某地热井水量小原因分析及洗井方法选择

张庆盟，邢向渠，赵普辉，吴富政，张文龙

(1.河南省地矿局第一地质勘查院，河南 郑州450001;2.河南省地矿局第二地质环境调查院，河南 郑州450053)

1 项目概况

1.1 地质概况

该区地层结构自上而下依次为:第四系、新近系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系等。

第四系主要岩性为粘土、细砂互层。新近系岩性以粘土为主，夹灰白色砂质泥灰岩，半胶结中细砂。

二叠系:以灰、灰绿、深灰色灰岩，灰、紫灰色泥岩、砂质泥岩，灰黄、橙黄色中、细粒砂岩互层，下部有薄层煤层，该层厚度较大。

石炭系(C):下部以燧石层、煤线和泥质粉砂岩为主;中部为中粗粒石英砂岩、含黄铁矿颗粒和团块;上部为灰色泥质细砂岩、砂质泥岩;中间夹薄层煤。

奥陶系:该区富集有多种组分，年代由老到新均有分布，上部以不同颜色的灰岩、白云岩、页岩为主，下部则为砖红色细砂岩，粉砂质泥(粉)晶白云岩。

寒武系:该区深部为中元古界五佛山群马鞍山组。主要岩性为紫红、浅肉色厚层石英岩状砂岩，底部为砾岩。

1.2 地层特点

该地热井开采段地层自上而下为:石炭系、奥陶系、寒武系灰岩、泥质灰岩及部分泥页岩等，其特点是地层坚硬、脆，间夹脉状、条带状石英，岩石研磨性强，对钻进工作不利。含水层特点是含条带状、斜层状、细微裂隙，局部可能有小型溶洞。

1.3 采用的钻探方法

根据以上地层岩性特征，我们选用泥浆正循环常规钻探方法钻进，为加快钻进速度，项目后期引入螺杆钻+PDC复合钻具钻进技术，提高了钻进效率。

1.4 洗井抽水情况

在成井工作完成后，根据钻井结构及特点先后进行了物理透孔、潜水泵大降深、空气、酸化洗井，在每一次洗井工作完成后，都用潜水泵抽水以验证洗井效果。

从抽水情况看，采取有针对性的洗井方法，每一种洗井工艺之后水量均较之前有所增加，最终出水量达到21 m3/h，出口水温38℃。

2 主要问题及分析

该地热井水量小的原因大致可以归纳为以下几点。

2.1 地层原因

开采层段为灰岩、泥质灰岩、页岩，质地均一、稳定，含水层是含有少量的条带、倾斜及微裂隙，地层富水性差。

2.2 采用的钻进方法

为泥浆正循环方法钻进成孔，为了孔壁稳定，使用优质低固相不分散泥浆体系，其良好的性能可以顺利完成钻探工作，但对于以取水为目的的地热井来说十分不利，泥浆中的高分子处理剂及优质粘土吸附在孔壁上，并有部分钻井液渗透到裂隙内，很难排除。

2.3 事故处理

在钻井工程后期，因为发生了粘附卡钻事故，为处理事故安全，项目又加大了对泥浆方面的投入，事故处理前后历时28天，因此对于洗井工作带来了极大的不便。

3 洗井方法及效果

洗井方法的选定在地热洗井中显得尤其重要，经协商确定洗井的具体方法包括:物理透孔方法、潜水泵大降深洗井、空气洗井、酸洗井等，逐步增大出水量，以达到预期的目的。

3.1 物理透孔

即通过物理方法将粘附于钻孔壁上的泥皮、处理剂除掉。成井工作结束后，先后下入刷孔器和自制高压喷水器针对含水层位进行彻底的清洗。之后下入220 m扬程、20 t/h出水量的潜水泵进行试抽，从抽水的情况来看，出水量只有7 m3/h，出口水温26℃，动水位在潜水泵上部。

3.2 空压机(即空气)洗井

第二步采用的是英格索兰XHP－1070型空压机洗井，性能为出风量30.6 m3/h，额定压力2.6 MPa。其原理:通过高压空气将钻孔内的水排出，形成负压，在此负压作用下，将滞留在孔壁上的泥皮、岩屑、孔底沉淀以及储存在裂隙内的部分钻井液残留物从孔内返出，达到洗井的目的。

3.2.1 空压机正循环洗井

因为是基岩地热钻孔，地层稳定，首先直接下入钻杆，用钻杆作为风管，与方钻杆、高压管直接连接到空压机上，开动空压机待其工作稳定后，向井内送风，初步下钻深度为220 m，当井内的存水被吹出后，继续加接钻杆80 m后继续吹风，不断增大钻杆下入深度，最后钻杆下至420 m持续送风洗井，达到大降深空压机洗井的目的。从洗井的效果来看，能够初步达到洗井的目的，井水颜色从灰黑色变为灰黄色，再变为灰白色、乳白色。经抽水检测:出水量为12 m3/h，出口水温为28℃。

