韓城地區(qū)中深層鉆井取熱供暖關(guān)鍵技術(shù)

俱養(yǎng)社，張玉貴

（陜西省一三一煤田地質(zhì)有限公司，陜西 韓城 715400）

0 引言

韓城位于陜西省東部黃河西岸，是史學(xué)家司馬遷的故鄉(xiāng)、中國歷史文化名城、中國花椒之鄉(xiāng)、中國優(yōu)秀旅游城市、中國西部重要的能源化工基地，陜西省唯一的計(jì)劃單列試點(diǎn)市，總面積1621 km2，人口40萬。城區(qū)建筑總面積1053萬m2，城區(qū)居民居住面積950萬m2，城區(qū)公共建筑面積103萬m2，城區(qū)供熱總面積886.15萬m2，居民居住供熱面積800萬m2，公共建筑供熱面積86.15萬m2。建筑物供暖以燃煤鍋爐、天然氣為主，由于近年來不斷進(jìn)行散煤治理及燃煤鍋爐改造，城區(qū)供熱存在166.85萬m2缺口。隨著新建建筑的不斷增多及天然氣供給短缺，供熱缺口將越來越大。

地?zé)崮苁且环N綠色低碳的可再生能源，地?zé)峁┡粌H可以減少煤炭消耗，也降低了煤炭燃燒所產(chǎn)生的氣體、煙塵對環(huán)境的污染，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益［1-2］。韓城市碳酸鹽巖熱儲(chǔ)因其出水量大、水溫高、易于回灌的特點(diǎn)，成為了重點(diǎn)開發(fā)利用目標(biāo)。通過對中深層（水熱型）地?zé)豳Y源進(jìn)行估算，碳酸鹽巖巖溶裂隙類地?zé)豳Y源總量為18.76×1018J，相當(dāng)于6.40×108t標(biāo)準(zhǔn)煤。資源潛力巨大，具備發(fā)展水熱型地?zé)崮艿馁Y源優(yōu)勢和基礎(chǔ)［3］。

地?zé)峋@取優(yōu)質(zhì)的地?zé)崴遣晒嘈偷責(zé)崮芄┡到y(tǒng)的前提條件，由于韓城市地?zé)峋┕ど疃却?，工藝?fù)雜，投資大，風(fēng)險(xiǎn)也高［4-6］。鉆井費(fèi)用占整個(gè)采灌型地?zé)衢_發(fā)項(xiàng)目投資總費(fèi)用的70%以上，是影響整個(gè)水熱型地?zé)崮茼?xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的最敏感因素，而鉆井關(guān)鍵技術(shù)對地?zé)峋某删|(zhì)量具有重要意義，對韓城地區(qū)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。

1 中深層鉆井難點(diǎn)

韓城地區(qū)地層、構(gòu)造條件復(fù)雜，施工中深層地?zé)峋y度較大，主要存在以下難點(diǎn)。

（1）鉆井深度較大，一般為3000～4000 m，鉆井深度的增加，對鉆井工藝和設(shè)備要求較高。井壁圍巖穩(wěn)定性差，在高溫高壓且深度較大的巖體中施工，鉆進(jìn)過程中井壁圍巖遇水極易產(chǎn)生熱破裂及井眼擴(kuò)大，脫落下來的巖石極易造成卡鉆現(xiàn)象［7］。下技術(shù)套管及固井過程中若泥漿性能控制不當(dāng)，則容易造成卡套管及固井循環(huán)不通、套管擠毀斷裂等事故。

（2）韓城地區(qū)二開鉆遇造漿性能好的孫家溝組棕色泥巖及膏泥巖層，該段泥巖可塑性強(qiáng)，極易吸水，會(huì)產(chǎn)生縮徑、阻卡及鉆頭泥包，影響鉆井效率。

（3）地?zé)峋删桓妒褂煤?，需長期進(jìn)行抽采地下熱水，因此需選擇安全、可靠、穩(wěn)定的止水工藝進(jìn)行止水。

（4）碳酸鹽巖含水層具有富水性極不均勻的特點(diǎn)，很難預(yù)先查清深部地?zé)醿?chǔ)層的富水性和導(dǎo)水性，從而無法保證地?zé)峋鏊?，采用常?guī)洗井、爆破和常規(guī)酸化也影響地?zé)峋畣尉a(chǎn)能及回灌量。

