中深層砂巖回灌井成井工藝優(yōu)化及效果分析
——以天津市明化鎮(zhèn)組為例

趙艷婷，沈健，趙蘇民，聞爽，張森

（天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250）

地?zé)豳Y源是一種無污染、可再生清潔能源，其開發(fā)利用是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)[1-2]、完成“雙碳目標(biāo)”的有效手段。然而，砂巖儲層普遍存在回灌困難的情況[3-4]，這是制約其可持續(xù)開發(fā)的關(guān)鍵問題[5-6]。天津地區(qū)地處華北盆地中北部，砂巖儲層地?zé)豳Y源豐富，其主力開采層為新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組。與館陶組相比，明化鎮(zhèn)組熱儲可開發(fā)潛力巨大，但其回灌能力與出水能力不相適應(yīng)。館陶組的回灌能力介于60~80 m3/h，單位回灌量普遍介于1.0 ~ 1.5 m3/（h·m），明化鎮(zhèn)組回灌能力普遍低于30 m3/h，單位回灌量一般在0.4 m3/（h·m）以下，回灌效果差異較大。迄今為止，前人對天津孔隙型砂巖熱儲，尤其是館陶組熱儲回灌方面進(jìn)行了大量研究，并逐漸總結(jié)出回灌流體運(yùn)移機(jī)理[7-8]、成井工藝[9-10]、回灌堵塞[11]以及回灌量衰減的影響因素[12-13]，提出了回灌評價體系[14]，并對不同完井工藝的回灌效果進(jìn)行了研究[15]。但有關(guān)明化鎮(zhèn)組回灌研究，特別是不同成井工藝之間的對比分析鮮見報道。將濾水管和大口徑填礫成井工藝在明化鎮(zhèn)組熱儲回灌井的應(yīng)用效果進(jìn)行了對比分析，提出了明化鎮(zhèn)組熱儲回灌的改進(jìn)方向。

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

天津市地區(qū)明化鎮(zhèn)組廣泛分布于寧河—寶坻斷裂以南區(qū)域[16]（圖1），滄縣隆起區(qū)內(nèi)底板埋深介于700~1 200 m，南淺北深，沉積厚度介于230~1 100 m。按巖性組合特征分為上、下2段：上段為砂巖、含礫砂巖與泥巖不等厚互層[17]；下段以砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，鈣質(zhì)團(tuán)塊較多。富水段巖性為半膠結(jié)的中、細(xì)砂巖、粉砂巖[18]，屬典型的弱—中等水流強(qiáng)度下的曲流河沉積。

圖1 天津市地區(qū)構(gòu)造分區(qū)（據(jù)參考文獻(xiàn)[16]修改）Fig.1 Tectonic division map of Tianjin area（modified accarding to reference[16]）

單井涌水量為40 ~ 80 m3/h，單位涌水量為0.76~5.45 m3/（h·m），井口穩(wěn)定流溫為34~78 ℃，地?zé)崃黧w化學(xué)類型以HCO3—Na 型、HCO3Cl—Na 型和SO4·Cl—Na型為主，總礦化度介于400~3 600 mg/L。孔隙度介于21.6 % ~ 39.1 %，滲透系數(shù)介于0.48 ~3.50 m/d，滲透率介于（140~2 410）×10-3μm2。

2 濾水管填礫成井工藝應(yīng)用情況

濾水管填礫成井是指在濾水管與含水層孔壁間，填入比含水層砂礫直徑更大的礫石材料而形成人工的過濾層[19]，增大出水量，有效預(yù)防松散粉細(xì)砂巖地層出砂，阻止含水層中的砂礫進(jìn)入濾水管內(nèi)[20]，井筒和地層之間有礫料的支撐，可以保持地層的穩(wěn)定性和過水效果，提高回灌效果，但其回灌效果還有待改善。

2.1 濾水管填礫井NM-01井回灌能力

NM-01 井采用了一開濾水管填礫成井方式，濾水管段對應(yīng)井徑400.05 mm，濾水管管徑177.8 mm，濾水管下入長度63.77 m，對應(yīng)取水層有效厚度53.54 m，單位涌水量為1.96 m3/（h·m），熱儲溫度為59 ℃，取水段中點(diǎn)埋深為1 045.3 m。因動水位埋深最終穩(wěn)定到井口附近，故試驗(yàn)僅進(jìn)行了1 組，回灌量為9.2 m3/h，對應(yīng)動水位埋深12.55 m，回灌流體溫度46 ℃（回灌流體為地?zé)崃黧w，未經(jīng)換熱器），持續(xù)時間24 h，穩(wěn)定時間9 h（圖2），校正到25 ℃后，靜水位埋深為11.275 m，動水位為20.21 m，水位回開值為92.54 m。

