基于同井雙目的層地熱勘探井井身結構設計與實踐

楊忠彥，任鴻飛，林圣明，朱懷亮，朱 挺

（1.天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250；2.河南省有色金屬地質礦產局，河南 鄭州 450016）

0 引言

在鉆井工藝設計中，井身結構設計是基礎［1-3］，也是關系到鉆井能否安全、優(yōu)質、高效和經濟完成鉆探目的的重要因素［4-7］，其主要任務是根據井身結構設計確定套管的下入層次、下入深度、固井水泥漿返深等。

地熱井一般沒有異常高壓地層，故不同于油氣井，其井身結構設計不以地層壓力為設計主線。與此同時，在地熱資源的勘探過程中，為了高效地利用勘探資金，往往在1眼勘探井中設立2個以上的勘探目的層，這就對鉆井工藝提出了更高的要求?；谏鲜鲈?，為了保證在安全經濟的條件下完成鉆探目的，筆者在長期實踐中總結出來一套基于同井雙目的層的地熱勘探井井身結構設計方法，并在河南WR-1地熱勘探井設計工作中進行了驗證。

1 河南WR-1地熱井概況

WR-1地熱井是服務2017年度河南省財政勘查項目“鄭州航空港經濟綜合試驗區(qū)（尉氏段）地熱資源調查”的地熱勘探井。根據區(qū)域地質情況、鄰井地層情況及物探解譯結果，地質設計給出了該井可能鉆遇的地層情況，如表1所示。

表1 WR-1地熱勘探井鉆遇地層預測Table 1 Predicted lithology in WR-1 well

1.1 成井方法

WR-1井共設置2個勘探目的層，其中館陶組地層采用過濾器成井，奧陶系地層采用先期裸眼成井。

1.2 主要技術難點

設計過程中，需要兼顧鉆探目的與鉆井安全，充分考慮井身結構各要素的關系，重點解決以下問題：

（1）選擇正確合理的套管封隔點，減少2個目的層的干擾因素，以保證安全施工。

（2）目的層館陶組過濾器成井，測試后繼續(xù)鉆進，成井管柱兼做技術套管，需要兼顧成井效果和安全鉆進。

（3）館陶組成井管柱固井設計問題。

2 基于雙目的層地熱勘探井井身結構設計

針對地層情況及施工難點，在本次施工中提出了一種基于雙目的層地熱勘探井井身結構設計方法，相比于傳統(tǒng)井身結構，能夠更好地起到固井防塌、封隔地層的作用。

2.1 套管程序設計

2.1.1 套管封隔點確定思路

常壓地層，主要按照地層巖性特征、構造特征及鉆成井工藝要求、鉆井成本等方面確定各級套管的封隔點。而基于雙目的層地熱勘探井井身結構設計方法，則需要考慮獨立成井及各自目的層位置結合地層巖性、鉆井安全經濟來確定封隔點位置［8-10］，因此對表層套管和技術套管的設計也提出了更高的要求。

2.1.1.1 表層套管

在此次設計中，表層套管的作用是防止淺部水層受到污染和上部松散地層塌孔，與此同時也需要兼作泵室管。本井第四系地層預測厚度200 m，初選表層套管下入深度為200 m，同時根據區(qū)域內儲層壓力和開發(fā)情況，可以滿足作為泵室的要求［11-13］。

2.1.1.2 技術套管

一般情況，基巖面上下地層可鉆性差異大，上部地層成巖性差，穩(wěn)定性差，因此需要一級技術套管封隔［12-14］。由于本井預測三疊系頂板（基巖面）深度達1200 m，同時館陶組是勘探目的層，需要獨立成井，因此選定二開技術套管封隔點1200 m。此時二開技術套管也作為館陶組目的層的成井管柱［13-16］。

奧陶系目的層采用先期裸眼成井方法，因此頂板以上需要套管封隔水敏不穩(wěn)定地層。故三開技術套管深度2850 m。

2.1.2 套管尺寸與井眼直徑的選配

根據套管封隔點確定后的情況，將WR-1地熱勘探井設計為四開鉆井結構，需要下入三級套管。

地熱井設計套管尺寸和井眼直徑時一般考慮幾點因素：表層套管兼作泵室管，直徑應滿足下入潛水泵要求；套管之間的間隙主要從鉆井工藝要求、鉆井任務要求和成本方面考慮；套管與井眼間隙應考慮地層巖性特性、井斜角、曲率等情況［1］。

