滨海新区西部馆陶组回灌井填砾成井工艺的应用分析

江国胜，王光辉，赵娜，黄贤龙，沈健

（1.天津地热勘查开发设计院，天津，300250；2.天津市国土资源和房屋管理局地质事务中心，天津 300042）

滨海新区西部馆陶组回灌井填砾成井工艺的应用分析

江国胜1，王光辉2，赵娜1，黄贤龙1，沈健1

（1.天津地热勘查开发设计院，天津，300250；2.天津市国土资源和房屋管理局地质事务中心，天津 300042）

为了解决以往成井工艺存在的新近系储层回灌堵塞问题，根据热储条件，滨海新区西部25#地热回灌井采用大口径管外填砾的成井工艺。在施工重点工序上，一方面为了减小热储层的水流阻力，提高回灌量，25#回灌井采用下管前的破壁洗井和填砾前的正循环管外洗井，破坏井壁泥皮和清除渗入热储层中的稠泥浆，使过滤器周围形成一个良好的人工过滤层；另一方面总结以前填砾经验和教训，25#回灌井采用动水填砾，有效避免了填砾过程中的砾料膨胀与搭桥现象，保证了填砾安全到位。25#回灌井成井后进行了科研性回灌试验和生产性回灌试验，最大稳定灌量达66 m3/h，稳定动水位埋深71.37 m，回灌效果良好，而且后期回灌运行稳定，进一步验证了填砾成井工艺有利于回灌。

地热；馆陶组回灌井；填砾成井工艺；破壁洗井；回灌试验；滨海新区

天津地区新近系热储层的回灌研究工作始于1982年，实质性的回灌试验于1995年冬季供暖期间在塘沽区新近系馆陶组热储层进行，此后陆续在不同地区开始了不同热储类型、不同方式和目的的回灌研究。由于不能实现供暖期的正常回灌运行，导致回灌工作一直处于停滞状态。回灌连续时间较短、回灌率偏低、灌量衰减明显是困挠孔隙型热储层回灌工作快速发展的主要原因[1]。自2001年开始，在基岩回灌取得经验的基础上对新近系热储层回灌井成井工艺及地面水质控制系统进行了大量的研究和试验工作，主要采用单层滤水管和双层滤水管成井结构，并进行对井回灌开采生产性试验，试验方式主要为自然回灌，并尝试了加压回灌，系统地分析了时间与水位、回灌量、回灌温度的变化关系，得出在自然回灌状态下水位与温度呈正相关变化，而水位与灌量呈负相关变化，研究认为成井工艺是决定成败的关键因素之一[2-4]。

目前天津地区馆陶组热储层主要采用三种成井工艺单层过滤器成井工艺、填砾成井工艺和射孔成井工艺。近年来，射孔成井工艺已成功应用于天津市滨海新区和武清区馆陶组回灌井中，稳定回灌量达到100 m3/h以上，回灌效果良好。滨海新区西部与中东部的地质条件存在一些差异，馆陶组砂岩热储层厚度相对较薄，且结构较松散[5]，不适宜采用射孔成井工艺，因此，该区馆陶组热储层主要采用单层过滤器成井工艺和填砾成井工艺，而实践表明采用单层过滤器成井工艺回灌效果不太理想。为了解决新近系回灌井堵塞、回灌量连年递减、热储水位逐年下降等问题，滨海新区西部25#回灌井采用填砾成井工艺。笔者将从该回灌井的成井工艺入手，通过对成井后回灌试验的数据分析和后期运行实践，研究该工艺在砂岩地热回灌井中的应用效果。

1 区域地质背景

滨海新区西部位于山岭子地热田内，构造位置处于沧县隆起之潘庄凸起东南边缘的沧东断裂带附近，东与北塘凹陷相邻，热储条件主要受沧东断裂与海河断裂控制（图1），基岩顶板埋深约1300～1500 m。附近发育主要断裂构造有沧东断裂和海河断裂。

沧东断裂，形成于中生代印支—燕山期构造旋回，总体走向北北东（NNE），倾向南东东（SEE），倾角为30～48°。该断裂纵贯山岭子地热田，区域上被

北西向的断裂所切割，是本区东部的一条区域性控制断裂。断裂东盘普遍发育古近系，而西盘则古近系缺失，表明其对新生界古近系沉积控制作用强烈。

海河断裂，是白塘口凹陷与潘庄凸起的分界线。该断裂原为左旋平移断层，后期作用中表现有拉张性质，属基底正断层，走向北西西，基本沿海河分布，呈带状发育，倾向南南西，倾角40～60°，地层落差400～800 m，断点埋深1400～1700 m。

