砂巖地?zé)峄毓嗑淇淄昃c濾水管完井對比研究

宋現(xiàn)龍 汪浩 劉瑞軍

摘 ?要：地?zé)崮茏鳛橐环N儲量大、分布廣的清潔、可再生能源，在開發(fā)利用過程中需要進行同層回灌。目前砂巖回灌井施工完井工藝主要為止水器濾水管完井、分級固井濾水管完井，但是都存在回灌能力衰減快、長期回灌易發(fā)生堵塞等弊端。而射孔完井在油井中使用較為普遍，是提高油井產(chǎn)能的重要措施，但該工藝在地?zé)峋系膽?yīng)用研究較少，該文通過射孔完井產(chǎn)能影響因素、濾水管完井優(yōu)缺點分析，以及射孔完井與濾水管完井實例分析，對比砂巖區(qū)域2種完井產(chǎn)能測試情況分析，為砂巖區(qū)域地?zé)峋┕ぬ峁﹨⒖肌?/p>

關(guān)鍵詞：地?zé)崮埽换毓?；射孔完井；濾水管完井；產(chǎn)能測試

中圖分類號：TK529 ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0081-06

Abstract： As a kind of clean and renewable energy with large reserves and wide distribution， geothermal energy needs to be recharged in the same layer in the process of development and utilization. At present， the completion technology of sandstone recharge well construction is mainly water filter pipe completion and hierarchical cementing filter pipe completion， but they all have some disadvantages， such as rapid attenuation of recharge capacity， long-term recharge prone to blockage and so on. However， perforation completion is widely used in oil wells， which is an important measure to improve oil well productivity， but there is little research on the application of this technology in geothermal wells. This paper analyzes the influence factors of perforation completion productivity and the advantages and disadvantages of filter pipe completion， and analyzes the examples of perforation completion and filter pipe completion， and compares the two kinds of completion productivity test in sandstone area， so as to provide reference for geothermal well construction in sandstone area.

Keywords： geothermal energy; recharge; perforation completion; filter pipe completion; productivity testing

隨著經(jīng)濟發(fā)展、能源需求量大幅增加，而能源供應(yīng)受到多種因素限制，因此進行能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、充分發(fā)掘和利用可再生能源成為能源改革的重要部分。在我國，地?zé)崤c太陽能、風(fēng)能、潮汐能同屬國家要求大力探索和開發(fā)的新能源[1-2]。習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上指出，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。為推動地?zé)崮艿拈_發(fā)和利用，貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，落實碳達峰、碳中和。國家能源局聯(lián)合國家發(fā)展改革委、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、水利部等八部委于2021年9月發(fā)布《關(guān)于促進地?zé)崮荛_發(fā)利用的若干意見》（國能發(fā)新能規(guī)〔2021〕43號），隨后各省市也相繼發(fā)布各自的促進地?zé)豳Y源開發(fā)的文件。

地?zé)豳Y源開發(fā)利用首先要解決回灌問題，目前砂巖回灌井完井工藝主要為止水器濾水管完井、分級固井濾水管完井，但是都不可避免地存在回灌能力衰減較快、長期回灌易發(fā)生堵塞、施工難度及風(fēng)險較大等弊端，而射孔完井工藝是油田注水井完井的的重要環(huán)節(jié)，也是提高產(chǎn)能的重要技術(shù)措施之一。另外很多區(qū)域隨著油氣資源不斷枯竭，廢棄油氣井逐漸增多，目前通過射孔技術(shù)將很多廢棄油井改造成為地?zé)峋?/p>

