 705～5 315 min、5 395～9 515 min三個階段回灌量和動水位均較穩(wěn)定，試驗成果見表2。

表2 DR－1回灌試驗成果表

4.2.2 DR －2地熱井回灌試驗

DR－1回灌試驗于2013年6月24日開始，至6月28日結束，持續(xù)時間約98.5 h。DR－1地熱井回灌試驗過程中，最大瞬時回灌量101 m3/h，回灌試驗歷時曲線見圖4。

圖4 DR－2井回灌歷時曲線圖

從圖4可以看出1 410～2 370 min，2 434～3 790 min和3 818～5 905 min三個階段回灌量和動水位均較穩(wěn)定，試驗成果見表3。

4.2.3 回灌試驗熱儲水文地質參數計算

本次采用公式(1)、公式(2)和公式(3)來計算注水滲透系數K注和導水系數T注的。

式中:K注為注水滲透系數(m/d);P為熱儲層吸收率(m3/d·m2);Q注為注水量(m3/d);s升為水位回升值(m)。

計算結果見表4。

表3 DR－1回灌試驗成果表

表4 計算結果表

假設兩井回灌流體溫度均為70℃時，且回灌熱儲層流體場已趨于穩(wěn)定，S升取50 m，根據公式(7)可得 DR－1和 DR－2允許回灌量分別為 109.89 m3/h和 496.71 m3/h。

試驗結果表明，在相同的地質及回灌水源條件下，射孔成井回灌效果要優(yōu)于濾水管成井。理論上允許可灌量比較大，實際回灌中，考慮到該井的實際運行情況，受賈敏效應、優(yōu)質水流、水巖作用及其固體顆粒、微生物堵塞影響[16]，實際可持續(xù)回灌量可能會要比理論計算值小一些。

5 分析

通過兩眼井的回灌試驗結果可以看出，在相同的地質及回灌水源條件下，射孔成井回灌效果要優(yōu)于濾水管成井。理論上允許可灌量比較大，但在實際回灌中，考慮到地熱井的實際運行情況，受賈敏效應、優(yōu)質水流、水巖作用及其固體顆粒、微生物堵塞影響，實際可持續(xù)回灌量可能會要比理論計算值小一些。

圖5 天津地區(qū)新近系館陶組熱儲層開采、回灌量及回灌率多年統(tǒng)計圖

截止到2013年底，天津地區(qū)共有新近系地熱井135眼，其中明化鎮(zhèn)組地熱井66眼，館陶組地熱井79眼[17]。明化鎮(zhèn)回灌井有6眼，每年僅有0.89×104m3的回灌量，回灌率仍不到1%。館陶組熱儲年開采總量為 628.28×104m3，比2012年度的747.66×104m3減少了 119.38×104m3;館陶組回灌井有26眼，但目前還在進行回灌的僅有12眼，年回灌總量為 62.17×104m3，比 2012年度的 26.52×104m3增加了 35.65×104m3。回灌率為 9.90%，較 2012年的3.55%有較大幅度的提高(見表5)。

由表5中數據可看出，新近系熱儲整體回灌率偏低，最大僅為9.90%，基本小于5%。從圖5可以看出，在2009年回灌量及回灌量明顯比前幾年要大，這主要是從2009年開始，孔隙型地熱井成井工藝開始大規(guī)模采用射孔成井工藝，部分井回灌能力達到100%。

但由于在儲層回灌過程中易發(fā)生水敏、速敏等作用，會引起儲層物性變化。隨流體運移距離的增加，壓力減小，固體顆粒逐漸沉淀或被捕獲，堵塞孔隙，滲流阻力增大，滲透率降低，使地熱流體回灌能力減弱于原有的一些地熱井回灌效果不好，而造成整體回灌井較少，故而影響了整體回灌量。隨著這幾年對孔隙型熱儲回灌的重視，采用射孔成井工藝陸續(xù)施工了十多眼館陶組地熱回灌井，無論是回灌量及回灌率都有了明顯的提升。目前天津地區(qū)孔隙型地熱回灌井僅有12眼回灌井還在正?；毓?，其中射孔成井的有9眼，濾水管成井的有3眼，回灌量最大為126 m3/h，且射孔成井的回灌井回灌量明顯高于濾水管成井的(表6)。

