中低溫地熱井鉆井完井工藝技術研究與實踐

王培義， 馬鵬鵬， 張賢印， 楊 衛(wèi)

(中國石化新星石油有限責任公司,北京100083)

?鉆井完井?

中低溫地熱井鉆井完井工藝技術研究與實踐

王培義， 馬鵬鵬， 張賢印， 楊 衛(wèi)

(中國石化新星石油有限責任公司,北京100083)

為了提高中低溫地熱井工程質(zhì)量，保障單井產(chǎn)能，優(yōu)化了地熱井鉆井完井工藝技術，形成了適用于砂巖熱儲的二開井身結構和適用于基巖熱儲的三開井身結構；采用懸掛器連接、連接重疊段固井水泥密封的方式，防止泵室段底部水層竄通；優(yōu)化了適用于不同地區(qū)、不同儲層完井的花管、繞絲篩管和割縫襯管的設計參數(shù)；針對熱儲層極易漏失的特點，發(fā)展了鉆井液正循環(huán)鉆進、清水正循環(huán)鉆進、清水充空氣正循環(huán)鉆進和氣舉反循環(huán)鉆進等4種鉆進工藝；根據(jù)生產(chǎn)需求，明確了地熱井測井參數(shù)要求、固井技術要點及組合洗井工藝。該技術在清豐XBXZ-1井現(xiàn)場應用后，下入多級泵試水24 h，流量120 m3/h，水溫68 ℃，靜液面15.50 m，動液面48.00 m。中低溫地熱井鉆井完井工藝成功解決了地熱鉆井完井過程中存在的鉆井液漏失嚴重、水位衰減快、沉砂嚴重和開采水層與表層水之間的互竄等問題，具有較好的推廣應用價值。

中低溫；地熱井；鉆井；完井

根據(jù)2015年世界地熱大會報告，世界范圍的地熱開發(fā)利用以每年7%左右的復合速率增長，地熱資源的開發(fā)與應用具有十分廣闊的前景[1-3]。國內(nèi)的地熱開發(fā)以中低溫為主，主要用于建筑供暖，地熱井井深多為2 000～3 000 m[4-5]。地熱井用于供暖需要下泵抽水、大排量產(chǎn)液和防砂防垢，對地熱井的井身結構設計提出了新的要求。地熱井開采過程中存在出水量、水溫、井口壓力或靜水位衰減快，沉砂嚴重，開采水層與表層水容易互竄，產(chǎn)能測試困難等問題，這些問題是當前地熱井鉆井完井的技術難題[6-12]。地熱井施工成本較高，地熱供暖項目利潤較低，已經(jīng)成為制約地熱產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大的瓶頸。為此，筆者以河北、河南、山東、遼寧等地實際作業(yè)環(huán)境和地質(zhì)條件為基礎，開展了地熱井鉆井完井工藝技術研究，優(yōu)化了各區(qū)域鉆井完井工程設計，并開展現(xiàn)場實踐驗證了效果，形成了適合不同地區(qū)不同熱儲類型的鉆井完井工藝技術，解決了地熱井產(chǎn)能衰減、開采水層與表層水互竄和出砂等問題，保障了地熱產(chǎn)業(yè)的規(guī)?？焖侔l(fā)展。

1 井身結構優(yōu)化

早期地熱井比較淺，一般都采用單一井徑。當前，地熱資源開發(fā)以中深層為主，埋深1 500～4 000 m，早期地熱井的井身結構已經(jīng)不能滿足要求，為此，以石油井為參考進行井身結構設計，根據(jù)熱儲類型采用二開或三開井身結構。

砂巖孔隙型熱儲地熱井采用二開井身結構，一開表層泵室段(φ339.7 mm套管)全部用水泥封固，二開完鉆后有2種完井方式：第一種采用懸掛器懸掛φ177.8 mm套管，φ177.8 mm濾水管以上部分用止水器止水；第二種采用懸掛器懸掛φ177.8 mm套管，φ177.8 mm濾水管以上部分全部用水泥封固。

基巖裂隙型熱儲地熱井采用三開井身結構：一開表層泵室段(φ339.7 mm套管)全部用水泥封固；二開完鉆后采用懸掛器懸掛φ244.5 mm技術套管，用水泥全封固；三開裸眼(φ215.9 mm)完井或下入φ177.8 mm濾水管完井。

