油田區(qū)地?zé)豳Y源的集約化開發(fā)利用分析： 以濱海新區(qū)為例

唐永香，李嫄嫄，俞礽安，張婷婷，朱 挺

(1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

近幾年，隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，地?zé)崮茏鳛橐环N可再生的綠色新能源倍受人們關(guān)注。地?zé)崤c石油是中國(guó)大部分沉積盆地同盆共存的兩種資源，近年來在油氣探區(qū)將地?zé)嶙鳛橐环N新能源和可再生能源加以開發(fā)利用亦發(fā)展迅猛[1]。天津市濱海新區(qū)作為京津冀地區(qū)的重要地?zé)岙a(chǎn)區(qū)，目前利用的地?zé)崮苤饕且揽裤@探地?zé)峋嬖谑┕ば碌牡責(zé)峋嬖诔杀靖?、風(fēng)險(xiǎn)大以及周期相對(duì)較長(zhǎng)等問題；同時(shí)在施工地?zé)峋?，?duì)其地質(zhì)勘查、鉆井工藝設(shè)計(jì)等方面具有較為嚴(yán)格的要求。

自20世紀(jì)90年代以來，濱海新區(qū)內(nèi)施工了一大批石油井，隨著石油資源的日益枯竭，多數(shù)油井均已廢棄。近年來，華北、勝利、大慶、塘沽等地區(qū)油田將廢棄石油井改造為地?zé)峋?，并投入使用，取得了較好的效果[2-4]，其中,“雄縣模式”已成為目前油田地?zé)峁┡玫牡浞禰1]。利用石油射孔等技術(shù)將廢棄井改造為地?zé)峋?，是其中的一?xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，使廢棄井真正得到了二次開發(fā)，避免了油田資源的浪費(fèi)，節(jié)省了財(cái)政資金，縮短了勘查周期，帶來了較大的社會(huì)效益和環(huán)境效益[5-8]。對(duì)廢棄石油井采用射孔方式稍加改造成地?zé)峋潜緟^(qū)當(dāng)前和近期開發(fā)利用地?zé)嶙瞵F(xiàn)實(shí)而有效的措施和途徑[9-14]，也是目前國(guó)內(nèi)外石油井使用最廣泛的一種完井方法[15]。

本文通過探討研究區(qū)的地?zé)豳x存特征，結(jié)合研究區(qū)3口廢氣井成功改造的實(shí)例，提出了濱海新區(qū)油田地?zé)豳Y源的集約化開發(fā)利用保障措施，分析了廢氣井改造后的開發(fā)前景，為濱海新區(qū)和周邊地區(qū)的地?zé)豳Y源開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)借鑒和勘查指導(dǎo)。

1 地?zé)豳Y源賦存特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

濱海新區(qū)位于華北地臺(tái)黃驊坳陷中北部。黃驊坳陷西部以滄東斷裂為界與滄縣隆起相鄰，北臨燕山褶皺帶，東臨渤海，東南與埕寧隆起相接?？傮w輪廓為北西斷、南東超的箕狀斷陷[16-17]。區(qū)內(nèi)主要受滄東斷裂帶、漢沽斷裂、海河斷裂、增福臺(tái)斷裂和北大港斷裂帶等北東向斷裂與北西、北西西向斷裂相互切割，形成次一級(jí)構(gòu)造，其自北向南依次為寧河凸起、北塘凹陷、板橋凹陷、歧口凹陷等。

區(qū)內(nèi)受中生代以來斷陷活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，沉積了巨厚的中生界、新生界地層，最大厚度達(dá)5 000 m，地層厚度由西向東、由北向南逐漸增厚(圖1)。區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層由新到老有：第四系(Q)、新近系明化鎮(zhèn)組(Nm)、館陶組(Ng)、古近系東營(yíng)組(Ed)、沙河街組(Es)、孔店組(Ek)、中生界(Mz)、古生界石炭-二疊系新近系明化鎮(zhèn)組(Nm)、館陶組(Ng)、古近系東營(yíng)組(Ed)、奧陶系(O)、寒武系(∈)、中新元古界薊縣系霧迷山組(Jxw)。其中，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組、古近系東營(yíng)組為濱海新區(qū)的主要熱儲(chǔ)層。