環(huán)衍忠等[3]利用射孔技術(shù)對辛集市一眼報廢石油探井進行了改造，在該井館陶組長200 m的井段內(nèi)射開有效含水層約100 m，獲得了地?zé)崴a(chǎn)量100 m3/h，水溫65 ℃。董秋生等[4]結(jié)合塘沽地區(qū)油井井身結(jié)構(gòu)特點和地?zé)岬刭|(zhì)資料，探討將廢棄油井改造為地?zé)峋⒄撟C了2口井改造的可行性。宋恩武等[5]利用射孔技術(shù)將棄用油（氣）井及注水井改造成地?zé)峋?，且通過對晉14#井、晉古14#井和莊64井進行了成功的改造，晉14#井射孔長度30 m，改造后獲得地?zé)崴?0 m3/h，水溫63 ℃，靜水位24 m，動水位65 m；晉古14#井射孔長度30 m，改造后獲得地?zé)崴?5 m3/h，水溫64 ℃，靜水位10 m，動水位86 m；莊64井射孔長度30.5 m，改造后獲得地?zé)崴?5 m3/h，水溫64 ℃，靜水位17 m，動水位36 m。甄華等[6]通過對大港油田地區(qū)地質(zhì)特征的分析，對報廢油井改造成地?zé)峋姆椒ㄟM行了探討，通過射孔法改造了報廢油井B9井，改造后獲得地?zé)崴a(chǎn)量100 m3/h，出水溫度95 ℃。李霄等[7]采用電纜傳輸-螺旋布孔射孔技術(shù)對松頁油1井進行了地?zé)峋脑?，對該? 300～1 700 m和1 900～2 500 m中的有效熱儲層位累計射穿394.20 m，最后獲得地?zé)崴疁?4～50 ℃。實際工程案例表明射孔完井工藝在廢棄井改造改造施工是可行的。

在地?zé)豳Y源開發(fā)方面，馬忠平等[8]為解決天津館陶組地?zé)峋毓嗨p問題，將射孔成井工藝應(yīng)用于TG-46B井，完井后經(jīng)洗井抽水試驗，該井出水量為120.63 m3/h，井口水溫70 ℃，靜水位61.6 m，動水位埋深84.5 m，累計回灌試驗89 h，回灌前靜水位埋深63.42 m，對應(yīng)液面溫度25 ℃，無壓最大回灌量101 m3/h，上述案例說明射孔完井工藝在地?zé)峋脑熘惺强尚械?。但是針對射孔工藝在地?zé)峋┕ぶ袘?yīng)注意事項、射孔完井較濾水管完井的優(yōu)勢及劣勢研究還較少。本文旨在通過砂巖區(qū)域地?zé)峄毓嗑淇淄昃绊懸蛩胤治觯赋錾淇淄昃┕ぶ袘?yīng)注意事項，并通過射孔完井工藝與濾水管完井工藝對比分析其優(yōu)勢及劣勢，為地?zé)峋┕ぬ峁﹨⒖肌?/p>

1 ?射孔成井及產(chǎn)能影響因素

射孔完井技術(shù)就是將射孔器用專用儀器設(shè)備輸送到井下預(yù)定深度，對準(zhǔn)目的層引爆射孔器，穿透套管及水泥環(huán)，構(gòu)成目的層至套管內(nèi)連通孔道的一項工藝技術(shù)。在孔隙地?zé)峋┕ぶ幸话悴捎秒娎|輸送聚能式射孔技術(shù)。當(dāng)聚能射流打到地層上，迅速在與巖石的接觸面上形成高溫、高壓、高應(yīng)變率區(qū)域，使巖石迅速崩解、破碎，后續(xù)射流又將這些破碎物擠入地層，從而形成了射孔孔道，同時對孔道四周的巖石進行壓實。根據(jù)射孔彈的結(jié)構(gòu)，地層巖石性質(zhì)，射孔彈穿出孔道長度一般在幾厘米至幾十厘米[9]?？椎乐睆揭话阍趲缀撩字潦嗪撩?。