（5）在城區(qū)進(jìn)行地?zé)峋┕?，往往受到場地限制，需要高效利用鉆井場地，合理布設(shè)地?zé)峋?，在達(dá)到熱儲(chǔ)層最小井間距的前提下，設(shè)計(jì)最優(yōu)的井身軌跡，實(shí)現(xiàn)原位采灌地?zé)崮荛_發(fā)利用系統(tǒng)布置。

2 防塌高效鉆井技術(shù)

韓城地區(qū)孫家溝組上部巖性上段以棕紅色-紫紅色泥巖夾粉砂巖薄層為主，含鈣質(zhì)結(jié)核及石膏條帶，下段以黃綠、暗紫色中-細(xì)粒砂巖為主，夾暗紫紅色砂質(zhì)泥巖（見圖1）；厚度150～320 m，平均230 m。該段巖石泥巖單層厚度最大達(dá)93.4 m，由于存在石膏夾層，巖石裂縫較發(fā)育，水敏性強(qiáng)，極易吸水膨脹。

圖1 某鉆孔紅色砂質(zhì)泥巖巖心照片F(xiàn)ig.1 Cores from a borehole

在某地?zé)峋@進(jìn)過程中，鉆遇該段地層時(shí)，機(jī)械鉆速由18～54 m/h下降至2.25～9 m/h，出現(xiàn)上提鉆具下放遇阻、劃眼憋泵現(xiàn)象。更換泥漿后，反復(fù)劃眼，仍無法遏制井壁坍塌，井壁坍塌范圍不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致無法繼續(xù)鉆進(jìn)，最終選擇側(cè)鉆鉆進(jìn)。針對井壁坍塌事故，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)分析了影響井壁失穩(wěn)的主要因素，分析造成井壁坍塌原因，從鉆井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系對施工方法進(jìn)行優(yōu)化，取得了良好的效果。

2.1 鉆井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為防止井壁坍塌造成卡鉆、套管粘卡事故，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（見圖2、表1）。

圖2 井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Well bore structure

表1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對照Table 1 Comparison of wellbore structures before and after optimization

增大環(huán)狀空隙，可有效防止因泥巖遇水膨脹或泥餅過厚粘、卡鉆事故，防止下套管過程中粘卡套管事故發(fā)生，同時(shí)滿足一開及三開井徑要求。采用的鉆具組合：?241.3 mm鉆頭+?172 mm螺桿馬達(dá)（1.25°）+浮閥+?172 mm定向接頭+?172 mm無磁鉆鋌+127 mm鉆桿，避免鉆具連接時(shí)出現(xiàn)過多的臺(tái)階，降低起下鉆摩阻和卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)采用螺桿+鉆頭進(jìn)行低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大泵量鉆進(jìn)，提高鉆井效率，減少鉆進(jìn)時(shí)間。

2.2 防塌鉆井液體系

該段地層水敏性較強(qiáng)，容易造漿，使得井眼內(nèi)的泥質(zhì)和固相含量增加，高固相泥漿會(huì)使泥餅質(zhì)量變差，使得鉆井液濾失量增加，鉆井液濾矢量的增加又加速了粘土的水化，從而形成一種水化濾失的惡性循環(huán)［9］。隨著濾矢量的增加，泥餅不斷變厚，造成卡鉆事故。因此，在配置鉆井液的同時(shí)要精確計(jì)算鉆井液的密度，有效平衡地應(yīng)力與熱應(yīng)力。嚴(yán)格控制鉆井液濾失量，減小液體向井壁巖石的滲透，保證井壁的穩(wěn)定性。

二開施工時(shí)，鉆遇該地層前，在聚合物泥漿體系下，放掉部分原漿，替入如下鉆井液：

原井漿∶水（8∶2）+1.0%～1.5% G319-FTJ+0.1%～0.2%PHP+0.3%～0.8%GPX+1.5%～3%FRH+2%～3%KHm+2%～0.5%LVCMC0.+0.1%～0.15%NaOH+BaSO4至合適密度。

隨井深增加，逐漸加入RST和HTX，提高鉆井液抗高溫和抗鈣能力。該鉆井液體系機(jī)理不同于傳統(tǒng)的抑制型鉆井液，它是依靠有機(jī)胺獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)能使得抑制劑很好地吸附在粘土層間，并使得粘土層緊密結(jié)合在一起，降低了粘土吸收水分的趨勢，不僅具有更強(qiáng)的抑制水化膨脹分散的能力，更具有成膜作用。為防止鉆井液粘度、切力上升較快，應(yīng)采取多種手段盡可能降低鉆屑含量和含砂量，將膨潤土含量控制在30～50 g/L，降低粘度至40 s左右再實(shí)施加重。實(shí)踐證明，優(yōu)化后的鉆井液配方具有良好的抗污染能力、抗溫能力和良好的流變性。能有效防止井壁坍塌事故。