2 馆陶组热储层特征

根据已有地热钻井成果资料，滨海新区西部馆陶组热储层顶板埋深1100～1300 m，厚度200～300 m。热储分为上粗段、中细段和下粗段。

馆陶组上段：厚度100～150 m。岩性为灰绿、灰白色厚层细砂岩夹棕红色薄层泥岩。孔隙度约为31.5%～32.96%，渗透率在（869.58～1101.1）× 10-3μm2之间。

馆陶组中段：厚度约50 m左右。为上段与下段的隔层，以厚层灰绿色泥岩为主，夹薄层灰色泥质砂岩。孔隙度为27.85%～33.01%，渗透率在（535.96～1140.0）×10-3μm2之间。

如表1所示，从字符来看（见表1），特朗普政府的《报告》提及中国的次数最多，中国（China）在高频词排序中占位也最为靠前。与之前《报告》不同的是，中国在报告中被提及33次，并被定义为美国利益的“竞争对手”（competitor）和“修正主义者”（revisionist）。在所占总字符比方面，小布什政府《报告》的涉华比重最大，但是高频词排序占位却位居第二，说明2002年的《报告》对外部实体表述较多，但是中国在外部实体中并没有占首要地位。综上所述，特朗普政府《报告》最重视中国在美国国家安全战略中的地位及其所扮演的角色。

图1 滨海新区西部25#井附近基岩地质图Fig.1 Geo logica lMap o f bed rock nea r the w e ll

馆陶组下段：厚度约100 m。上部为含砾砂岩，下部灰白色底砾岩，磨圆度差，结构松散，夹少量薄层泥岩。孔隙度19.67%，渗透率139.85×10-3μm2。

滨海新区西部25#回灌井利用整个馆陶组成井，成井深度1362.39 m，出水量107 m3/h,水温76℃，水化学类型为Cl·HCO3－Na型，矿化度1726.2 mg/L，pH值7.57[6]。

3 25#回灌井填砾成井工艺

3.1 回灌井井身结构

回灌井井身结构为一开，采用扩孔钻进[7]。

泵室段：采用φ500 mm三牙轮钻头钻至346.18 m，然后采用φ600 mm钻头扩孔。

下部井段：先采用φ311 mm钻头钻进至1362.39 m，为减轻钻具扭矩采用二次扩孔，第一次采用φ400 mm牙轮拼装扩孔钻头扩孔至孔底，第二次采用φ450 mm牙轮拼装扩孔钻头扩孔至孔底，最后为保证孔径、清除取水段泥皮，换用φ460 mm牙轮拼装扩孔钻头划孔至孔底。

完井后全井一次下管，套管串组合：φ219.1 mm沉砂管×4.75 m＋φ219.1 mm反冲滤水管×6.8 m＋φ

3.2 回灌井填砾与止水

填砾：围填砾料是增大过滤器及其周围有效孔隙率，减少地下水流入过滤器的阻力，增大钻井出水量，防止涌砂，延长地热井使用寿命的重要措施。25#回灌井所填砾料选用粒径为1.5～5 mm均质磨圆度近似圆形分选较好的优质石英砂（图3）。填砾时采用动水填砾，共计填入龙口石英砂60 t（37.5 m3），砾料顶面超过滤水管顶部40 m，以防止砾料下沉影响成井质量[8]。

止水：为隔离钻孔所贯穿的透水层或漏层带，封闭有害和不用的含水层进行止水作业。止水选用粘土球和红土，在过滤器顶板上40 m处开始投入粘土球，粘土球投入量50 t，然

后回填红土至井口封闭。

图2 25#回灌井井身结构示意图Fig.2 The schematic diagram o f casing p rogram o f the 25#we ll

3.3 回灌井洗井

下管前的破壁、替浆是填砾井施工的关键程序，直接影响成井质量和成井后的回灌效果。为使含水层畅通，提高回灌效果，本次采用下管前“破壁洗井”与下管后填砾前“正循环管外循环洗井”的洗井方法（图4），彻底清除井内泥浆，破坏井壁泥饼，抽出渗入储层中的泥浆和细小颗粒，使过滤器周围形成一个良好的人工过滤层。

