潘德元,何計彬,楊 濤,張振發(fā)
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北保定071051;2.中煤地華盛水文地質(zhì)勘察有限公司,河北邯鄲056004)
雄安新區(qū)雄縣牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锏責(zé)豳Y源豐富,已有多個單位開展了地?zé)豳Y源勘查、開發(fā)研究等工作,并取得了顯著的成果,打造了著名的“雄縣模式”。但是這些熱儲開發(fā)利用主要集中在深度1800 m 以淺的薊縣系巖溶熱儲層[1-3]。巖溶熱儲段長300~500 m,裸眼段較短,以滿足地?zé)衢_采為主要目的。
通過相關(guān)調(diào)查資料顯示,我國在一些采用熱儲集中供暖區(qū)域,主力熱儲層形成水位降落漏斗,熱儲壓力下降形勢嚴(yán)峻[4],而根據(jù)近年來在雄安新區(qū)開展的相關(guān)地?zé)豳Y源調(diào)查工作,其主力熱儲層的熱儲壓力下降比較明顯。減少淺層熱儲集中開采,通過深淺多儲層聯(lián)動開采回灌,可緩解淺層熱儲開采造成的環(huán)境影響,確??沙掷m(xù)發(fā)展。
中國地質(zhì)調(diào)查局實施的雄安新區(qū)地?zé)崆鍧嵞茉纯辈橐灾猩畈刻妓猁}巖溶熱儲為目標(biāo),重點(diǎn)查明薊縣系霧迷山組和高于莊組碳酸鹽巖熱儲的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和空間分布,根據(jù)目的層埋深分布情況,井深設(shè)計主要是2500~4000 m,在基巖熱儲中鉆進(jìn)長度達(dá)1500 m 以上,地層裂隙發(fā)育,漏失嚴(yán)重,井壁穩(wěn)定性差,鉆進(jìn)施工難度大,井下復(fù)雜情況多發(fā)。
本文對雄安新區(qū)某巖溶熱儲地?zé)嵘罹┕ぶ秀@遇的難點(diǎn)進(jìn)行分析總結(jié),提出井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。
牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽镂挥谌A北盆地內(nèi)的冀中凹陷的北部,區(qū)域內(nèi)新生界隨突起和凹陷的分布呈披蓋式沉積,第四系松散層和上第三系砂巖、礫巖和泥巖近乎水平,下第三系砂巖、礫巖和泥巖傾角平緩。下伏地層為白堊系、侏羅系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、青白口系、薊縣系和長城系,以及太古宇變質(zhì)巖。
雄縣大部分范圍屬于牛駝鎮(zhèn)凸起西南部,熱儲類型主要是新近系砂巖孔隙熱儲和薊縣系巖溶裂隙熱儲。(1)新近系熱儲層埋藏淺,分布范圍較小、水溫較低、水量較小,且砂巖熱儲不利于回灌,目前主要用于溫泉浴療。(2)薊縣系霧迷山組熱儲層分布廣、埋藏較淺易開采、溫度高、儲量大、易回灌,是當(dāng)前雄縣地?zé)峁┡玫闹髁醿樱异F迷山組厚度大,當(dāng)前的開發(fā)利用主要集中于上段地層中。(3)薊縣系高于莊組熱儲層埋藏于霧迷山組之下,埋藏較深,目前開發(fā)利用較少,有可能成為未來地?zé)衢_發(fā)的第二空間。圖1 為前輩學(xué)者建立的牛駝鎮(zhèn)地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲概念模型[1-3],較明確地劃分了牛駝鎮(zhèn)的熱儲深部分布情況。牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锏貙訋r性如表1 所示。
圖1 牛駝鎮(zhèn)地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲概念模型Fig.1 Conceptual model of thermal storage in the Niutuo geothermal system