1.1 ?地層參數(shù)對產(chǎn)能的影響

一般認為影響砂巖地?zé)嵛菜毓嘀骺匾蛩赜锌紫抖?、滲透率、回灌層有效砂巖累計厚度，通過收集整理地?zé)峋疁y井成果，結(jié)合現(xiàn)場回灌運行情況，摸清單目標(biāo)儲層物性條件下對回灌量的影響，在此基礎(chǔ)之上，建立多目標(biāo)儲層物性條件下的數(shù)學(xué)模型，對各種影響因素進行分析計算，并且主要對射孔參數(shù)對產(chǎn)能的影響進行優(yōu)化分析。

1.2 ?射孔參數(shù)對產(chǎn)能的影響

射孔深度：射孔深度是影響井產(chǎn)能的重要因素。目前一般的射孔深度在400～600 mm。通常在保證射孔質(zhì)量的前提下，射孔深度越大，孔眼與儲層的接觸面積就越大，因此滲流面積也越大，產(chǎn)量越高。

射孔密度：射孔密度即孔密，增大射孔密度，地層流體進入井底的通道增多，產(chǎn)能增大。但是孔密度增加也會損害套管強度。套管若產(chǎn)生損壞或變形，將影響地?zé)峋漠a(chǎn)能及壽命。所以在射孔作業(yè)中，對于射孔密度的選擇還需考慮到套管強度以及其他地層條件進行分析。

射孔孔徑：射孔孔眼直徑對于地?zé)峋漠a(chǎn)能會具有一定的影響，但是影響程度相對于射孔過程中的其他因素來說不是很大。射孔孔徑只是增加了產(chǎn)層的接觸面積，并不能夠改變流體的流動效率。跟射孔深度和密度一樣，射孔直徑并不是越大越好，隨著射孔孔徑的增加，產(chǎn)能的變化率越來越小，相應(yīng)地還會增加出砂和孔眼坍塌的風(fēng)險。

相位角：射孔相位的選擇不僅對完井工藝方法和產(chǎn)能有影響，而且對套管射孔后的強度也有影響。研究表明，一般情況下在均質(zhì)地層中選用90°的射孔相位角產(chǎn)能最大，在非均質(zhì)嚴重地層，120°相位最佳，在疏松砂巖60°相位最佳。135°或45°時套管強度保持在較高的比值范圍內(nèi)，達原套管強度的80%以上，這對地?zé)峋纳a(chǎn)壽命有重要影響。

2 ?射孔施工及注意事項

射孔完井主要問題為地?zé)峋錾皢栴}，目前采用的防砂技術(shù)主要有濾水管機械防砂、化學(xué)防砂等。濾水管防砂是通過濾砂網(wǎng)阻擋地層砂進入井內(nèi)，從而達到防砂的目的?；瘜W(xué)防砂技術(shù)分為固砂技術(shù)和人工井壁防砂技術(shù)。固砂技術(shù)是通過向地層內(nèi)注入固砂劑，使地層中游離的砂膠結(jié)得更好，從而提高地層砂膠結(jié)強度，減少地層砂進入井筒，達到防砂的效果；人工井壁防砂技術(shù)是將防砂材料泵送到炮孔附近虧空帶，充填、堆積、壓實后，在地層溫度、水以及固化劑的作用下膠結(jié)固化成一體，成為人工井壁。人工井壁具有很高的強度，能阻止虧空地帶進一步垮塌，從而實現(xiàn)防砂的目的[10-11]。徐忠立[12]認為半固結(jié)狀態(tài)的砂巖在回灌水流的沖刷下，也會造成部分巖屑的脫落，從而造成射孔孔道的淤塞。因此研究地?zé)峋淇淄昃に?，防砂技術(shù)也很關(guān)鍵。

因此在射孔時，射孔井段的選擇應(yīng)避開套管接箍，除優(yōu)選滲透性好、孔隙度大、泥質(zhì)含量低和單層砂巖厚度大的地層外，還要注意要選擇固井質(zhì)量好、出砂可能性低的儲層。建議在射孔時，射孔井段固井質(zhì)量要達到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，同時盡量選擇聲波時差小于300 μs/m的井段。