2 鉆進工藝優(yōu)化

目前，地熱井鉆井主要采用鉆井液正循環(huán)鉆進工藝、清水正循環(huán)鉆進工藝、清水充空氣正循環(huán)鉆進工藝和氣舉反循環(huán)鉆進工藝?，F(xiàn)場施工時以正循環(huán)鉆進為主，積極推廣使用氣舉反循環(huán)鉆進工藝。據(jù)初步統(tǒng)計，與鉆井液正循環(huán)相比，氣舉反循環(huán)的鉆進效率提高1～2倍，鉆探成本降低1/3，鉆頭壽命提高1～2倍，出水量增大1/3。

2.1 鉆井液正循環(huán)鉆進工藝

雖然地熱井鉆井的鉆進工藝較多，但目前還是以正循環(huán)鉆進為主。鉆井液設計和管理工作的關鍵是，正確處理漏失、井底高溫、卡鉆事故、腐蝕及環(huán)境保護等問題。漏失地層往往是熱儲地層，也是易發(fā)生涌噴的層位。在正常地層壓力梯度下，常用鉆井液的密度一般為1.05～1.20 kg/L，pH值為9.0～10.0，黏度為35～45 s，濾失量不大于5 mL。地熱井鉆井以牙輪鉆頭為主，個別地區(qū)使用PDC鉆頭。以西-THY探-1井為例，常用鉆具組合如表1所示。

表1 西-THY探-1井鉆具組合Table 1 BHA for the Well Xi-THY E-1

2.2 清水正循環(huán)鉆進工藝

地熱井用鉆井液鉆進熱儲層段容易污染儲層，降低出水量，因此推薦采用清水作為循環(huán)介質(zhì)進行正循環(huán)鉆進。清水正循環(huán)鉆進工藝具有鉆速快、洗井效果好、保護熱儲層、對含水層傷害小、對環(huán)境無污染和成本低等優(yōu)點；其缺點是影響井壁的穩(wěn)定性、攜巖能力低和大量巖屑充填在含水層裂隙中影響出水量。

2.3 清水充空氣正循環(huán)鉆進工藝

由于地熱井儲層段極易發(fā)生漏失，因此采取將空氣注入清水中進行欠平衡鉆進的技術措施，其優(yōu)點主要是：1)采用清水充空氣形成欠平衡狀態(tài)，使地層水向井內(nèi)連續(xù)流動，阻止清水進入水層，有利于保護熱儲層；2)消除壓差型漏失；3)降低井筒內(nèi)液柱壓力，可提高鉆速；4)消除正壓差、不形成濾餅，可有效預防壓差卡鉆。不足之處是：由于空氣在清水中很容易滑脫聚集，因此正常鉆進時對鉆井施工配合和各工序時間控制的要求很高。例如，接單根時間過長時，環(huán)空內(nèi)鉆井液中的空氣向上滑脫，形成段塞流，會造成鉆井液噴出。

2.4 氣舉反循環(huán)鉆進工藝

氣舉反循環(huán)鉆進的優(yōu)勢在于：1)采用反循環(huán)建立抽汲負壓系統(tǒng)，解決了漏失嚴重只進不返情況下的鉆進問題；2)巖渣屑及流體介質(zhì)均沿鉆具中心通道上返，不與井壁及含水層發(fā)生接觸，且反循環(huán)鉆進過程同時是抽水洗井過程，有利于疏通含水層孔隙，簡化了抽水洗井工序；3)避免了正循環(huán)鉆進時流體介質(zhì)高速上返對井壁的沖蝕，有利于保護井壁、防止坍塌和減少井內(nèi)事故的發(fā)生；4)反循環(huán)通道過流斷面面積較小，在滿足最低氣流上返速度的前提下所需壓縮氣體體積流量小，能夠節(jié)省設備投資、降低空氣壓縮機燃油消耗；5)壓縮氣體、巖渣和鉆井液等沿雙壁鉆具中心通道上返至地表后經(jīng)排渣管排放到半封閉的箱體中，對環(huán)境污染小。該工藝如用清水鉆進，還可節(jié)約鉆井液，鉆進過程同時又是洗井過程，與鉆井液正循環(huán)鉆進相比，具有出水量大、洗井時間短、不污染含水層和成井質(zhì)量好的優(yōu)點，現(xiàn)場應用效果較好，具有推廣應用價值。