圖1 濱海新區(qū)A-A’剖面圖Fig.1 A-A’ section map of Binhai New Area

1.2 熱儲(chǔ)層特征

根據(jù)區(qū)域地層資料和鉆孔揭露的地層特征，區(qū)內(nèi)已開采的熱儲(chǔ)層從新到老依次為：新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組、古近系東營(yíng)組，各自特征分述如下。

1) 新近系明化鎮(zhèn)組。該層在區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育，自西向東埋深和厚度逐漸增大。按巖性特征可分為上、下兩個(gè)熱儲(chǔ)段。上段以中細(xì)砂巖為主，頂板埋深280～420 m，厚度137～876 m，單井涌水量40～75 m3/h，出水溫度30～35 ℃；下段以粉細(xì)砂巖為主，頂板埋深610～1 486 m，厚度154～875 m，單井涌水量40～80 m3/h，出水溫度45～50℃。明化鎮(zhèn)組的地?zé)崃黧w化學(xué)類型為HCO3-Na、HCO3·Cl-Na或Cl·HCO3-Na型，總礦化度919～2 259 mg/L。

2) 新近系館陶組。該層在區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育，僅在西部有小范圍缺失，自西向東逐漸加深， 可分為上、下兩個(gè)熱儲(chǔ)段。上段巖性以粉細(xì)砂巖為主，頂板埋深1 129～1 806 m，厚度19～349 m，單井涌水量40～90 m3/h，出水溫度45～60 ℃；下段以粉細(xì)砂和一層厚度為30～60 m的礫巖為主，頂板埋深為1 245～1 900 m，厚度為55～455 m，單井涌水量為60～120 m3/h，出水溫度為60～78 ℃，館陶組的地?zé)崃黧w化學(xué)類型為HCO3-Na、HCO3·Cl-Na或Cl·HCO3-Na型，總礦化度為1 500～2 000 mg/L。

3) 古近系東營(yíng)組。該層除了在橋沽北部、萬(wàn)家碼頭附近以大臺(tái)子-趙連莊-徐莊子-郭莊子一帶缺失外，基本全區(qū)發(fā)育，自上而下可劃分為東Ⅰ、東Ⅱ、東Ⅲ三個(gè)巖性段。東Ⅰ段巖性主要為粉細(xì)砂巖與泥巖互層，上部主要為泥巖，下部粉細(xì)砂巖發(fā)育；東Ⅱ段巖性主要為泥巖夾粉細(xì)砂巖；東Ⅲ段巖性以粉細(xì)砂巖為主，夾薄層泥巖。東營(yíng)組的頂板埋深為1 700～2 500 m，厚度為50～650 m，單井涌水量為30～60 m3/h，出水溫度為60～85 ℃，地?zé)崃黧w化學(xué)類型為Cl·HCO3-Na、Cl-Na型，總礦化度為3 000～8 000 mg/L。

2 區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源集約化開發(fā)保障措施分析

隨著國(guó)家對(duì)新能源尤其是地?zé)豳Y源的重視程度逐漸提高，廢棄石油井的改造方法得到了推廣應(yīng)用，但目前在冊(cè)的成功改造廢棄石油井并不多。

濱海新區(qū)內(nèi)，1974～1990年廢棄石油井700余口，絕大多數(shù)鉆遇到地層為第四系、新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組、古近系東營(yíng)組、沙河街組。極少數(shù)鉆遇到奧陶系和薊縣系霧迷山組。本文結(jié)合T-38井、T38-1井、T38-2井三口成功改造的廢棄石油井實(shí)例進(jìn)行了集成分析。認(rèn)為新近系館陶組可作為區(qū)內(nèi)開發(fā)地?zé)豳Y源的主要目的熱儲(chǔ)層，射孔改造作為成井方式，同時(shí)建立了“采灌”系統(tǒng)開發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)了地?zé)豳Y源的集約化和可持續(xù)開發(fā)利用。

2.1 廢棄石油井的選擇

廢棄石油井可分為廢井和棄井，其中廢井是鉆探工作完成后，經(jīng)過地質(zhì)和地球物理測(cè)井鑒定，認(rèn)為無(wú)油或無(wú)開采價(jià)值的石油井，俗稱“干井”；棄井是指經(jīng)過若干年的采油生產(chǎn)后，已無(wú)開采價(jià)值的油井。二者井身結(jié)構(gòu)存在較大差異，棄井的結(jié)構(gòu)完整，有套管、技術(shù)套管、抽油設(shè)施和防沙設(shè)備等；與廢井相比，棄井有更加系統(tǒng)完善的油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)(地層壓力、地層溫度、巖石空隙度、滲透率等)和注采井網(wǎng)系統(tǒng)。