3 ?濾水管成井的優(yōu)缺點

相比較射孔完井，在砂巖地層中目前主要采用濾水管完井，目前常用的砂巖熱儲地?zé)峋删に囉校?包網(wǎng)纏絲濾水管成井和大口徑纏絲濾水管填礫成井[13－14]。

包網(wǎng)纏絲濾水管成井：優(yōu)點在于鉆孔口徑小，鉆進效率高，鉆進過程中容易控制井壁穩(wěn)定，水泥止水效果好，適用于砂層膠結(jié)較好，顆粒較粗的地?zé)峋_采井；缺點在于不適用于膠結(jié)差、粒度細的砂巖儲層。主要是因為濾水管外環(huán)空?；煊秀@井工程中鉆井泥皮、巖屑等雜物，其充填產(chǎn)層孔隙，影響出水量及回灌效果。

大口徑纏絲濾水管填礫成井：其優(yōu)點為在管外環(huán)空形成人工過濾層，在保證出水量和防砂的同時，增大滲流出水面積，該工藝常應(yīng)用于較淺的地?zé)峋┕ぶ校蝗秉c為施工技術(shù)要求高，要求鉆孔直徑大，濾層有一定的厚度，同時確保礫料投送到位，需進行一級或多級擴孔工作，鉆進工作量大，成本高，鉆井深度大，成井風(fēng)險就大。

問題：維護孔壁穩(wěn)定難度大，施工風(fēng)險高，對于深井礫料投送難度大，隨著鉆孔深度的加大，保證填礫質(zhì)量的難度也隨之加大。

4 ?研究實例區(qū)域概況

研究區(qū)位于河北省衡水市故城縣，在構(gòu)造上屬于武城凸起。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和成井報告，本區(qū)自下而上鉆遇奧陶系、石炭-二疊系、古近系、新近系和第四系[15]。熱儲層主要為新近系館陶組熱儲和奧陶系巖溶熱儲。館陶組熱儲上部為新近系明化鎮(zhèn)組蓋層。明化鎮(zhèn)組厚度約為680～880 m，地層巖性為淺棕色泥巖、灰黃色細砂巖、灰綠色和灰白色粉砂巖。奧陶系巖溶熱儲上部為石炭系-二疊系蓋層。該蓋層厚度290～1 050 m，其上部巖性為灰色泥巖、灰色粉砂巖互層，下部巖性為灰黑色炭質(zhì)泥巖、煤層夾深灰色灰?guī)r、灰色細砂巖，與下伏地層為假整合接觸，為一套海陸交互相碎屑巖夾碳酸鹽巖沉積。

本區(qū)構(gòu)造沉積演化特征對武城凸起地?zé)崽锏男纬蓜?chuàng)造有利條件，總體概括為早古生代為海相碳酸鹽巖發(fā)育的時期，此階段經(jīng)歷穩(wěn)定沉降，海相碳酸鹽巖沉積厚度500～800 m；在晚古生代經(jīng)歷加里東運動的抬升，發(fā)育表生巖溶作用，其后又發(fā)生整體沉降，發(fā)育海陸交互相煤系地層，此階段是直接蓋層的發(fā)育階段；之后，在中生代由于印支-燕山期運動的擠壓松弛作用，形成一系列NE、NNE向的斷裂和次生斷裂，為良好的導(dǎo)水通道，新生代由于喜山運動的多幕活動再次對熱儲產(chǎn)生了影響，發(fā)育具有較高地溫梯度值特征的區(qū)域性蓋層。

本文選取武城凸起館陶組段不同完井工藝地?zé)峋M行對比分析，該區(qū)域地層埋深介于1 200～1 400 m，熱儲厚度200～300 m，巖性上部為棕黃色泥巖與灰綠色粉砂巖略等厚互層，中下部為灰色砂礫巖與灰色泥巖不等厚互層，砂厚比64.8%～75.8%，孔隙度28.71%～35.56%，滲透率205.08～1 275.8 md。