實際設計過程中，無特殊情況下，通常采用“13/9/7”配合系列。具體內容即：套管尺寸（英制）依次為13、9、7 in（1 in=25.4 mm，下同），配合的井眼直徑（英制）為17、12、8in。

按照“13/9/7”套管系列確定本井套管尺寸與井眼直徑的配合系列如下：

一開?444.5 mm，深度200 m，下入表層套管尺寸?339.7 mm，深度200 m。

二開?311mm，深度1200 m，下入?244.5 mm技術套管（兼做成井套管），下入井段170～1200 m，與表層套管重疊30 m。

三開?215.9 mm，深度2850 m，下入?177.8 mm技術套管，下入井段1170～2850 m，與二開套管重疊30 m。

四開?152.4 mm，深度3000 m。

2.2 套管設計

在雙目的層地熱井設計過程中，由于產層復雜，在設計套管時需要通過強度校核選擇符合要求且合理的壁厚和鋼級［1］。

地熱井一般為常壓地層，不存在高壓氣體等，不考慮抗內壓，一般工況以抗外擠為主，本井預測沒有高塑性地層、巖鹽地層，因此以常規(guī)工況校核外擠強度，選擇合適的鋼級和壁厚，然后再進行抗拉強度校核。安全系數可以參考石油鉆井的相關要求。

2.2.1 表層套管

表層套管兼作泵室管，使用功能對性能的要求高于鉆井技術的要求，一般不做校核，綜合考慮泵室的抗腐蝕、使用壽命等因素，選用鋼級J55、壁厚9.65 mm的石油套管。

2.2.2 二開技術套管

2.2.2.1 通過抗外擠壓力選擇鋼級和壁厚

一般按下套管時井內最大鉆井液靜液柱壓力作為套管的最大外擠載荷，套管外擠力計算公式如下［1］：

式中：Pj——外擠壓力，MPa；ρm——鉆井液密度，g/cm3；Hj——井深，m。

地熱井極端外擠工況為空壓機洗井掏空，一般按掏空700 m來計算，ρm取1.15 g/cm3，則計算出外擠壓力Pj=7.9 MPa。取安全系數1.125，故套管的抗 外 擠壓 力 必 須大 于Pj×1.125=8.89 MPa［2］。幾種常用的?244.5 mm地熱井套管的相關性能見表2。

表2中前2種套管雖然也能滿足抗擠要求且成本低，但不常用，采購困難，故選用第3種套管，其壁厚8.94 mm，J55鋼級，抗擠13.9 MPa。

表2 幾種?244.5 mm套管相關性能Table 2 Specifications of different types of 244.5mm casing

2.2.2.2 抗拉強度校核

套管柱軸向拉力是由套管柱自重產生，套管柱自下而上軸向拉力變大，最頂端套管所承受的軸向拉力最大，計算套管最大軸向拉力［1］。

式中：Tz——套管自重產生的軸向拉力，kN；qi——第i段套管單位長度質量，kg/m；li——第i段套管長度，m。

q1為53.57 kg/m，段長l1為1030 m，計算出套管軸向拉力為Tz1=541.3 kN，以接箍連接強度進行抗拉校核，據規(guī)范查得接頭連接強度為1753 kN，安全系數取2.0，有Tz1×2.0=1082.6 kN＜1753 kN，抗拉強度滿足要求。

2.2.3 三開技術套管

三開技術套管在本井鉆井及利用過程中少有抗擠工況，只需校核抗拉強度。地熱井施工中?177.8 mm石油套管常用以下幾種類型［2］，其相關性能見表3所示。

表3 幾種?177.8 mm套管相關性能Table 3 Specifications of different types of 177.8mm casing

表3中第1種套管成本最低，對其進行抗拉強度校核。設計段長1680 m，套管單位質量34.23 kg/m，安全系數取1.7。計算得Tz2=564 kN，接頭連接強度為1383 kN，安全系數取2.0，有Tz2×2.0=1128 kN＜1383 kN，滿足抗拉要求。