圖2 天津市明化鎮(zhèn)組NM-01井回灌試驗(yàn)歷時曲線Fig.2 Reinjection test curve of well NM-01 in Minghuazhen Formation,Tianjin

2.2 NM-02井回灌試驗(yàn)

NM-02 井采用一開濾水管填礫成井方式，濾水管段對應(yīng)井徑550 mm，濾水管管徑177.8 mm，濾水管下入長度118.49 m，對應(yīng)取水層有效厚度為67 m。NM-02井回灌試驗(yàn)中最小回灌量只能控制在30 m3/h，但動水位埋深最終漲至井口，未獲取穩(wěn)定動水位埋深（回灌試驗(yàn)回灌流體為地?zé)崃黧w，未經(jīng)換熱器）持續(xù)時間15 h（圖3），校正到25 ℃后，靜水位埋深為93.61 m，動水位為7.19 m，水位回升值為86.42 m。

圖3 天津市明化鎮(zhèn)組NM-02井回灌試驗(yàn)歷時曲線Fig.3 Reinjection test curve of well NM-02 in Minghuazhen Formation,Tianjin

綜上所述，兩眼井濾水管填礫回灌井的回灌能力在30 m3/h以下，NM-1井的回灌量更小，僅為9.2 m3/h。

3 大口徑填礫成井工藝回灌效果分析

3.1 大口徑填礫成井工藝原理

明化鎮(zhèn)組熱儲層的總厚度大，孔隙度較高，滲透率較大，為回灌流體在儲層中的運(yùn)移提供了基礎(chǔ)條件[21]，但相對于館陶組熱儲層，其砂層單層厚度薄，泥質(zhì)含量高，成巖性差、膠結(jié)疏松、易出砂，儲層敏感性高，需要成井工藝在減少鉆井液污染的前提下，具備良好的擋砂和支撐效果。盡管采用濾水管填礫成井對明化鎮(zhèn)組回灌效果有一定的提升，但是可以通過擴(kuò)大成井口徑或增加地?zé)峋∷蔚臐B流通道等措施進(jìn)一步改善回灌效果。鉆井過程中對鉆井組合和鉆井液進(jìn)行優(yōu)化，避免污染儲層，并采用聯(lián)合洗井方式防止成井過程中熱儲的孔隙通道被堵塞。

3.1.1 成井直徑

成井直徑能直接影響成井后的過流面積。目前填礫成井一般采用?177.8 mm的井徑，當(dāng)?shù)刭|(zhì)及工程條件允許時，可以選用?244.5 mm的井徑。

3.1.2 鉆具組合

選擇鉆具組合需要考慮在確保安全的前提下，盡可能快地提高鉆進(jìn)速度，減小鉆井液對地層的影響時間。采用螺桿和PDC鉆頭（圖4）復(fù)合鉆進(jìn)，能有效加快鉆進(jìn)速度，縮短鉆井液對地層的影響時間，減小影響程度。

圖4 PDC鉆頭Fig.4 PDC drilling bit

3.1.3 鉆井液

地?zé)峋Ｓ玫你@井液類型有細(xì)分散鉆井液、聚合物鉆井液、堵漏鉆井液、泡沫鉆井液和清水等。其中堵漏鉆井液與泡沫鉆井液是在易發(fā)生嚴(yán)重漏失的地層鉆井中所用的，清水一般用于地層穩(wěn)定的基巖層，均不適用于明化鎮(zhèn)組地?zé)峋@遇的地層。聚合物鉆井液中需大量添加高分子聚合物，形成的濾餅破壁后容易堵塞地層中的過水通道，且不易通過洗井的方式疏通排除，從而影響回灌效果。因此，以細(xì)分散鉆井液為主，同時降低黏土含量，少使用或不使用聚合物。選用的鉆井液密度介于1.05~1.10 g/m3，馬氏黏度介于30 ~ 40 s，失水量小于10 mL/30 min，pH值為9，含砂量小于0.5%。

