動水填礫工藝在山東樂陵地熱井施工中的應用

董文斌，高小榮，盧星辰，任小慶，3*，井陽陽，許勇，劉小育，梁凱旋

(1.中石化綠源地熱能開發(fā)有限公司，河北 雄安 071800；2.中石化綠源地熱能(山東)開發(fā)有限公司，山東 濟南 250102；3.中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京 100083)

0 引言

山東樂陵區(qū)域地熱井防砂方式主要為繞絲篩管防砂，地熱井在長期運行過程中由于出砂，造成對繞絲篩網(wǎng)的強烈磨蝕，導致地熱井大量出砂，從而影響產(chǎn)能，針對上述問題，需采取礫石充填的方式進行防砂。

王支柱[1]對油田出砂井進行統(tǒng)計，分析開發(fā)層位和井別信息，有針對性地選取分析試驗井。對試驗井的巖心、碎屑巖和測井曲線等進行巖心強度測試、出砂風險預測、儲層粒度分析和防砂方式等實驗優(yōu)選，總結(jié)出適用于特定儲層的防砂方式。

許成強等[2]提出一種針對半潛式平臺礫石充填的防砂樹，可以解決半潛式平臺服務工具在井里相對防砂管柱隨平臺升沉同步運動的問題，同時可以極大提高充填防砂作業(yè)效率。

譚俊瀟等[3]針對疏松砂巖儲層特點，介紹適用于該儲層的多層充填防砂工具，從工具結(jié)構(gòu)、特點出發(fā)，與實際操作相結(jié)合，探索多層防砂工具在現(xiàn)場應用的特點和關(guān)鍵點并進行總結(jié)，力求針對疏松砂巖儲層完井防砂方式的特點總結(jié)出一些施工方法和經(jīng)驗總結(jié)，為其他類似礫石充填井提供作業(yè)借鑒。

賽福拉·地力木拉提等[4]針對人造陶粒與石英砂充填介質(zhì)，分別開展了泥質(zhì)粉砂和水合物二次生成堵塞充填層的模擬試驗，系統(tǒng)分析了堵塞過程?；趶秃隙氯涮顚訖C理及滲透率變化規(guī)律，構(gòu)建了天然氣水合物礫石充填防砂井礫石充填層堵塞后的產(chǎn)能預測模型并進行了案例分析。

鑒于上述出砂問題，礫石充填手段多用于油井中，在地熱井中的使用相對較少，有必要將該項防砂技術(shù)使用到地熱井防砂中，為地熱井科學開發(fā)及地熱井防砂提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)概況

樂陵市在大地構(gòu)造上屬于華北地臺(Ⅰ)、遼冀臺向斜(Ⅱ)、埕寧隆起(Ⅲ)的次級構(gòu)造單元寧津—慶云凸起(Ⅳ)區(qū)。東部及東南部與無棣凸起相鄰，西部及北部與寧津凸起相依，南部為惠民凹陷，構(gòu)造區(qū)域基底構(gòu)造的基本輪廓。

樂陵地區(qū)內(nèi)長期處于緩慢下降狀態(tài)，沉積了厚度較大的新生代地層，厚度為1 000～1 400 m。本區(qū)新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系發(fā)育齊全，地層產(chǎn)狀平緩。館陶組熱儲層段為1 200 ～1 600 m，地熱井單井出水量約為100 m3/h。

2 測井解釋

樂陵區(qū)域某地熱井聲波時差測井解釋如圖1所示。自井深1 195.51～1 435.10 m之間，總厚度239.59 m。地球物理測井解釋12層含水層，含水層總厚度為215.8 m，平均單層厚度17.98 m，單層最大厚度63.1 m，單層最小厚度3.3 m。砂巖電阻率為4.45 Ω·m，聲波時差為448.59 us/m，孔隙度32.38%，滲透率1 014.40 mD。

圖1 樂陵區(qū)域某地熱井聲波時差測井解釋

由于各地熱田聲波時差臨界值各不相同，一般定義為，當Δtv＜312 μs /m時，穩(wěn)定不出砂，當312 μs/m≤Δtv≤345 μs/m時，可能出砂，當Δtv≥345 μs/m時，不穩(wěn)定砂巖，極易出砂[5-8]。根據(jù)該項標準，樂陵區(qū)域地熱井多數(shù)儲層聲波時差值Δtv≥345 μs/m，出砂風險大，極易出砂，泥質(zhì)含量在10%左右。目前地熱井作為生產(chǎn)井正常產(chǎn)水，其間大量出砂，砂量為0.3 m3/d。