3 完井工藝優(yōu)化

地熱井完井工藝主要包括測井、固井、洗井和濾水管基本性能參數(shù)選擇。

3.1 測井

地熱井測井應考慮科研和生產(chǎn)的實際需求，具體參數(shù)及測量井段見表2。現(xiàn)場施工時應根據(jù)實際情況選擇相應的測井參數(shù)進行測井。

3.2 固井

地熱井固井時，不同管徑間的環(huán)空處，一定要用水泥封固，否則很可能會影響出水溫度。二開井身結構的地熱井，表層套管及濾水管以上部分全部采用油井水泥封固；三開井身結構的地熱井，表層套管及技術套管部分全部采用油井水泥封固。

3.2.1 泵室段底部密封止水方式優(yōu)化

早期地熱井泵室段底部密封止水方式主要是異徑連接密封和重疊擠水泥密封。

表2 地熱井測井參數(shù)匯總Table 2 Logging parameters collection for geothermal wells

異徑連接密封是將泵室管與下部井管使用異徑接頭連接形成整體管串一次下入，兩級井管間無薄弱點(見圖1)。

圖1 異徑連接密封示意Fig.1 Diagram of connection sealing with different diameters

重疊擠水泥密封是泵室管(表層套管)與下部井管(技術套管)重疊段采用擠水泥密封(見圖2)。該密封方式不易形成水泥環(huán)塞，自流地熱井更適合采用技術套管戴帽固井技術。

20世紀90年代，泵室段底部密封止水方式改進為懸掛連接密封，其基本原理就是將下部井管懸掛于泵室管底部，依靠兩級井管間的特殊結構實現(xiàn)密封連接。根據(jù)密封接觸面材料的不同，將其分為橡膠密封與金屬密封。

懸掛連接采用橡膠密封時，通常是下泵室管底部連接小一級的井管收徑頭，下部井管頂部連接大一級的井管擴徑頭，擴徑處加設橡膠層坐封于變徑錐面處(見圖3)。

采用特制的懸掛器可實現(xiàn)懸掛連接金屬密封，特制懸掛器由內(nèi)套和外套2部分組成，內(nèi)外套均選用高級合金鋼鍛造而成，可滿足底部懸掛4 000 m長套管的要求。內(nèi)套的密封錐面上熔涂10 mm厚的鉛質(zhì)，上部加工成反扣扣型，通過特制反扣接頭連接鉆桿入井，下端與下部井管相連；外套實質(zhì)上為帶內(nèi)錐面的短節(jié)套管，可以連接于泵室段的任何位置。特制懸掛器的內(nèi)套依靠鉛質(zhì)坐封于外套錐面上，使外套內(nèi)錐面與內(nèi)套外錐面配合形成密封連接(見圖4)。

圖2 重疊擠水泥密封(穿袖封固連接)示意 Fig.2 Diagram of squeeze cementing seal of overlap segment

圖3 懸掛連接橡膠密封示意Fig.3 Diagram of liner hanger connection with rubber seal

圖4 懸掛連接金屬密封示意Fig.4 Diagram of liner hanger connection with metal seal

懸掛連接水泥密封止水方式是從石油鉆井結構中引進過來的，地熱井泵室段底部采用懸掛器連接，濾水管以上用水泥封固。這種密封止水效果好，安全可靠，正在現(xiàn)場推廣應用(見圖5)。

圖5 懸掛連接水泥密封示意Fig.5 Diagram of liner hanger connection with cement seal

3.2.2 地熱井環(huán)空密封止水方式優(yōu)化

早期二開井身結構地熱井開采段頂部采用在套管外設置橡膠托盤(傘式、盂式)或纏牛皮帶、海帶架橋，利用井壁自行垮塌和縮徑的方式形成永久性的天然止水，但這種止水方式可靠性差，難以保證止水質(zhì)量。目前，濾水管以上部分全部采用油井水泥封固的方式止水。

3.3 濾水管

濾水管的基本性能參數(shù)主要包括濾水孔直徑，濾水管的長度、直徑及防砂效果。目前，地熱井常用的濾水管有以下3種：1)花管。適用于灰?guī)r熱儲層，孔徑18.0 mm，橫向孔距55.0 mm，一圈12個孔。2)繞絲篩管。適用于砂巖熱儲層，基管打孔參數(shù)同花管，外包80目不銹鋼篩網(wǎng)，纏304不銹鋼絲，鋼絲間距小于0.5 mm。3)割縫襯管。適用于砂巖熱儲層，篩管縫長100.0 mm，縫寬0.3 mm，縫分布密度580～600條/m，過流流量可以達到160～180 m3/h。