3.1.4 洗井方式

洗井是解決成井工藝中鉆井液殘留影響的唯一途徑，其效果能直接影響明化鎮(zhèn)組回灌井的成井效果。多種洗井方式均有其獨(dú)特的作用。因此，明化鎮(zhèn)組回灌井宜采用多種洗井方式并舉的洗井組合方案。先進(jìn)行磷酸鹽洗井，破壞鉆井液殘留濾餅。再進(jìn)行高壓噴射洗井，對近套管段進(jìn)行徹底清理。然后通過拉活塞洗井，逐段疏通含水層。最后通過氣舉洗井，全面疏通全井。各洗井方式相輔相成，聯(lián)合洗井才能達(dá)到最佳效果。

3.2 NM-01B井回灌井

NM-01B井井深1 201.48 m，為一開直井，采用大口徑填礫成井工藝，揭露明化鎮(zhèn)組熱儲厚度為871.48 m，發(fā)育砂巖段（水層）共有17層103.7 m，濾水管段對應(yīng)井徑為590 mm，濾水管管徑為244.5 mm，濾水管下入長度為123.38 m，對應(yīng)取水層有效厚度81.56 m，孔隙度介于26.98%~34.08%，滲透率介于（425.73~1 211.10）×10-3μm2，泥質(zhì)含量介于3.33%~9.54%，單位涌水量為4.40 m3/（h·m）。

3.2.1 NM-01B井回灌試驗(yàn)

NM-01B 井進(jìn)行了3 組回灌試驗(yàn)，各組持續(xù)時間分別為26、43、72 h，穩(wěn)定時間分別達(dá)11、27、54 h，回灌流體為地?zé)崃黧w，供暖初期未換熱至較低溫度（圖5）。

圖5 天津市明化鎮(zhèn)組NM-01B井回灌試驗(yàn)歷時曲線Fig.5 Reinjection test curves of well NM-01B in Minghuazhen Formation,Tianjin

3.2.2 回灌能力對比

最接近NM-01B 井的同構(gòu)造單元同層位地?zé)峋荖M-01 井。兩眼井的地質(zhì)條件幾乎相同，井底距離為360 m。圖6 為兩眼井的井身結(jié)構(gòu)對比，分別采用濾水管填礫和大口徑填礫2 種工藝。從現(xiàn)場回灌試驗(yàn)可以看出，NM-01B 井的試驗(yàn)最大回灌量為32 m3/h，對應(yīng)動水位埋深為17.35 m，回灌流體溫度37 ℃。表1 列出了兩眼井的回灌試驗(yàn)計算結(jié)果，從實(shí)際回灌的最大值來看，NM-01B井回灌能力遠(yuǎn)高于NM-01 井。但由于NM-01B 井成井井徑和取水段有效厚度均大于NM-01 井，因此兩眼井在最大穩(wěn)定回灌量下所對應(yīng)的回灌流體溫度、動水位埋深也存在差異，為了便于對比分析，利用水位校正等相關(guān)推算公式將回灌流體溫度統(tǒng)一校正至25 ℃、動水位埋深統(tǒng)一按10 m，對最大回灌量進(jìn)行了重新計算，引入注水面積A注、單位注水面積回灌量q注物理量：

表1 天津市明化鎮(zhèn)組NM-01井、NM-01B井回灌試驗(yàn)計算結(jié)果對比Table 1 Comparison between calculation results of re-injection tests between well NM-01and well NM-01B in Minghuazhen Formation,Tianjin

圖6 天津市明化鎮(zhèn)組NM-01井、NM-01B井井身結(jié)構(gòu)對比示意圖Fig.6 Schematic diagram comparing the well structure of Well-NM-01 and Well-NM-01B in Minghuazhen Formation,Tianjin in Minghuazhen Formation,Tianjin

式中：A注為注水面積，單位m2；r為井半徑，單位m；h為取水段有效厚度，單位m。

式中：q注為單位注水面積回灌量，單位m3/h；A注為注水面積，單位m2；Q注為回灌量，單位m3/h。

根據(jù)對比結(jié)果可知，消除濾水管對應(yīng)井徑、取水段有效厚度差異的影響，NM-01B 井回灌能力是NM-01井的1.5倍；在此之上，消除回灌水溫、動水位埋深差異的影響，NM-01B 井回灌能力是NM-01 井的1.87倍。