表5 天津地區(qū)新近系館陶組熱儲層多年采、灌量統(tǒng)計表

表6 天津地區(qū)孔隙型地熱回灌井一欄表

6 結語

通過對射孔成井的回灌效果總結可以看出，射孔成井后的孔隙型地熱井回灌量基本在60 m3/h以上，完全可以滿足尾水回灌的需求。這說明利用射孔成井工藝完井的地熱回灌井，回灌能力更優(yōu)于傳統(tǒng)成井工藝完井的地熱井。與傳統(tǒng)成井工藝相比，射孔成井工藝對地層的擾動更少，可以精確地完井于目的熱儲層，因此它更適用于易出砂儲層、實施壓裂改造儲層以及實施注水開發(fā)儲層。本試驗目前還僅局限于館陶組地層，其它地層，如明化鎮(zhèn)組地層等是否可行，還有待研究。目前射孔技術之所以還沒有被廣泛應用，就是因為對其適用的地質條件和應用效果認識不充分。同時射孔技術中尚有許多理論屬于探索完善階段，如孔道涌水機理，射孔技術中如何優(yōu)化配參，如何進行有效防砂等。

[1]Goyal K P.Injection recovery factors in various areas of the Southeast Geysers[J].California，Geothermics，1995，24，(2):167 － 186.

[2]Geyal K P.Injection related cooling in the unit 13 area of the Southeast Geysers[J].California，Geothermics，1999，28，(1):3 － 19.

[3]程萬慶，林建旺，林黎，等.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].天津.中國:天津地熱勘查開發(fā)設計院.2005.

[4]林建旺，趙蘇民.天津地區(qū)館陶組熱儲回灌量衰減原因探討[J].水文地質工程地質.2010，37(5):133 －136.

[5]孫寶成，林黎，程萬慶，等.天津市地熱資源開發(fā)潛力評價成果報告[R].天津:天津地熱勘查開發(fā)設計院.2008.

[6]曾梅香，李會娟，石建軍.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.

[7]李永狀，茍紅彬，賈蘭鳳.射孔技術在地熱資源開發(fā)中的應用[J].工程勘察.2002，3:26 －28.

[8]衛(wèi)鵬飛，張翠芬，等.天津濱海新區(qū)新構造分區(qū)與地震活動[J].華北地震科學.1999，17(2):52 －58.

[9]胡燕，林黎，孫寶成，等.天津市濱海新區(qū)地熱資源可持續(xù)開發(fā)潛力評價報告[R].天津地熱勘查開發(fā)設計院.2008.

[10]孔令珍，張新福，王榮生，等.地熱井成井技術研究[J].地下水.2011，33(2):106 －108.

[11]馬忠平，龐海，王艷宏，等.天津地區(qū)地熱鉆井及成井技術[J].探礦工程(巖土鉆掘工程).2008，12:9 －11.

[12]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.

[13]王光輝，趙娜，趙蘇民，等.天津地區(qū)新近系地熱回灌井不同完井工藝應用效果對比[J].地質找礦論叢.2013，28(3):481－485.

[14]張芬娜，石峰，劉贊，等.天津東疆保稅港區(qū)金融貿易服務中心TGR－38D、TGR－39D地熱對井勘探報告[R].天津:天津地熱勘查開發(fā)設計院.2013.

[15]趙娜，宗振海，高新智，等.天津東疆保稅港區(qū)金融貿易服務中心TGR－31、TGR－32D地熱對井勘探報告[R].天津:天津地熱勘查開發(fā)設計院.2011.

[16]趙蘇民，程萬慶，張偉，等.新近系砂巖熱儲地熱回灌堵塞問題的剖析[J].地熱能.2013，6:7－12.

[17]田光輝，宋美鈺，劉東林，等.2013年度天津地熱資源開發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測年報[R].天津:天津地熱勘查開發(fā)設計院.2013.