3.3.1 試驗方法與儀器

在防砂精度優(yōu)化試驗系統(tǒng)的長填砂筒中裝填不同粒徑的地層砂或礫石，在沉砂器中放置不同精度的篩管小樣，將地熱井日產(chǎn)水量換算為驅(qū)替泵的排量進行出砂試驗，采集不同排量時的流量、滲透率和壓差等數(shù)據(jù)，并對采出液中的砂粒含量和粒徑(粒度中值、最大粒徑)進行分析。

3.3.2 采液強度對防砂效果的影響

采用粒徑0.425～0.850 mm(粒度中值0.644 mm)的石英砂進行防砂篩管的防砂試驗,結果表明，采液強度每增加1 m3/(d·m)，含砂量增加57%,采出砂最大粒徑增加2.3%。如果進行提液生產(chǎn)，應提高防砂精度，否則會引起地熱井出砂。

3.3.3 濾水管直徑對直井產(chǎn)能比的影響

不同直徑的濾水管與直井產(chǎn)能比的關系如圖6所示。從圖6可以看出，濾水管精度一定時，φ177.8 mm濾水管的產(chǎn)能比比φ139.7 mm濾水管高，這是由于φ177.8 mm濾水管直徑大，環(huán)空砂層薄，地熱井的產(chǎn)能高，因此，在選擇濾水管時，優(yōu)先選用直徑較大的濾水管，以提高地熱井的產(chǎn)能。直井采用φ177.8 mm濾水管完井其產(chǎn)能比采用φ139.7 mm濾水管平均提高4.44%。

圖6 濾水管直徑與直井產(chǎn)能比的關系曲線Fig.6 Relationship curve of filter tube diameter and productivity ratio for vertical wells

3.3.4 濾水孔直徑

濾水孔直徑必須與含水層粒度相適應。合理濾水孔直徑的確定原則是允許含水層中50%～70%的細砂粒通過，使含水層井壁的剩余粗顆粒形成“圓形拱”。 濾水管孔隙率的計算公式為：

(1)

式中：m為濾水管孔隙率；Sk為濾水管孔隙總面積，m2；Sz為濾水管表面積，m2。

濾水管孔隙率過大，濾水管強度降低； 濾水管孔隙率過小，將產(chǎn)生堵水效應。 合理的孔隙率應不小于地層的給水度。試驗結果表明：圓孔、割縫濾水管的孔隙率為20%～40%，網(wǎng)狀濾水管的孔隙率為20%～35% 。

3.3.5 濾水管長度

設計濾水管長度時，應確定一個合理的有效長度。試驗表明，隨著濾水管長度增加，井內(nèi)出水量亦逐漸增加，當增加到一定長度后，井內(nèi)出水量增加率趨近于零。

對于粒度均勻的含水層，濾水管長度應為含水層厚度的70%～80%；對于非均質(zhì)含水層，濾水管長度應為含水層厚度的30%～50%。

當含水層厚度大于10.00 m ，濾水管有效長度的計算公式為：

L=alg(1+Q)

(2)

式中：L為濾水管的有效長度，m；a為校正系數(shù)，與含水層和井身結構有關，一般取17；Q為設計的產(chǎn)水量，L/s。

3.4 洗井

地熱井通常采用裸眼完井和濾水管完井2種完井方式。為了最大限度地獲取地熱水，地熱井一般要采用多種洗井方法洗井，以便使地熱井的出水量和水溫達到設計要求，并盡量達到最佳出水量及水溫。洗井方法一般可分為機械洗井和化學藥劑洗井2類。機械洗井包括噴射洗井、氣舉洗井、活塞洗井和水泵抽水洗井；化學藥劑洗井包括焦磷酸鈉洗井、酸化洗井和液態(tài)二氧化碳洗井等。地熱井洗井時，上述各種洗井方法基本不能單獨使用，需要幾種洗井方法組合在一起使用，才能形成一個完整的地熱井洗井作業(yè)流程。

目前，砂巖熱儲地熱井主要采用噴射洗井+氣舉洗井的洗井方法，基巖裂隙型熱儲地熱井主要采用噴射洗井+酸化洗井(酸壓洗井)+氣舉洗井的洗井方法。

4 現(xiàn)場應用

目前，陜西、河北、河南、山東、遼寧等地的砂巖熱儲地熱井采用二開井身結構，基巖裂隙型熱儲地熱井采用三開井身結構；儲層上部地層用水泥全封固，以防止開采水層與表層水串通；根據(jù)儲層地質(zhì)特點采用花管、繞絲篩管和割縫襯管完井；洗井工藝和方法優(yōu)化組合，滿足了各地區(qū)地熱井鉆井和完井工程的要求。

