句容赤山湖地热井成井工艺方法

2013-12-04陈进宝苏金宝杨春光

钻探工程 2013年8期

陈进宝，苏金宝，陈娟，杨春光，曹勇

(1.江苏省地质勘查技术院，江苏南京210008;2.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京210098;3.句容市赤山湖管理委员会，江苏句容212433)

1 概述

随着经济建设的迅猛发展，能源供需矛盾日益突出，地热资源的开发利用是解决当前能源供需矛盾的有效途经之一，地下热能的开发利用已经成为常规能源不可抵御的商业性竞争对象。地下热水集热能、水和矿产于一体，用途广泛。开发地下热水既可利用其水资源进行医疗洗浴、特种养殖，又可利用其热能进行取暖、发电等。

句容赤山湖工作区地段，地貌类型属于岗地—岗间洼地，西北部分布孤山(赤山)。项目组于此前后3次进行了CSAMT法施工，在对CSAMT成果资料初步分析的基础上，筛选出较好的低阻异常后，再次进场完成了微动测深的外业工作。随后进行了内业数据的整理、处理、资料解释并最终定井。句容出露发育广泛白垩系红色细砂岩、泥质砂岩，浅埋于松散层之下，水文地质条件极差，地下水贫乏，钻井多数为干孔。结合研究区地质条件，通过施工工艺［1，2］的改进，特别是洗井工艺，改变了传统认识，项目组确定了地热成井的可能性，并以此进一步改进工艺确保了句容地热井的成功出水。此井的成功对华东贫水区找水、碎屑井洗井工艺等具有巨大的借鉴意义。

2 地层岩性与含水特征

第四系松散层厚度一般10～20 m，松散岩类孔隙水贫乏，区域资料表明，单井涌水量＜10 m3/d。基岩以白垩系赤山组(K2c)细砂岩、泥质砂岩为主，分布广泛，浅埋于松散层之下，靠近赤山有出露，被人工采砂揭露。其次为玄武岩，赤山山体中上部出露。句容(黄梅桥)盆地赤山组(K2c)厚度＞695 m，赤山主峰高229.4 m。高程100 m以下，植被较多，基岩露头较少。100 m以上盘山公路所劈均是玄武岩。赤山出露的玄武岩柱状裂隙与构造裂隙发育。玄武岩呈灰黑色，气孔状结构明显，柱状裂隙发育，风化较强烈。向阳坡远看赤山，下部为赤色砂岩，上部为玄武岩，分界线大约100～110 m。火山碎屑岩、灰岩、砂岩、砂砾岩、泥岩等岩性硬脆，构造裂隙相对发育较好。在构造带，地下水导通以及富集程度高。大王山组(K1d)与龙王山组(K1l)埋藏较深，达1500～1600余米，为本次工作的目标储层之一，而更深部的三叠系以老的灰岩地层(T+Pz)则为本区更好的目标储层。从区域上火山碎屑岩构造裂隙发育有利地段的成井抽水资料来看，涌水量可以达到100～300 m3/d。

3 成井工艺

随着科技发展，水井钻探技术得到广泛提高［3，4］，本井所下管均为外接箍J55石油套管，热储含水层所选用的滤水管根据实际地层加工而成，所打小孔孔径为16 mm、孔心纵距50 mm、横距为50.80 mm、孔隙率达10%。

本井采用两级结构(表1)，两次下管成井的施工工艺。钻井深度达到590.05 m时，首先将273.05 mm×8.89 mm泵室管590.05 m，采用提吊浮板法，下入井内预定位置。选用42.5优质硅酸盐水泥，按水灰比0.5∶1的比例配成23 m3灰浆对泵室段进行了永久性封闭固井工作，凝固48 h后做了固井止水实验，检测结果为合格。二开到2475.99 m下入177.8 mm×8.05 mm技术管及滤水管，采用提吊浮板法，将1911.40 m套管依次下入井内预定深度(见图1)。

表1 成井结构及井管规格

为保护当地饮用水含水层不受其邻近水污染，同时保证热储层热水不被上部凉水所影响，对177.8 mm×8.05 mm井管从地表至883.35 m进行了水泥灰浆永久封闭止水。固井止水所用水泥分别为23和4.2 t，水泥灰浆采用水灰比为0.5∶1的比例配制，配制的灰浆密度为1.85 g/cm3。固井48 h后，采用“注水法”检测了固井质量。将套管内注满清水，观测水位变化，连接观测2 h后，最终2 h水位下降为25 mm(根据《煤炭资源地质勘探孔简易水文地质观测规程》规定2 h内水位下降不大于40 mm视为合格)，该井固井质量优良，止水效果良好。

图1 井身结构示意图

4 洗井工艺

4.1 常规洗井

首先采用清水替洗，把孔内的泥浆用清水替出，直至水清砂净为止。然后采用高扬程(扬程为450 m)潜水泵进行抽洗，高扬程抽洗可以让井内水产生震荡水流，可以尽可能的让附着在孔壁的泥皮脱落，并随着水流排出孔外。随后用焦磷酸钠第一次泡洗，把500 kg的焦磷酸钠稀释成3%液体注入孔内，使孔内滤水管位置全部被焦磷酸钠浸泡，这样使附着在孔壁上的泥皮完全脱落，含水通道畅通。进行拉活塞洗井，拉活塞的位置是泵室段、800及1700 m位置，这样让下部孔内产生负压，使含水通道尽可能的畅通。