受地質(zhì)構(gòu)造影響,該區(qū)域內(nèi)地層及厚度變化較大。全區(qū)分布有第四系、明化鎮(zhèn)組、霧迷山組和高于莊組,其他地層局部分布。第四系粘土、砂質(zhì)粘土和明化鎮(zhèn)組膠結(jié)不完全的砂泥巖較松散易垮塌,白云巖地層裂隙發(fā)育,尤其在霧迷山組頂部風(fēng)化殼段地層破碎、漏失嚴(yán)重,是鉆井工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
由于地?zé)徙@探發(fā)展較晚,尚未形成比較完整的設(shè)計體系,且地?zé)峋疃扰c石油鉆井相比較淺,鉆遇地層年代較老[5-6],地層壓力變化較小,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮的地層壓力參數(shù)較少,設(shè)計較為簡單。
表1 雄縣區(qū)域牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锏貙訋r性[1-3]Table 1 Stratigraphy in the Niutuo geothermal field
常規(guī)地?zé)峋O(shè)計中主要考慮地?zé)豳Y源的開采效率,在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般將一開作為泵室段用于地?zé)豳Y源開采,終孔為熱儲目的層段,以及中間過渡井段。中間過渡井段開次設(shè)計依據(jù)地層穩(wěn)定性及鉆探經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮,套管程序選擇需要留有余地,以保證完成鉆探目的。
根據(jù)相關(guān)地?zé)峋@探規(guī)范及調(diào)研資料,地?zé)峋斫Y(jié)構(gòu)采用的井徑/套管規(guī)格主要為一開?444.5 mm/339.7 mm+二開?311.2 mm/244.5 mm+三開?215.9 mm/177.8 mm+四開?152.4 mm/127 mm。各開次套管與前一開次套管底重疊30~50 m。各開次井段、成井工藝設(shè)計需要依據(jù)熱儲層巖石物性、鉆遇地層穩(wěn)定性等情況,各開次套管重疊段一般采用水泥、止水橡膠等工藝止水[7-14]。
淺層砂巖熱儲由于埋藏淺,儲層膠結(jié)較松散,通常采用水文水井成井方式,對熱儲段進(jìn)行填礫成井工藝,熱儲段與泵室段套管跨級配合,增大儲層環(huán)空間隙,方便填礫作業(yè)。較深的砂巖地?zé)峋貙虞^穩(wěn)定,且填礫難度大,通常使用過濾器或纏絲包網(wǎng)濾水管等成井工藝。在確保泵室段內(nèi)徑后,下部井段選擇余地較大,可采用常規(guī)井徑級配或非常規(guī)級配,保障井下安全及熱儲流量。
深部熱儲層通常為基巖熱儲,熱儲穩(wěn)定,一般采用裸眼或濾水管完井,根據(jù)鉆遇地層復(fù)雜情況,采用三開或四開井身結(jié)構(gòu)。
根據(jù)相關(guān)資料顯示以及以往施工經(jīng)驗,地?zé)峋删钚【畯健?52.4 mm,泵室段套管外徑通常不大于339.7 mm,可有效保障鉆探施工順利。
根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料顯示,雄縣牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锘鶐r地?zé)峋譃殚_采井和回灌井,主要目的層位為薊縣系霧迷山組上部地層。通常采用三段式設(shè)計,一開采用 ?444.5 mm 井眼,下入 ?339.7 mm 套管,鉆進(jìn)深度通常為300~400 m,封固上部松散地層,并形成泵室段;二開采用?311.2 mm 井眼,下入? 244.5 mm 套管,設(shè)計鉆至霧迷山組頂部完成二開井段,封隔上部地層及含水層,通常井深為800~1200 m;三開采用?215.9 mm 井眼,鉆至設(shè)計井深完鉆,通常選擇裸眼成井,井深1500~1800 m,霧迷山組井 段 長 400~700 m(部 分 為 定 向 井)[10],如 圖 2所示。