清豐香檳小鎮(zhèn)探采1 井完鉆井深1 730.00 m，完鉆層位為奧陶系馬家溝組地層，目的層巖性為灰?guī)r、白云巖。采用三開井身結構，二開技術套管采用懸掛器連接，技術套管采用水泥封固。熱儲段采用清水充空氣正循環(huán)鉆進工藝，在預防井漏的同時確保了連續(xù)鉆進。三開濾水管采用花管完井。

該井采用氣舉洗井，將氣和水按氣、水、氣、水、氣、水的順序交替注入管柱內(nèi)，然后開泵注入清水將注入的氣體經(jīng)環(huán)空頂替出來。經(jīng)過氣舉洗井后，水質(zhì)基本變清，泥砂含量很小，說明氣舉吞吐洗井效果很好，成功清除了熱儲層內(nèi)各種堵塞物，疏通了滲流通道。氣舉完畢，下入多級泵開始試水，多級泵下入深度168.00 m，用120 m3/h的流量試水24 h，測得靜液面15.50 m，動液面48.00 m。

5 結論與建議

1) 中低溫地熱井已經(jīng)在井身結構設計、低密度鉆井液鉆井、測井、固井、濾水管基本性能參數(shù)確定及防砂處理等方面形成了鉆井完井系列特色技術，現(xiàn)場應用效果良好。

2) 高溫地熱井鉆井面臨著高溫、地層堅硬、鉆速低和成井質(zhì)量不高等問題；目前還沒有開展干熱巖鉆進相關技術研究工作，二者均需進行深入研究。

3) 隨著地熱資源開發(fā)深度的增加，環(huán)境保護問題日益突出，應高度重視鉆井液處理、噪音污染和安全鉆進(防噴、降溫)等問題，堅持環(huán)境保護和經(jīng)濟效益協(xié)調(diào)一致的原則，保護生態(tài)平衡。

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[編輯 滕春鳴]

Drilling and Completion Technologies for of Geothermal
Wells with Medium and Low Temperatures

WANG Peiyi,MA Pengpeng,ZHANG Xianyin,YANG Wei

(SinopecStarPetroleumCo.,Ltd.,Beijing,100083,China)

To enhance the engineering quality of geothermal wells and to obtain desirable single well productivity,geothermal drilling and completion technologies have been optimized,and developed casing program with two sections suitable for geothermal development in sandstone formations and three sections suitable for matrix formations.Hanger connections,together with sealing by cementing slurry in overlapping sections have been developed to eliminate possibility of water channeling in bottom sections of the pumping chamber.In addition,design parameters for perforated PVC pipe,wire-wrapped screens and slotted liners are optimized to satisfy the demand of completion in different formations and different areas.Four drilling techniques,including mud circulation drilling,freshwater circulation drilling,gas-charged water circulation drilling and gas-lifting reverse circulation drilling,have been developed for thermal reservoir susceptible to lost-circulation.According to the requirement of production,logging parameters,cementing and integral flushing technologies in geothermal wells have been specified.The newly developed technologies have been deployed on site of the Well Qingfeng XBXZ-1,with multistage pump testing water for 24 h,flow rate of 120 m3/h,water temperature of 68 ℃,the static liquid level being 15.50 m,the dynamic liquid level being 48.00 m.Successful drilling and completion technologies for geothermal wells at medium or low temperatures can effectively eliminate severe lost circulation,fast drop in water levels,undesirable settling of cuttings,channeling of water between target formation and surface layer,etc.It has bright prospects in promotionand application.

low medium temperature; geothermal well;drilling; completion

2017-03-10；改回日期：2017-07-15。

王培義(1968—)，男，山東單縣人，1988年畢業(yè)于長春地質(zhì)學院鉆探工程專業(yè)，2006年獲中國石油大學(北京)油氣井工程專業(yè)博士學位，高級工程師，主要從事地熱鉆完井方面的技術研究與管理工作。E-mail：hzwpy@163.com。

中國石化集團科技攻關項目“地熱井關鍵技術研究”(編號：JP13003)部分研究內(nèi)容。

10.11911/syztjs.201704005

TE314.1

A

1001-0890(2017)04-0027-06