三開?177.8 mm套管選擇的壁厚為8.05 mm，鋼級為J55。

2.2.4過濾器設計

館陶組目的層過濾器成井，?311 mm井眼下入?244.5 mm過濾器，常規(guī)過濾器無法滿足要求，因此需要進行重新設計。

根據儲層性質確定過濾器類型為纏絲籠式過濾器，為了提高擋砂效果設計內包網結構；骨架管尺寸需與技術套管一致；過濾器最大外徑應與井眼直徑相匹配，以能夠安全下入為前提，原則上過濾器最大外徑≯骨架管接箍外徑，參數見表4。設計過濾器最大外徑268 mm（骨架管接箍外徑269.9 mm）。

表4 過濾器設計參數Table 4 Design technical parameters of the filter

2.3 固井設計

2.3.1 表層套管固井

采用內管固井方法，套管內下入內管，封井口，頂替水泥漿進行固井作業(yè)，如圖1所示。該方法的優(yōu)點是操作簡單，頂替液漿量小，容易準確計量。表層固井多采用R32.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿密度≮1.70 g/cm3，水泥塞高度≮10 m。

圖1 表層套管固井Fig.1 Surface casing cementing

2.3.2 二開技術套管固井

2.3.2.1 過濾器底部“穿鞋”固井

二開館陶組目的層過濾器成井，技術套管兼做成井管柱，底部“穿鞋”固井目的是穩(wěn)固套管，保證三開鉆井安全。采用內插管固井方法，下管時將內插底座連接在過濾器底部預定位置，下井到位后，下入內插接頭與底座密封連接，這樣就可以在過濾器下部進行注水泥固井作業(yè)［17］。過濾器底部固井如圖2所示。

圖2 過濾器底部固井Fig.2 Cementing of the filter bottom

水泥返高不得超過過濾器底界，避免水泥封固水層。采用G級油井水泥，水泥漿密度≮1.80 g/cm3，水泥漿上返至過濾器下部50 m。

2.3.2.2 重疊段擠水泥固井

底部固井完成后，與表層套管重疊部分采用擠水泥固井，起到止水和固定套管的目的。操作步驟為下入鉆桿，封井口，通過固井泵壓裂地層擠入水泥漿封固重疊部分，重疊段擠水泥固井如圖3所示。采用G級油井水泥，干水泥用量≮5 t，水泥漿密度≮1.80 g/cm3，技術套管頂部水泥塞高度≮10 m。

圖3 重疊段擠水泥固井Fig.3 Squeezing of cement along the overlayingcasing interval

2.3.3 三開技術套管固井

2.3.3.1 底部“穿鞋”固井

鉆具連入管柱送至井內，到位后頂替循環(huán)進行“穿鞋”固井，如圖4所示。G級油井水泥，水泥漿密度≮1.80 g/cm3，水泥漿上返高度≮400 m，套管內水泥塞高度≮20 m。

圖4 底部“穿鞋”固井Fig.4 Cementing of the casing bottom

2.3.3.2 重疊部分擠水泥固井

重疊部分擠水泥固井原理及參數同2.3.2.2。

2.4 設計的井身結構

通過上述設計過程，確定了該勘探井井身結構的全部要素，設計的井身結構數據見表5。

3 鉆井實踐

河南WR-1地熱井嚴格按照表5井身結構設計進行了施工，實際井身結構見圖5，圓滿完成了各項勘探任務，井身結構的合理性和可行性得到了驗證。

表5 河南WR-1井井身結構設計數據Table 5 Casing program of WR-1 well

圖5 河南WR-1井井身結構Fig.5 Structure of WR-1 well

3.1 施工驗證過程簡介

3.1.1 一開鉆井施工

一開?444.5 mm鉆頭鉆至井深200.75 m完鉆，按設計下入?339.7 mm、壁厚9.65 mm、鋼級J55的表層套管200.75 m，對應井深0～200.75 m。內管法固井，R32.5礦渣硅酸鹽水泥，干水泥用量16 t，水泥漿密度為1.75 g/cm3，水泥漿返至地面。