因此，廢棄石油井的改造盡量選取離供熱用戶距離近、井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且完整、具有完善的注采井網(wǎng)系統(tǒng)的棄井，更能提高改造成功率和產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 廢棄石油井的改造方法

目前常用的廢棄井改造方法主要有3種：開天窗側(cè)鉆法、直接射孔法和改造泵室射孔法[18]。隨著地?zé)峋淇准夹g(shù)的不斷探索和實(shí)踐運(yùn)行，射孔改造法是目前采用的主要成井方法，其采用的參數(shù)組合包括射孔密度、射孔直徑、地震相位、射孔深度等關(guān)系到地?zé)峋a(chǎn)能的重要技術(shù)參數(shù)[19-22]。實(shí)踐表明，當(dāng)射孔密度為13孔/m、孔徑為5～31 mm、相位為90°和射孔穿透深度達(dá)152 mm時(shí)，在無(wú)鉆井液和射孔污染的理想條件下，完井可達(dá)到裸眼鉆井的產(chǎn)能效果。

2.3 廢棄石油井改造的目的層

通過分析區(qū)域熱儲(chǔ)特征和篩選已有廢棄石油井的成井情況，結(jié)合區(qū)內(nèi)T20-2井、T38-1井、T38井和T38-2井四口廢棄石油井的改造成功案例，認(rèn)為研究區(qū)新近系館陶組熱儲(chǔ)層的滲透性好，含水層的厚度大，出水情況好；而明化鎮(zhèn)組的成巖度低于館陶組，水溫較低、水量較少；古近系東營(yíng)組屬于超壓型熱儲(chǔ)層，目前尚無(wú)成熟的熱儲(chǔ)開采技術(shù)。因此，新近系館陶組是該地區(qū)最佳的改造目的層。

2.4 廢棄石油井改造的開發(fā)利用模式

廢棄石油井的綜合開發(fā)與改造，需從合理開發(fā)、綜合利用、科學(xué)保護(hù)等角度綜合考慮，根據(jù)不同的地?zé)豳x存特征因地制宜制定相應(yīng)的開發(fā)利用措施，實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用。如在地?zé)岣患瘏^(qū)，采用梯級(jí)高效利用集約化技術(shù)，將尾水排放溫度降低到15 ℃，使地?zé)豳Y源利用率提高到90%以上，同時(shí)對(duì)尾水進(jìn)行回灌，實(shí)現(xiàn)采灌平衡，保持熱儲(chǔ)層壓力平衡；在多熱源地區(qū)，開發(fā)利用多熱源耦合供熱集約化技術(shù)，如主熱源采用燃?xì)忮仩t，輔助熱源采用冷熱電三聯(lián)供給地?zé)峋取?/p>

總之，地?zé)豳Y源利用集約化程度高、地?zé)嵛菜欧艤囟鹊?、保證采灌平衡，會(huì)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3 廢棄石油井改造的應(yīng)用實(shí)例

本文以T-38井、T38-1井、T38-2井三口石油棄井的改造為例，對(duì)廢棄油氣井的改造流程以及集約化開發(fā)利用進(jìn)行分析。

1) 三口石油井都屬于棄井，鉆遇地層由新到老分別為：第四系、新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組、古近系東營(yíng)組、沙河街組；成井層位均為古近系沙河街組，成井時(shí)井身結(jié)構(gòu)見圖2。改造的方法均為直接射孔法。

圖2 T38井、T38-1井、T38-2井成井時(shí)井身結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The casing programme map of well T38,T38-1 and T38-2

2) 射孔段的選擇。通過測(cè)井曲線解釋成果及成井工藝等分析研究，將館Ⅲ段采用89射孔器進(jìn)行射孔，孔密不小于15孔/m，具體射孔段位置見表1。

3) 改造施工流程。通過分析棄井已有的測(cè)井、錄井、巖屑等綜合成果，采用“通井換漿→制作人工井底→測(cè)井→割管→固井→通井→射孔→探砂面沖砂→洗井”的改造流程。射孔改造完畢，下入600 m風(fēng)管用氣舉洗井，洗至水清砂凈。改造后的井身結(jié)構(gòu)見圖3。T38-1井為開采井，T38井、T38-2井為回灌井，通過降壓試驗(yàn)，測(cè)得T38-1井出水量60 m3/h，水溫62 ℃，靜水位102 m，動(dòng)水位130 m，達(dá)到供暖要求。