圖2 地?zé)峋斫Y(jié)構(gòu)示意Fig.2 The wellbore structure
該種井身結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單,目的明確,一開井段用于封固上部第四系和明化鎮(zhèn)組上部松散地層,并形成泵室段,其井深通常根據(jù)地層膠結(jié)強(qiáng)度及泵室段要求確定;二開通常鉆至基巖熱儲頂部完鉆,其目的是封隔上部地層水;三開井段為基巖熱儲目的層,用于地?zé)崴拈_采或回灌。
但是由于地?zé)峋谠O(shè)計過程中缺少準(zhǔn)確地層壓力參數(shù),設(shè)計理論依據(jù)不足,如一開設(shè)計井深通常依靠該區(qū)域常用深度設(shè)計,有時未完全封隔松散層,在二開底部揭開目的熱儲層風(fēng)化殼時發(fā)生嚴(yán)重漏失,井筒壓力發(fā)生變化導(dǎo)致二開上部地層發(fā)生掉塊垮塌等復(fù)雜情況[10]。
中國地質(zhì)調(diào)查局實施的雄安新區(qū)地?zé)崆鍧嵞茉纯辈橐灾猩畈刻妓猁}巖溶熱儲為目標(biāo),重點(diǎn)查明薊縣系霧迷山組和高于莊組碳酸鹽巖熱儲的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和空間分布,根據(jù)目的層埋深分布情況,井深設(shè)計主要是2500~4000 m。
地調(diào)局部署的某地?zé)峥碧缴罹O(shè)計主要依據(jù)項目任務(wù)目標(biāo)及鉆遇地層預(yù)測,一開主要是封隔上部第四系和明化鎮(zhèn)組上部較松散地層,并形成泵室段,二開選擇地層較穩(wěn)定井段,鉆至霧迷山組頂部完鉆,三開依據(jù)項目目標(biāo)鉆至楊莊完鉆,霧迷山組熱儲層單獨(dú)作為一開,四開為高于莊組,鉆至設(shè)計井深完鉆。
由于鉆遇地層中熱儲覆蓋層壓力正常,而基巖熱儲層裂隙發(fā)育,地層壓力較低,因此在設(shè)計中考慮地層防塌為主,未考慮地層井涌、壓差卡鉆、井漏等。
表2 為該眼井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計。該井位于牛駝鎮(zhèn)凸起中部,為該區(qū)域基巖熱儲埋藏深度最淺區(qū)域,埋深為600~800 m,古近系地層基本缺失。
表2 某地?zé)峥碧骄斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計Table 2 Well structure design of a geothermal well
根據(jù)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锏目辈閳蟾婕霸摼目碧侥繕?biāo)任務(wù),在巖溶熱儲層中鉆進(jìn)井段長度通常達(dá)到1800 m 以上。
根據(jù)已有地?zé)峋疁y井資料顯示,霧迷山組上段地層白云巖巖溶裂隙發(fā)育段厚度有31%左右[1-3]。白云巖地層性硬質(zhì)脆、可鉆性差、裂隙發(fā)育厚度大,而上部風(fēng)化殼段極易發(fā)生失返性漏失,且霧迷山組上部地層漏失嚴(yán)重,井下鉆遇情況復(fù)雜,對下部井段施工存在很大的難度。
地?zé)峥碧缴罹碾y點(diǎn)主要有:基巖熱儲段長,持續(xù)存在漏失現(xiàn)象,井壁穩(wěn)定性差等。因此需要合理的設(shè)計井身結(jié)構(gòu),優(yōu)選鉆進(jìn)工藝,保障井下施工安全。