3 地?zé)峋顾に?/h2>

止水工藝是地?zé)峋删夭豢缮俚沫h(huán)節(jié)。目前地?zé)峋顾捎玫姆椒ㄖ饕?種。第一種是在套管及其交錯(cuò)部位與下端采用止水材料，然后用鐵絲進(jìn)行綁扎，放入到止水層段，材料遇水后將發(fā)生膨脹，實(shí)現(xiàn)封閉止水，該種止水方法廣泛應(yīng)用于水文水井及煤田水文鉆孔施工中。第二種方法是采用封水止水器止水，通過異徑止水，在兩板間設(shè)置硅膠板或者橡膠板，借助其遇水后膨脹的特性，起到封堵、阻隔地層水的作用。該止水裝置能從根本上克服傳統(tǒng)止水材料局限性，目前已經(jīng)能廣泛用在地?zé)峋八木氖┕ぶ小５谌N方法是采用水泥固井進(jìn)行止水［10］，該止水方法可與其它方法組合使用，對固井質(zhì)量要求較高，尤其在多級鉆井井身結(jié)構(gòu)中，需嚴(yán)格控制水泥上返高度，水泥上返高度不足時(shí)，難以保證懸掛處止水質(zhì)量，水泥上返較多時(shí)，卸壓后存在凝固入井管柱串的風(fēng)險(xiǎn)。

在韓城地區(qū)某地?zé)峋┕r(shí)采用“穿鞋戴帽”的止水工藝，即上部?339.7 mm套管與?177.8 mm套管連接處（442～450 m）采用膨脹橡膠壓縮止水，?177.8 mm技術(shù)套管下部采用水泥漿固井止水，水泥漿上返高度在開采段頂部300 m以上，即井深2630～2930 m為水泥固井段。但在地?zé)峋_采過程中，由于技術(shù)套管上部未進(jìn)行水泥固井，開采過程中技術(shù)套管在高溫條件下產(chǎn)生熱脹冷縮，套管上行；加之膨脹橡膠在高溫條件下老化分解，使得膨脹壓縮止水失效。上部含水層低溫地層水涌入井內(nèi)，給生產(chǎn)帶來影響。

對事故原因進(jìn)行分析后，通過多種處理方案比選，選擇利用?177.8 mm套管上部的正反口丟手接頭，加接1根?177.8 mm套管，套管外部與?339.7 mm套管的環(huán)狀間隙用水泥漿封固，進(jìn)行上部2次止水（見圖3），達(dá)到止水目的。

圖3 事故處理（上部2次止水）示意Fig.3 Treatment of downhole incidents

為達(dá)到地?zé)峋L期開采利用的目的，避免出現(xiàn)同類止水失效事故，在其它地?zé)峋┕r(shí)，技術(shù)套管止水采用全井段尾管注水泥固井止水，水泥漿采用低密度+高密度水泥漿體系，既能在施工前、施工中、候凝中壓穩(wěn)地層，又能保證止水效果。上部懸掛處在?339.7 mm套管底部加接?245 mm套管50 m，與技術(shù)套管形成環(huán)狀空隙，控制水泥上返高度，保證水泥上返至?245 mm套管與技術(shù)套管重疊環(huán)狀空隙處，水泥漿上返至懸掛器頂部。通過抽水試驗(yàn)及供暖時(shí)抽采地?zé)崴\(yùn)行監(jiān)測，證明該止水方法有效地阻止了淺層低溫水從套管搭接部位或其它部位滲入目的層熱水，止水方法可靠，質(zhì)量良好。此外，技術(shù)套管采用水泥漿全部封固后，既可以起到隔熱保溫作用，還可以保護(hù)技術(shù)套管，同時(shí)避免了地下含水層在技術(shù)套管外相互串通，破壞地下含水層。建議后續(xù)地?zé)峋┕げ捎盟喙叹顾に嚒?/p>