3.3 NM-02B回灌井

回灌井NM-02B和開采井NM-02組成采灌系統(tǒng)，兩眼井的井底距離大于656 m。NM-02B井井深955 m，為一開直井，采用大口徑填礫成井工藝。揭露明化鎮(zhèn)組熱儲厚度673 m，發(fā)育砂巖段（水層）25 層145.7 m。濾水管段對應(yīng)井徑444.5 mm，濾水管管徑244.5 mm，濾水管下入長度114.09 m，對應(yīng)取水層有效厚度為65.74 m。孔隙度介于23.11%~39.12%，滲透率介于（342~2 413）×10-3μm2，泥質(zhì)含量4.41%~14.96%。

3.3.1 NM-02B回灌試驗(yàn)

NM-02B 井進(jìn)行了3 組回灌試驗(yàn)，各組持續(xù)時間分別為23、47、73 h，穩(wěn)定時間分別達(dá)到22、20、48 h，回灌流體為地?zé)崃黧w，供暖初期未換熱至較低溫度。歷時曲線見圖7。

圖7 天津市明化鎮(zhèn)組NM-02B井回灌試驗(yàn)歷時曲線Fig.7 Re-injection test curves of well NM-02B in Minghuazhen Formation,Tianjin

3.3.2 回灌能力對比

距NM-02B 井距離最近的同一構(gòu)造單元同層地?zé)峋疄镹M-02 井。圖8 為兩眼井的井身結(jié)構(gòu)比較，可見兩眼井分別采用濾水管填礫和大口徑濾水管填礫工藝，從表2 可以看出，NM-02B 井最大穩(wěn)定回灌量是58.0 m3/h，對應(yīng)動水位埋深17.63 m，回灌流體溫度36.5 ℃。從實(shí)際回灌的最大值來看，NM-02B井回灌能力遠(yuǎn)好于NM-02井。

表2 天津市明化鎮(zhèn)組NM-02井、NM-02B井參數(shù)對比Table 2 Comparison Comparison of parameters for Well-NM-02 and Well-NM-02B in Minghuazhen Formation,Tianjin

圖8 天津市明化鎮(zhèn)組NM-02、NM-02B井井身結(jié)構(gòu)對比示意圖Fig.8 Schematic diagram comparing the structure of wells NM-02 and NM-02B in Minghuazhen Formation,Tianjin

根據(jù)對比結(jié)果可知，消除濾水管對應(yīng)井徑、取水段有效厚度差異的影響，NM-02B 井回灌能力是NM-02井的2倍以上。

4 原因分析

明化鎮(zhèn)組具有砂巖粒徑小、砂巖膠結(jié)差、砂層薄和泥質(zhì)含量高的特點(diǎn)。濾水管填礫成井工藝具有良好的擋砂效果，阻止了地層中游離砂進(jìn)入井筒，避免在井筒內(nèi)沉積，淤埋過水通道，減小過流面積，從而造成回灌能力下降。大口徑填礫工藝在具備濾水管填礫成井工藝擋砂優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大成井直徑，增大了地?zé)峋删蟮倪^流面積。此外，鉆井施工過程中，鉆井液會在井壁形成濾餅，破壁后不能將濾餅完全清除出井內(nèi)，對地層造成堵塞，降低滲透系數(shù)，鉆井液配方優(yōu)化和鉆具組合優(yōu)化減小了施工時鉆井液的影響，減小堵塞，在鉆井施工結(jié)束后，通過聯(lián)合洗井的方式，將部分堵塞成分從地層中帶出，疏通地層。這些共同作用下，實(shí)現(xiàn)了明化鎮(zhèn)組儲層回灌能力的提升。

5 結(jié)論

1）天津明化鎮(zhèn)組儲層成巖性差、膠結(jié)疏松、易出砂，采用濾水管填礫成井工藝，可有效保持地層穩(wěn)定性并預(yù)防出砂，但回灌能力有待提升。

2）相比濾水管填礫成井工藝，大口徑填礫成井工藝中成井套管直徑增至244.5 mm，優(yōu)化了鉆具組合、鉆井液和洗井方式，在預(yù)防出砂和保持儲層穩(wěn)定性的同時，降低了儲層污染，增加了滲流通道。

3）兩眼井應(yīng)用了大口徑填礫成井工藝，回灌能力分別提升了1.5倍、2倍以上，效果明顯。