該井一開采用?444.5 mm 鉆頭開鉆,鉆至設(shè)計井深400 m 完鉆,進(jìn)入明化鎮(zhèn)組砂泥巖地層,下入? 339.7 mm 套管,固井水泥漿返出地面。
二開井徑311.2 mm,鉆至井深621.43 m 發(fā)生失返性漏失,現(xiàn)場根據(jù)巖屑判斷揭開霧迷山組,決定二開完鉆,下入?244.5 mm 套管全井段固井。
三開井徑215.9 mm,鉆遇地層為薊縣系白云巖地層,鉆進(jìn)過程中全程失返,采用清水頂漏鉆進(jìn),未能通過巖屑判斷地層,鉆至井深1900 m 完鉆,下入?177.8 mm 套管“穿鞋帶帽”固井。
四開井徑152.4 mm,輕微漏失,采用隨鉆堵漏后鉆井液循環(huán)正常,鉆至2510 m 全井完鉆。
由于該井在設(shè)計中取心回次較多,且處理復(fù)雜情況耗費(fèi)過多時間,于2018 年8 月份開鉆,至2019年3 月份完鉆,本井鉆進(jìn)周期超過了200 天。
本井二開揭開霧迷山組風(fēng)化殼段后,于井深621.43 m 處發(fā)生失返性漏失,鉆井液只進(jìn)不出,井筒內(nèi)液面下降至120 m 左右,導(dǎo)致地層壓力不平衡,井內(nèi)液柱壓力低于地層坍塌壓力,上部松散地層發(fā)生坍塌,鉆具上提遇阻,采用倒劃眼方式起鉆。
由于井壁坍塌物落入井底形成堵塞,井底漏失速度降低,井內(nèi)可建立循環(huán)?,F(xiàn)場在鉆井液中加入護(hù)壁堵漏材料掃孔至井深619 m 處,然后對井底進(jìn)行承壓堵漏,確保井內(nèi)安全后進(jìn)行測井。
井徑曲線見圖3,二開井壁坍塌失穩(wěn)主要發(fā)生在 400~480 m 井段,井徑最大達(dá) 450 mm 左右,擴(kuò)大率達(dá)到44.6%,主要是由于該段井筒內(nèi)液柱壓力低于地層坍塌壓力,導(dǎo)致松散地層坍塌?,F(xiàn)場根據(jù)井下情況及時處理,避免了復(fù)雜情況進(jìn)一步惡化。
圖3 二開井段井徑曲線Fig.3 Caliper logging curve of the second drilling section
三開鉆進(jìn)在出套管20 余米后鉆井液再次失返,嘗試采用水泥漿水玻璃等材料堵漏,下鉆未探到塞面,考慮到該地層為持續(xù)漏失段,即使繼續(xù)注入堵漏材料完成堵漏后,鉆開新井眼將繼續(xù)漏失,現(xiàn)場決定采用清水頂漏鉆進(jìn),將巖屑攜帶入地層裂隙中。
清水頂漏鉆至井深755.61~772.87 m 處發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤憋車,扭矩增大,上提鉆具阻力增大,活動鉆具后阻力減小,轉(zhuǎn)盤扭矩恢復(fù)正常,繼續(xù)鉆進(jìn)后再次異常,且上提鉆具后下鉆遇阻。
現(xiàn)場判斷為上部破碎地層掉塊引起的卡阻現(xiàn)象,主要原因是霧迷山組上段地層裂隙發(fā)育、穩(wěn)定性差,鉆開地層后由于清水的沖蝕及鉆具旋轉(zhuǎn)的擾動,引起井壁失穩(wěn),繼而發(fā)生掉塊。
現(xiàn)場多次注入水泥及復(fù)合堵漏材料(稻殼、貝殼、鋸末、棉籽殼等),由于地層漏失嚴(yán)重,堵漏效果不明顯,但是井壁穩(wěn)定性有所加強(qiáng),掉塊現(xiàn)象引起的憋、卡現(xiàn)象減少。
由于前期地層掉塊及巖屑等沉淀在井底,下鉆探得沉淀厚度達(dá)40~50 m,鉆井液失返,無法依靠鉆井液循環(huán)將井底沉淀攜帶出井口,且掉塊及巖屑粒徑顆粒較大,無法排入地層裂隙中,導(dǎo)致鉆進(jìn)困難。
現(xiàn)場采用一根?177.8 mm 套管加工成撈砂筒,通過反復(fù)連續(xù)不間斷的撈砂工作,共撈取29 筒,清理干凈井底。處理該復(fù)雜情況耗時約50 天,導(dǎo)致鉆進(jìn)工期延長。如圖4 所示,井底打撈的井壁掉塊粒徑達(dá)3~5 cm。