3.1.2 二開鉆井施工

二開?311.2 mm鉆頭鉆進至1150 m鉆穿館陶組，為了保證固井質量，繼續(xù)加深至1295.06 m二開完鉆。下入?244.5mm、壁厚8.94 mm、鋼級J55的成井管柱，長度1124.64 m，對應井深170.42～1295.06 m，其中過濾器長度80.71 m。

過濾器底部采用內插管固井，內插接頭安裝位置1280.68 m，過濾器底界1129.29 m，預計水泥返深1180 m，G級油井水泥5 t，水泥漿密度1.81 g/cm3，套管內水泥塞20 m。上部重疊段擠水泥固井，G級油井水泥7.5 t，水泥漿密度1.81 g/cm3。?339.7 mm套管內水泥塞20 m，候凝時間36 h。

館陶組熱儲層測試結果，靜水位50.4 m，動水位114.95 m，出水量為100.39 m3/h，出水穩(wěn)定流溫為55℃。

3.1.3 三開鉆井施工

三開?215.9 mm鉆頭鉆進至井深2954.08 m完鉆。下入?177.8 mm、壁厚8.05 mm、鋼級J55的石油套管1694.82 m，對應井深1259.26～2954.08 m，與上一級套管重疊35.8 m。底部固井使用G級油井水泥11 t，水泥漿密度1.81 g/cm3。重疊段擠水泥固井，G級油井水泥5 t，水泥漿密度1.80 g/cm3，候凝48 h。

3.1.4 四開鉆井施工

四開采用?152.4 mm鉆進奧陶系目的層，至井深3302 m完鉆終孔。奧陶系裸眼成井，后進行一系列洗井及產能測試，結果該儲層在本井發(fā)育不理想，不具備開發(fā)價值。

3.2 實踐效果分析

從上述施工驗證過程來看，本文提出的設計方案能夠滿足指導實際生產的要求，但在實施過程中也出現了一些與理論不相符合的情況，針對這些情況對本設計方案也進行了一定的調整修改。

（1）井身結構設計時，對館陶組儲層測試后如何封閉有2種方案，一是注水泥封堵，二是鉆進中鉆井液封堵。實鉆中水泥封堵難度大，采用了第二種方案。三開鉆進過程中，當鉆井液密度＞1.16 g/cm3時，館陶組儲層發(fā)生了鉆井液漏失，為了鉆井安全，鉆井液密度嚴格控制在1.15 g/cm3以下。但當鉆進至2440 m左右時二疊系泥巖地層壓力高，有坍塌掉塊現象，需要加重鉆井液平衡地層壓力，以保持井壁穩(wěn)定。處理過程中經常出現上漏下塌的復雜情況，最終采用先堵漏再逐漸加重的方案解決了問題。

（2）實鉆館陶目的層粒度很細，屬于粉砂層，原設計的過濾器內包40目銅網無法有效擋砂，常規(guī)情況下，這種地層最有效的工藝為填礫成井，由于井身結構限制而無法實現。施工中采用再外包一層60目尼龍網工藝，實現了有效擋砂［18］。

（3）二開館陶組過濾器成井，為了提高洗井效果，實踐中將化學洗井加到固井工藝中，即底部固井注水泥前，注入0.8%焦磷酸鈉溶液20 m3，使其與井壁泥皮充分反應，更好地發(fā)揮了化學洗井的作用。水泥候凝約72 h后，進行了空壓機洗井，只用了10 h就疏通了儲層，達到了預期目的。

4 結論

（1）本井通過合理的井身結構設計，達到了安全勘探2個目的層并兼顧獨立成井測試的目的，為同井多目的層勘探提供了實踐經驗。

（2）二開中為了兼顧成井與繼續(xù)鉆進，重新設計了過濾器，實踐證明完全可以達到常規(guī)過濾器的性能效果。

（3）二開底部固井是關鍵環(huán)節(jié)，既要保證固井過程中第一目的層不被封堵，又要使套管穩(wěn)固，保證繼續(xù)施工的安全。實踐中采用內插法固井達到了目的，豐富了地熱井固井方法，可為其它類似項目提供借鑒。

（4）同井多目的層一般用于勘探井，從節(jié)約科研資金和對比分析的角度，通過一眼勘探井對不同儲層進行科學研究，是目前一些項目比較流行的做法，合理的井身結構設計是實現這一目的的關鍵。