表1 3口棄井射孔段表Table 1 Perforated section of three abandoned wells

圖3 石油井改造后的井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Well structure map after reconstruction of oil well

4 改造后可持續(xù)開發(fā)的可行性

由于區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源開發(fā)程度較高，單井開采量較大，采灌不平衡，因而采用“一采兩灌”的開發(fā)模式。為了達(dá)到好的回灌效果，在尾水注入回灌井之前，除了對(duì)回灌水需除去鐵、鈣及細(xì)菌，同時(shí)在地面凈化措施上增設(shè)粗效過濾器及精細(xì)過濾器。其中粗效過濾器的過濾精度應(yīng)達(dá)到50 μm，精細(xì)過濾器的過濾精度為5 μm。

改造成井后進(jìn)行歷時(shí)2 688 h的回灌試驗(yàn)，回灌井瞬時(shí)回灌量最大64 m3/h，穩(wěn)定回灌井60 m3/h，歷時(shí)曲線見圖4，回灌能力達(dá)到96.35%?；毓嘣囼?yàn)取得的參數(shù)，為該區(qū)的地?zé)峥辈楹筒渴鹛峁┲匾幕毓鄶?shù)據(jù)支撐和部署依據(jù)。

圖4 T38井回灌歷時(shí)曲線圖Fig.4 Recirculation time curve map of well T38

5 改造后前景分析

以T-38井、T38-1井、T38-2井為例，改造后的石油井不僅會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能帶來環(huán)境效益，具有較大的開發(fā)前景。

1) 經(jīng)濟(jì)效益。開鑿地?zé)峋馁M(fèi)用主要包括：進(jìn)尺費(fèi)(安裝與拆卸鉆機(jī)、鉆進(jìn)、護(hù)壁、填寫班報(bào)表、下管、固井、測(cè)井、洗井、試水等)、成井材料費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)、稅費(fèi)等。每口井可節(jié)約投資約370萬(wàn)元。

2) 環(huán)境效益。地?zé)豳Y源經(jīng)濟(jì)價(jià)值的計(jì)算采用類比常規(guī)能源(燃煤)的方法進(jìn)行折算，每口改造井地?zé)崃黧w年累計(jì)可利用的熱量28.22×107MJ。平均每口地?zé)峋_采地?zé)崃黧w一年所獲熱量與之相當(dāng)?shù)墓?jié)煤量約2 157 t/a，供暖面積約9.1萬(wàn)m2；同時(shí)每年可減少向大氣中排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及懸浮質(zhì)粉塵等大氣污染物5 214.8 t、固體廢物煤灰渣215.8 t，每年可節(jié)省環(huán)境治理費(fèi)用60.0萬(wàn)元(不計(jì)煤灰渣運(yùn)輸費(fèi))，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。減排量及節(jié)省的污染治理費(fèi)用詳見表2。

表2 地?zé)崴_采一年的減排量及節(jié)省的污染治理費(fèi)用計(jì)算表Table 2 Calculation of emission reduction and cost saving of annual geothermal water exploitation

注：①表示煤灰渣不屬于大氣排放，屬于固體廢物排放;②表示清潔開發(fā)機(jī)制CDM國(guó)際碳匯市場(chǎng)價(jià)格略低于此價(jià)

6 結(jié) 論

1) 濱海新區(qū)的廢棄石油井改造，應(yīng)選取棄井，改造方式為射孔法，改造目的層為館陶組。預(yù)計(jì)改造后水溫度55～70 ℃，單井涌水量50～80 m3/h，地?zé)崃黧w化學(xué)類型為HCO3-Na、HCO3·Cl-Na或Cl·HCO3-Na型，礦化度為1 500～2 000 mg/L。

2) 濱海新區(qū)采用“采灌”開采模式，開發(fā)與保護(hù)并舉，預(yù)計(jì)回灌率達(dá)90%以上，實(shí)現(xiàn)了油區(qū)地?zé)豳Y源集約化開發(fā)利用，極大提高了資源利用率，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。