圖4 打撈出的井壁掉塊Fig.4 Falling stones fished out
在下部井段鉆進(jìn)過程中,采用低參數(shù)鉆進(jìn),減少鉆進(jìn)過程中對井壁的擾動,同時減少鉆頭碎巖產(chǎn)生的巖屑粒徑。在井底沉砂逐漸增多后,通過注入稠泥漿攜帶巖屑至裂隙發(fā)育段進(jìn)入地層。
三開井段由于清水鉆進(jìn),沒有護(hù)壁效果,井壁穩(wěn)定性差,井下風(fēng)險較大。井徑曲線如圖5 所示。在620~780 m 井段及下部部分井段,井壁掉塊極為嚴(yán)重,導(dǎo)致鉆進(jìn)難度大,耗費(fèi)時間較長。隨著井深加大,地層中泥質(zhì)含量增加,下部地層穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng),在井深1200 m 以下已經(jīng)基本穩(wěn)定。因此,霧迷山組上段地層是地?zé)峥碧骄阢@進(jìn)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的節(jié)點(diǎn)。
在石油鉆探中,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在有效保護(hù)目的層的前提下最大限度地保證裸眼井段的安全鉆進(jìn)。需要依據(jù)地層特性剖面、地層孔隙壓力剖面、地層破裂壓力剖面、地區(qū)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)以及已有鉆井等資料,根據(jù)裸眼井段防井涌、壓差卡鉆、防漏、防坍塌等力學(xué)平衡關(guān)系進(jìn)行設(shè)計,避免鉆進(jìn)過程中發(fā)生漏、噴、塌、卡事故,確保鉆井施工安全,順利鉆達(dá)目的層[6-8]。
圖5 三開井段井徑曲線Fig.5 Caliper logging curve of the third drilling section
通過對雄安新區(qū)部署的中深地?zé)峋┕ひ约耙延械責(zé)衢_采回灌井調(diào)查情況分析,部分區(qū)域霧迷山組上段地層巖性破碎、漏失嚴(yán)重。存在失返性漏失現(xiàn)象的地?zé)峋?/4~1/3,常規(guī)地?zé)峋恍璨捎庙斅┿@進(jìn)工藝完成儲層井段,達(dá)到地?zé)豳Y源開采或回灌需求即可完成任務(wù)要求。但是深部地?zé)峋畡t需對漏失層進(jìn)行處理,因此需要對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
地層坍塌壓力是衡量鉆井過程中是否井壁穩(wěn)定的鉆井液液柱壓力值,對鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆井液參數(shù)設(shè)計以及鉆進(jìn)施工具有重要的指導(dǎo)意義。
由于地?zé)峋谠O(shè)計過程中缺少準(zhǔn)確地層壓力參數(shù),設(shè)計中理論依據(jù)不足,在一開設(shè)計井深通常依靠該區(qū)域常用深度設(shè)計,有時未完全封隔松散層,而在二開底部揭開目的熱儲層風(fēng)化殼時發(fā)生嚴(yán)重漏失,井內(nèi)鉆井液無法平衡地層壓力,易形成上塌下漏的復(fù)雜情況,嚴(yán)重時導(dǎo)致井眼垮塌。因此對第四系和明化鎮(zhèn)組的地層坍塌壓力進(jìn)行計算,找準(zhǔn)一開井段的必封點(diǎn)是十分必要的。
根據(jù)巖石力學(xué)分析,當(dāng)井壁圍巖受到的剪切應(yīng)力超過抗剪強(qiáng)度時,將形成剪切破壞,極限平衡狀態(tài)下井壁受到的液柱壓力即為地層坍塌壓力,在未發(fā)生滲流作用時,直井可采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則,對井壁坍塌壓力進(jìn)行計算[15-17]。