第一次酸化洗井。采用稀盐酸洗井，注入6 m3稀盐酸(稀释后的用量，其中所采购的稀盐酸的浓度为36%，所注入孔内的稀盐酸的浓度为12%)，注入位置为井深1780 m及以上位置。注入盐酸后随后注入清水防止产生的氯化钙堵塞裂隙，注入的清水量约200 m3，使稀盐酸渗透的更远。采用压风机洗井，风管下入的位置为820 m，工作时间24 h时，然后采用拉活塞洗井(酸化洗井→压风机洗井→拉活塞)。

2012年5月23日第二次注入10 m3(12 t)稀盐酸，使所有下入的滤水管位置得到充分的酸化，促使含水层更加畅通。注入稀盐酸浸泡约2 h，然后用清水替出，直至pH值≈7，随后采用高压洗井，针对800～1800 m所下入滤水管位置逐层进行清洗。

为了使含水通道更加畅通又进行下步洗井工作:5月28日第二次注入2%焦磷酸钠和0.7%十二烷基苯酸钠水溶液，其中焦磷酸钠的用量为500 kg，十二烷基苯酸钠的用量为150 kg。浸泡时间为48 h。然后用清水替换洗井。进行试抽水，这样使孔内的含水通道更加畅通。为了增加含水通道的畅通面积，在做完试抽水后进行压裂。首先密封井口，然后注入清水并观察压力的变化，逐步增加压力从而使含水通道畅通。

常规洗井后进行抽水，实际产量在每天2～3 m3，远低于预期。考虑到储水层较深，浅水泵达不到出水标准，因而将深水泵下入井中1500 m深度。初始抽水出水量较大可达16 m3/h，但出水不稳，连续抽水33 h，出水量降至12 m3/h，此时跳闸(水位离泵口小于200 m)，重新起动后出水量降为6 m3/h。

4.2 反向加压脉动排砂法

常规洗井出水量并不理想，这使得这一地区有无地热水再成争论。一种观点认为这一地区储水量很少，连续33 h抽水将水抽干;第二种观点认为这一地区有水，但补给水速率要慢于水泵抽水率。实际上，在成井过程中，1690 m深度曾出现大量的泥浆漏浆现象，这说明深部存在大的水通道，出水量少很可能是因为地热水通道被堵。

经过仔细研究，造成常规洗井出水量小的原因是连续抽水使水位下降很多，地层压力与井筒压差增大，使流速加大，带起了通道内泥砂，泥砂在热水通道的“瓶颈”处堵塞，造成水量变小，因而可通过向井内加压法来打通“瓶颈”处堵塞实现水流增大。

6月28日第三次注入2%焦磷酸钠和0.7%十二烷基苯酸钠水溶液，其中焦磷酸钠的用量为500 kg，十二烷基苯酸钠的用量为150 kg。随后注入清水并观测压力变化，在压力在2.5 MPa稳定1 h，然后释放压力，第二天再将压力增大至4.5 MPa，再释放压力，观测水位变化，然后进行再次抽水。这次抽水同样以2～3 m3/h失败告终。分析失败的原因是因为井壁孔可能被打通，但快速的释放压力很可能造成砂子不能分选排出而又集中堵塞了通道。

要想有稳定的大水量，必须把通道内的泥砂彻底排清。于是我们提出“脉动排砂法”，即先加压0.5 MPa后释放，第二次增加0.5～1.0 MPa再释放，以此类推直至加压至4.5 MPa再释放，此后每次减少0.5 MPa加压，即从4.5 MPa降至4.0 MPa，以此类推一周期，如此反复操作。这个流程使通道远处泥砂向井筒运移，此时泥砂富集井筒附近，为了使其排出井外，我们又梯次增压到8 MPa并释放时出现大量的泥砂黑水，如此循环20多次，再抽水水量明显增加，但不稳定，于是又进行新一轮脉动梯次排砂，释放时采用三管齐放，通道内水流更急，排砂能力更强。前轮压力到8 MPa开始排砂，本轮到3 MPa时就开始排砂。最高压力加至7 MPa保持压力，压力突降6 MPa，释放后排出大量泥砂，说明大的通道已打开，我们再次加压，持续加压20多小时压力始终保持在6 MPa不变，说明通道很畅通，并通向很远的地方。

5 抽水实验

表2 抽水实验所测水位降深与出水量

存在于自然界的含水层，都依据自身的天然水力坡度所形成的流向和迳流量由补给区向排泄区运动。但从井抽水开始到井抽水后水位未恢复原状的影响范围内，使一部分迳流量无法再向下游渗流，让抽水井把它提前排出了。在抽水的开始阶段，井抽出的水由两部分组成，一部分来自含水层的静贮量，一部分来自含水层的迳流量。随着抽水时间增长，抽水井降落漏斗影响范围逐渐扩大，它所截取含水层的迳流量逐渐增多，直至它所截取含水层的迳流量等于抽水井的出水量后，抽水井不再从含水层的静贮量中取水，降落漏斗影响范围不再扩大，新的动平衡形成［5］。本井抽水试验于9月11～20日，先后进行了大、中、小三个落程的抽水试验工作，用于取得含水层抽水试验数据。采用稳定流定流量抽水的方法，通过改变潜水泵抽水的水量不同具有不同的动水位和降深原理进行。抽水试验过程中使用三角堰测流量，三角堰读数精确至小数点后两位;氮气枪水位仪测量水位埋深，读数精确至“cm”;摄氏温度计测量水温、气温，读数精确至“0.5℃”，并进行了静止及恢复水位的观测。抽水试验成果见表2。

理论值计算:根据图2抽水试验Q、q曲线来判断当动水位埋深为1387.42 m时即水位降深为584.00 m，该井的理论涌水量最大，最大值20.69 m3/h。