3 防砂措施研究

3.1 礫石層充填率研究

針對上述地熱井出砂問題，利用搭建的數(shù)值模擬方法探究礫石層填充率對出砂量的影響規(guī)律，確定只要礫石層填充率大于92%，防砂單元均能起到防砂效果，如圖2所示。

圖2 不同礫石層充填率條件下防砂效果模擬

根據(jù)上述模擬結(jié)果，利用搭建的小尺寸防砂實驗裝置驗證模擬結(jié)果。

如圖3所示，由實驗結(jié)果可知，當?shù)[石層充填率大于92%時，可保證出砂量滿足萬分之三的要求，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

圖3 小尺寸防砂實驗裝置驗證模擬結(jié)果

3.2 礫徑選擇

在樂陵區(qū)域典型地熱井取砂樣進行礫徑分析，如表1所示，進一步確定礫徑參數(shù)。

表1 礫徑分析表

根據(jù)礫徑分析數(shù)據(jù)可以確定，樂陵地區(qū)地熱井砂礫石尺寸變化范圍為0.126～0.748 mm，粒度中值0.255 mm，根據(jù)Saucier(索西埃)擋砂推薦充填礫石尺寸：

根據(jù)上述計算，礫石目數(shù)為16～30目及20～40 目充填砂均滿足防砂效果。由地熱井熱儲層巖性段砂巖粒度中值分布及根據(jù)索西埃公式計算，同時考慮提液要求，以提高滲透率為原則，優(yōu)選中強度礫石作為本次施工的充填支撐劑，根據(jù)工業(yè)礫石選擇標準，確定充填礫石的粒度范圍為 16～30 目(0.58～1.19 mm)。

3.3 篩管精度確定

礫石充填防砂工藝中機械篩管用來阻擋礫石層，要求其阻擋100%礫石，精度略小于最小礫石尺寸。計算礫石尺寸的經(jīng)典方法為：

在完全擋住充填礫石的情況下，縮小篩管精度，最大限度地提高油井的防砂效果，綜合考慮，篩管精度選擇200 μm。根據(jù)上述方法，確定礫石型號為16～30目，篩管精度選擇200 μm。

4 動水填礫完井效果評價

目前，山東樂陵地區(qū)砂巖地熱井完井方式均為60目繞絲篩管完井，由于砂巖儲層極易出砂，且新近系館陶組地層砂的主要成分是二氧化硅(石英)，硬度很高，是一種破壞性很強的磨蝕劑，能使濾水管繞絲磨損而使其失去過濾功能，嚴重影響著地熱井的正常運行和使用壽命[9-12]。對新鉆地熱井采取礫石充填完井方式，采用動水填礫的方式將礫石砂漿泵入篩管和井眼環(huán)空，利用充填礫石的橋堵作用來阻止地層砂運移，而充填礫石又被阻隔于篩管周圍。這種多級過濾屏障，保證地熱水沿充填體內(nèi)多孔系統(tǒng)經(jīng)過篩管被源源不斷地舉升至地面，而地層砂則被控制在地層內(nèi)，實現(xiàn)地熱井長期生產(chǎn)又不出砂或輕微出砂的目的[13-15]。目前新鉆地熱井采取礫石充填完井方式，地熱井產(chǎn)水量長期保持在95 m3/h，且井下不存在出砂現(xiàn)象，有效保證了砂巖地熱井的正常運行。

5 結(jié)語

(1)樂陵區(qū)域新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系發(fā)育齊全，地層產(chǎn)狀平緩。館陶組熱儲層段為1 200～1 600 m，地熱井單井出水量約為100 m3/h；(2)樂陵區(qū)域地熱井多數(shù)儲層聲波時差值Δtv≥345 μs/m，出砂風險大，極易出砂；(3)相對于60目繞絲篩管完井防砂，礫石充填防砂效果更為有效，地熱井產(chǎn)水量長期保持在95 m3/h，且井下不存在出砂現(xiàn)象，有效地保證了砂巖地熱井的正常運行；(4)當?shù)[石層充填率大于92%時，防砂單元均能起到防砂效果；(5)樂陵區(qū)域礫石充填防砂工藝，礫石型號為16～30目，篩管精度選擇200 μm，最為適合防砂；(6)地熱井產(chǎn)水量長期保持在95 m3/h，且井下不存在出砂現(xiàn)象，有效地保證了砂巖地熱井的正常運行，可有效地利用地熱能進行化工生產(chǎn)。