由于在地?zé)峋@探中對地層各項參數(shù)準(zhǔn)確獲取未得到重視,對第四系和明化鎮(zhèn)砂巖的各項巖石力學(xué)參數(shù)未進(jìn)行測試,根據(jù)一些學(xué)者對臨近區(qū)域相似地層的正常孔隙壓力作用下井壁坍塌壓力研究[15],未發(fā)生滲流時地層坍塌壓力鉆井液當(dāng)量密度為0.9~1.10 g/cm3。由于砂巖地層砂巖的彈性模量和泊松比為 0.25 GPa 和 0.31[17],為松軟巖石,且砂層含有地下水滲流,因此按地層坍塌壓力取當(dāng)量密度0.9 g/cm3計算。
根據(jù)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锏貙诱{(diào)查及施工情況,部分區(qū)塊揭開霧迷山組地層發(fā)生失返性漏失,井內(nèi)液面通常下降至地面以下120 m 左右,井內(nèi)鉆井液密度取1.15 g/cm3,計算得一開下深最少要到550 m。因此在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要充分收集鄰井的資料,在易發(fā)生失返漏失區(qū)域合理設(shè)計一開井身結(jié)構(gòu)。
地?zé)峋芯叟c套管尺寸之間間隙選擇采用常規(guī)級配方式,由于中深地?zé)峋貙硬淮_定性大,需要多次變徑,但是為保障熱儲開發(fā),熱儲目的層井徑宜大不宜小。
綜合考慮各項因素,針對雄縣牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽镏猩畹責(zé)峋岢鲆韵戮斫Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方案:
一開 ?444.5 mm 井徑(?339.7 mm 套管泵室段)+二開?311.2 mm 井徑(?273.1 mm 套管)+三開 ?241.3 mm 井徑(?193.7 mm 套管,霧迷山組中段中完)+四開?165.1 mm 井徑終孔。該種方案增加了三、四開熱儲段井徑,有利于地?zé)豳Y源的開采與回灌,相關(guān)套管市場也很成熟[17]。
(1)由于牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽镬F迷山組巖溶熱儲裂隙發(fā)育,地層壓力低,在揭開該層熱儲時普遍發(fā)生漏失,對上部松散地層穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響,因此在地?zé)峋婚_及泵室段設(shè)計時需充分考慮地層穩(wěn)定性因素,計算其必封點(diǎn),保障井下安全。結(jié)合該井測井曲線,建議對風(fēng)化殼嚴(yán)重漏失區(qū)域一開深度達(dá)到500 m 以深。
(2)進(jìn)入霧迷山組時,由于風(fēng)化殼地層破碎嚴(yán)重,對下部井段施工會產(chǎn)生很大的影響,建議在上部地層穩(wěn)定無坍塌風(fēng)險的情況下鉆至穩(wěn)定基巖。
(3)進(jìn)入失返性地層后,堵漏難度極大,采用欠平衡鉆進(jìn)時可能會加劇井壁失穩(wěn),建議頂漏鉆進(jìn)至地層趨于穩(wěn)定時,及時下入套管封隔該段地層,采用合理的固井方式,以方便下部井段繼續(xù)鉆進(jìn)施工,在本井施工中可將三開井深調(diào)整至1400~1500 m。
(4)針對失返地層頂漏鉆進(jìn)產(chǎn)生的井底沉渣,應(yīng)采取稠漿頂替、打撈等工藝及時處理。
(5)地?zé)峋R?guī)井徑級配在深井中應(yīng)用受到較大限制,上部井筒鉆井液上返速度低,不利于正常鉆進(jìn),同時終孔井徑對地?zé)豳Y源開采存在一定影響,建議采用優(yōu)化井徑的井身結(jié)構(gòu)。