4 酸化增產(chǎn)增灌處理措施

酸化技術(shù)是油氣層改造常用的技術(shù)之一，在石油天然氣行業(yè)已進(jìn)行了多年的研究與實(shí)踐，技術(shù)已相對成熟［11］。在碳酸鹽巖飲用水及工業(yè)用水水井施工中，部分水井產(chǎn)量不達(dá)標(biāo)，采用常規(guī)酸洗工藝進(jìn)行洗井，即將高濃度鹽酸從井口直接注入井內(nèi)，鹽酸與井筒表皮的灰?guī)r、白云巖反應(yīng)后，下入潛水泵將反應(yīng)殘液排出，從而達(dá)到含水層表皮解堵的目的。

近年來，酸化技術(shù)也逐漸應(yīng)用到地?zé)峋┕ゎI(lǐng)域，在咸陽、渭南等地取得了一定的成果，但由于酸化是一個(gè)復(fù)雜的酸巖反應(yīng)過程，酸與巖石的反應(yīng)是發(fā)生在多孔介質(zhì)中的多相反應(yīng)，加之每種礦物與酸的反應(yīng)速度不一致，導(dǎo)致酸化技術(shù)的復(fù)雜性。地?zé)峋峄┕ぜ夹g(shù)有待于進(jìn)一步研究。

鹽酸可以溶解碳酸鹽巖，反應(yīng)產(chǎn)物可溶于水并生成二氧化碳?xì)怏w，利于反應(yīng)殘液返排?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下：

同時(shí)，鹽酸也可以溶解地?zé)峋坠?、鉆桿等金屬，因此給酸化施工帶來不便，經(jīng)常會(huì)造成儀器故障、井柱泄漏及斷裂等事故，其化學(xué)反應(yīng)式如下：

通過對巖心、巖屑進(jìn)行了匹配實(shí)驗(yàn)，確定韓城地區(qū)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)合適的酸液配方為：60%（31%HCl）+2%酸化緩蝕劑+3%鐵離子穩(wěn)定劑+2%防膨穩(wěn)砂劑+0.5%助排劑+0.05%消泡劑，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，酸液最優(yōu)用量90 m3。

具體施工過程如下：

（1）連接現(xiàn)場設(shè)備（見圖4），將鉆桿下至主要含水層，封閉井口，并安裝帶高壓閥門的注酸口與放噴口，使注酸口閥門處于打開狀態(tài)，放噴口閥門處于完全關(guān)閉狀態(tài)；

圖4 施工工藝流程示意Fig.4 Construction process flowchart

（2）將清水從注酸口注入，觀察并記錄壓力變化，確保井口、壓力管線、水龍帶等密封效果良好；

（3）待泵壓及井口壓力穩(wěn)定后，且密封效果良好的情況下，將洗井酸液由注酸口緩慢壓入井中；

（4）全部酸液注完后，繼續(xù)向井中壓入清水（將鉆桿中的酸液完全頂入井中），之后完全關(guān)閉注酸口閥門，斷開高壓泵與注酸口的連接，并保持注酸口與放噴口同時(shí)關(guān)閉，觀察井口壓力，使鹽酸與地層充分反應(yīng)；

（5）待井口壓力釋放后，拆卸井口裝置，提取鉆桿，下入水泵抽洗。

5 原位采灌工程優(yōu)化布置

在城區(qū)施工地?zé)峋艿孛鏃l件限制，為充分利用場地，地?zé)釁彩蕉ㄏ蚓膽?yīng)用越來越廣泛［12-13］。地?zé)峋煌谟吞飬彩蕉ㄏ蚓牡胤皆谟?，地?zé)釁彩骄牟贾眯柙诳紤]回灌井與開采井不產(chǎn)生熱突破的前提下，能夠精準(zhǔn)命中富水靶區(qū)。多口井從一個(gè)平臺(tái)打到不同的富水靶區(qū)，這時(shí)既要考慮本平臺(tái)鄰井的防碰問題，又要保證下部目的層段能夠命中富水靶區(qū)。根據(jù)韓城地區(qū)地?zé)徙@井實(shí)踐，借鑒油田叢式井施工方法，總結(jié)地?zé)峋徊晒喙こ滩贾眉夹g(shù)要點(diǎn)為：

（1）防碰繞障技術(shù)。在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮鄰井情況，通過井眼軌道類型、造斜點(diǎn)、造斜率等的優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量避開老井，必要時(shí)進(jìn)行繞障設(shè)計(jì)。利用軟件進(jìn)行防碰掃描和防碰距離計(jì)算。在施工時(shí)，做好現(xiàn)場井眼軌跡的監(jiān)控和防碰繞障。