3.2.2 下入混合器洗井

从现场洗井情况看，出水量仍然没有多大变化，为了增大洗井效果，通过向孔内注入清水以弥补水量的不足，还能清除孔底沉渣。在经过2天的洗井后，下泵抽水检测洗井效果，出水量为15 m3/h，出口水温34℃，静水位为230 m。

3.3 酸化洗井

图1 粘土矿物的晶体结构形式

经过上述洗井方法处理后，仍没有达到设计及预定的目标。而含水段地层多为泥灰岩、白云质灰岩等地层，确定采用酸化洗井，选用高浓度的盐酸作为目的液体进行灌注。

其作用原理:含水层位矿物主要为灰岩，其本身就与盐酸发生化学反应，可以使本来不太发育的裂隙变宽变大;滞留在裂隙内的钻井液主要成分是优质粘土和处理剂，而粘土矿物结构在一定条件下处于一种稳定状态，并具有一定的粘结力(图1)，常规方法无法将其从裂隙中清除干净。通过盐酸的作用，负离子可以与粘土的Al3+、Ca2+、Mg2+、Fe3+等反应形成可溶性产物和大量气体，再通过空气洗井中形成的负压将其充分排出，进一步疏通含水通道，达到洗井的目的［1］。

3.3.1 盐酸灌注量的确定

在准确比对有利含水层位置、深度及累计厚度后，根据钻孔直径及超径系数计算盐酸用量Q:

式中:r——钻孔直径;h——注酸段总长度;k——超径系数。

初步确定灌注盐酸总长度h为320 m，将有关数据代入上式计算，可得出该孔盐酸灌注量为13.5 m3，为确保盐酸足够的使用量，确定本次灌注量为15 m3。

3.3.2 顶替盐酸量的计算

在盐酸灌注完后，为将滞留在钻具内的盐酸全部注入地层，应采用清水加稳定剂的混合物顶替盐酸到钻具与钻孔的环隙。具体替浆量计算如下:

式中:Qt——替浆量;V1——钻杆内容积;V2——方钻杆内容积;V3——高压管内容积;V4——泥浆泵内容积;V5——进水管内容积。

经过计算，替浆量为7.48 m3。

3.3.3 酸化洗井效果

在盐酸洗井工作完成后，下入出水量为20 m3/h、扬程为370 m的深井潜水泵进行抽水洗井。经过3天的洗井后，出水量达到21 m3/h，出口水温38℃，达到了设计及项目预期的目的，获得了较为满意的技术经济效果。

3.4 洗井效果对比

通过以上不同的洗井方法对该地热井进行充分的清洗，逐步地增加了水量、水温等，达到了预期的目的，具体见表1。

表1 不同洗井方法的效果

4 结论与建议

4.1 结论

从整个地热井项目的施工情况看，造成水量小的原因有:

(1)地层因素:主要由泥岩、砂岩、灰岩地层组成，硬度大，研磨性强，且所含裂隙较小，多数发育程度差;

(2)钻进方法:施工采用常规泥浆正循环钻进工艺，由于钻井液的长期使用形成泥皮附着，部分渗透到裂隙内;

(3)钻孔事故:孔内事故的处理使钻井液滞留孔内的时间较长，增加了洗井难度;

(4)施工周期长。

项目根据施工情况，合理选用了物理、空气、酸化洗井方法对该地热井进行彻底的清洗，逐步增大了出水量，达到了洗井的目的。

4.2 建议

通过该项目洗井情况，我们建议:

(1)优化钻井工艺，采用先进的钻进技术钻进成孔，优先选用空气钻井、气举反循环钻井等欠平衡钻进技术;

(2)尽量不使用钻井液参与的钻探方法，避免钻井液对地层的污染;

(3)根据钻进方法及地层特点，合理选用不同的洗井方法或洗井组合，往往能够达到理想的洗井效果。

(4)按照每种洗井方法的操作要求及操作步骤进行，确保每种洗井工艺达到预期的目的。

［1］卢予北.钻探技术研究与实践［M］.河南郑州:黄河水利出版社，2008.

［2］杨宗仁，袁洁，张鹏，等.超大直径、巨厚漂卵石地层钻井泥浆护壁洗井工艺技术［J］.探矿工程(岩土钻掘工程)，2010，37(4):50－53.

［3］谷懿，胥建华，胥姝.大峡谷地热井增水技术措施分析［J］.探矿工程(岩土钻掘工程)2006，33(6):49－52.

［4］任良志，李勤义，熊章华，等.地热井洗井工艺探讨［J］.地下空间与工程学报，2010，(S2).

［5］刘广志.特种钻探工艺学［M］.湖北武汉:中国地质大学出版社，1999.