5 ?射孔井及濾水管井?dāng)?shù)據(jù)對比

區(qū)域內(nèi)濾水管完井地?zé)峋捎枚_井深結(jié)構(gòu)，一開為泵室段，深度350～450 m，下入Φ339.7 mm石油套管，二開在施工時直接鉆穿目的層，下入177.8 mm石油套管和包網(wǎng)繞絲篩管組合管串，采用分級箍工藝進行固井，對目的層上部采用油井水泥進行全封固。該完井工藝缺點為在組合管串下入井筒時，濾水管外部繞絲部分容易受到地層巖石剮蹭，失去防砂作用；同時二開采用組合管串，施工風(fēng)險大，易發(fā)生卡鉆事故。

區(qū)域內(nèi)射孔完井地?zé)峋瑯硬捎枚_井深結(jié)構(gòu)，與濾水管完井不同點在于二開全部下入石油套管，并進行水泥全封固，然后對目的層進行射孔完井。射孔前進行測井，已確保射孔段固井質(zhì)量良好。

地?zé)峋康膶泳鶠轲^陶組地層，本文選取7口地?zé)峋?組地?zé)峋M行對比分析，分別為：①DR1#、DR2#、DRS3#；②DR4#、DRS1#；③DR3#、DRS2#。施工現(xiàn)場照片如圖1所示，相關(guān)參數(shù)見表1。

通過表1和圖2可知，上述7口地?zé)峋@穿館陶組地層，進入東營組后完井。館陶組熱儲地層埋深及熱儲層厚度變化均不大，館陶組地層頂板埋深1 160～1 190 m，底板埋深1 360～1 400 m，而水層厚度變化較大，水層厚度最大207.3 m，最小89.1 m。平均孔隙度范圍為28.71%～35.56%，其中DR1#平均孔隙度最大，為35.56%；DRS2#平均孔隙度最小，為28.71%。平均滲透率范圍為205.08～7 631.82 md，其中DRS1#平均滲透率最大，為7 631.82 md；DRS2#平均滲透率最小，為205.08 md。隨后對DRS1#、DRS2#、DRS3#進行射孔施工，射孔參數(shù)見表2。

由于地?zé)峋渴芩唤瞪?、含水層厚度影響，為便于比較，對射孔完井和濾水管完井產(chǎn)能進行求取平均值。通過上述數(shù)據(jù)對比（圖3）：①不難發(fā)現(xiàn)濾水管完井雖然水層厚度較射孔井大，但是出水量與射孔井相比變化不大（表3）；②射孔井單位含水層出水量及單位含水層厚度、單位降深出水量均較濾水管井有大幅提升（圖4）。

6 ?結(jié)論

通過對比故城區(qū)域館陶組地層射孔完井和濾水管完井工藝比較不難發(fā)現(xiàn)，射孔完井整體優(yōu)于濾水管完井。①由于射孔前對熱儲層進行了固井作業(yè)，井壁穩(wěn)定。在射孔前優(yōu)選大段砂巖目的層進行射孔作業(yè)，避開了細粉砂層及泥巖層；射孔后穿透力強，泄流面積大。②相比較濾水管完井，射孔完井工藝簡單，不易發(fā)生井下事故，同時采用射孔完井工藝的地?zé)峋鳛榛毓嗑捎行Ы档统錾帮L(fēng)險。③射孔完井可以選定優(yōu)質(zhì)含水層進行射孔施工，單位含水層厚度出水量大。④濾水管完井地層和濾水管之間存在一定的施工間隙，由于在回灌過程中長時間沖刷，井壁易坍塌。采用射孔工藝完井，石油套管與地層之間進行水泥封固，井壁更加牢固。

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