（2）物探地質(zhì)綜合預(yù)測技術(shù)。利用地震、磁法、電法等不同方法組合，研究熱儲(chǔ)物性特征和地質(zhì)構(gòu)造要素，同時(shí)，利用地質(zhì)手段研究地?zé)岬刭|(zhì)背景特征，評價(jià)地?zé)嶂骺匾蛩丶百Y源狀況。綜合物探、地質(zhì)手段建立熱儲(chǔ)模型，精準(zhǔn)模擬熱儲(chǔ)富水特征，找到富水靶區(qū)，為鉆井提供依據(jù)。通過地?zé)釁彩骄氖┕ぃ_(tái)多井，節(jié)約了大量土地，井口管道及設(shè)備集中后，修井、起下泵方便，易維護(hù)，同時(shí)，通過物探及地質(zhì)條件綜合分析，優(yōu)化井眼布置，達(dá)到地?zé)峋弋a(chǎn)、高灌，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

6 梯級換熱與回灌系統(tǒng)

對于中深層水熱型地?zé)豳Y源的利用，回灌開發(fā)是國內(nèi)外專家公認(rèn)的地?zé)衢_發(fā)的良性循環(huán)模式［14-15］。在地?zé)崮荛_發(fā)利用中必須遵循采用抽灌井組進(jìn)行地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，嚴(yán)格遵循“同層原水回灌”、“以灌定采”原則?；毓嘤幸韵轮饕獌?yōu)點(diǎn)：補(bǔ)充熱儲(chǔ)可開采量，變靜態(tài)儲(chǔ)量為動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量；回灌水在地下經(jīng)地層加熱后，重新開采，可更多地利用地?zé)崮?，緩解由于大量開采地?zé)崴赡苷T發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。

地?zé)峋删笸ㄟ^潛水泵抽采地下熱水，地?zé)崴ㄟ^管道從各地?zé)峋龊徒尤胗诘叵轮甭穹笤O(shè)管道直至熱泵機(jī)房內(nèi)，作為建筑物提供冬季供熱熱媒。地?zé)崴谝患壊捎酶咝О迨綋Q熱器提取地?zé)峋袩崃?，直接用于建筑物冬季供暖，第二級采用水源熱泵機(jī)組，間接提取板式換熱器一次側(cè)回水中的熱量，作為建筑的冬季供暖熱媒。經(jīng)過兩級換熱后的地?zé)嵛菜ㄟ^回灌加壓系統(tǒng)由回灌井注入到地下開采層（見圖5）。

圖5 地?zé)崴菁壚霉┡到y(tǒng)原理示意Fig.5 Schematic diagram of the geothermal water cascade utilization heating system

通過梯級換熱與回灌后，既可以使地?zé)崴_(dá)到充分利用，又能保證不破壞地下含水層，實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿目沙掷m(xù)開發(fā)利用。

7 結(jié)論

根據(jù)韓城地區(qū)地?zé)豳Y源賦存的地質(zhì)特征及開發(fā)過程中遇到的難點(diǎn)，在試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，研究了韓城地區(qū)地?zé)徙@井施工的關(guān)鍵技術(shù)問題，得到以下主要結(jié)論：

（1）總結(jié)分析了韓城市開發(fā)地?zé)豳Y源的必要性及可行性，提出韓城地區(qū)地?zé)豳Y源賦存的地質(zhì)特征及開發(fā)過程中遇到的難點(diǎn)；

（2）提出通過優(yōu)化鉆井井身結(jié)構(gòu)與防塌鉆井液體系相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)泥巖地層防塌高效鉆井技術(shù)；

（3）通過對止水案例的分析，建議在地?zé)峋┕ぶ校顾坠芤盟酀{全部封固，以免發(fā)生止水失效事故；

（4）根據(jù)韓城地區(qū)地?zé)醿?chǔ)層巖性及測井解釋成果，提出了合理的酸液配方及酸化施工工藝流程，該施工工藝能顯著增加地?zé)峋鏊浚瑢n城地區(qū)地?zé)峋霎a(chǎn)處理施工具有重要的指導(dǎo)意義；

（5）通過原位采灌工程優(yōu)化布置，實(shí)現(xiàn)節(jié)約土地、高產(chǎn)、高灌，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化；

（6）分析了梯級換熱與回灌技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿目沙掷m(xù)開發(fā)利用；

（7）韓城地區(qū)地?zé)崮荛_發(fā)利用正處于起步階段，對韓城地區(qū)地?zé)徙@井關(guān)鍵技術(shù)的研究，具有重要的科學(xué)與工程意義。