表1 25#地热回灌井井身结构一览表Table 1 Schedu le o f casing p rog ram o f the geotherma l recharge we ll

图3 回填砾料Fig.3 Filled G rave l

图4 填砾前正循环管外循环洗井示意图Fig.4 Be fo re fill in the g rave l positive circu la ting pipe outside o fWash we lls sketch map

洗井时利用大港油田10 m3150 MPa空压机及水泥泵气水混合联合洗井，风管下深1346 m，经历

11.5 h的连续洗井，刚开始排出的气水混合体携带有残存泥砂出井，然后水体逐渐干净，最后水清砂净。

表2 25#回灌试验基本数据表Table 2 25#in jection test data sheet

4 回灌试验

25#回灌井成井后进行了两组回灌试验。第一组回灌试验自2010年9月10日开始，至9月28日结束，累计持续回灌432.5 h，累计回灌量18 624 m3，恢复水位24 h，回灌前静水位埋深97.67 m，对应液面温度40℃。第二组回灌试验自2010年11月24日开始，至12月6日结束，历时286 h，累计回灌量14 536 m3，试验过程中除偶尔出现水量不够中断回灌外一直持续进行，除去中断时间实际有效回灌时间244 h，回灌前静水位埋深97.47 m，对应液面温度40℃。回灌试验参数见表2，历时曲线见图5和图6。

图5 25#第一组回灌试验历时曲线图Fig.5 25#The firstgroup in jection test lasted curve

5 填砾成井工艺的应用分析

25#回灌井采用大口径填砾成井工艺（表3），其回灌试验结果表明回灌效果良好。在回灌水源不足的情况下，该井回灌试验时最大稳定灌量为66 m3/h，回灌水温度48℃，稳定动水位埋深71.37 m，稳定时间20 h，由于稳定动水位较低，还具有很大的回灌潜力。历年回灌监测数据（表4）表明，该井在后期的冬季供暖回灌运行稳定，2012年度累计回灌量达11.4万m3[9]。针对25#的成功回灌，其成井工艺有如下特点：

25#回灌井采用大口径（φ460 mm）成井和动水填砾，增大过水断面面积、增大回灌能力。采用动水填砾能使砾料顺利填入指定位置，防止搭桥和井壁

坍塌[10]。25#采用破壁与正循环管外循环洗井，抽出渗入含水层中的泥浆和细小颗粒，使过滤器周围形成一个良好的人工过滤层，以提高回灌效果。

图6 25#第二组回灌试验历时曲线图Fig6 25#second group in jection test lasted curve

表3 25#成井工艺参数表Table 3 25#w e ll com p le tion techno logy pa ram e te r tab le

表4 25#历年回灌监测数据表Table 4 The in jection monitoring data tab le over the years

6 结语

滨海新区西部25#为馆陶组砂岩储层回灌井，热储顶板埋深1124 m，厚度238 m。该回灌井采用大口径施工，开孔口径φ600 mm，终孔口径φ460 mm，滤水管直径219.1 mm，回灌储层环状间隙达120.45 mm，增大了过水断面面积，同时采用管外填砾的成井工艺，减小水流阻力，再采用破壁洗井与正循环管外洗井工艺，回灌试验和后期运行数据反映回灌效果良好，实践证明采用大口径填砾成井工艺有利于回灌。因此，在孔深较浅（一般＜1500 m）且储层胶结较差的砂岩地热回灌井中可以考虑首选大口径填砾成井工艺。

本文的分析只是基于25#回灌井进行的。如果需要更深入地研究大口径填砾成井工艺在砂岩地热回灌井中的适用性，还需在不同地区、不同深度范围内投入相应的研究工作。

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Application of Gravel-packed Comp letion Technology of Guantao GeothermalReinjection W ell in theW estern BinhaiNew A rea

JIANG Guo-sheng1,WANGGuang-hui2,ZHAONa1,HUANG Xian-long1,SHEN Jian1

(1.Tianjin GeothermalExploration DevelopmentDesigning Institute,Tianjin,300250,China;
2.Tianjin Bureau of Land,Resourcesand Real Estate M anagement,Center of Geology,Tianjin,300042,China)

In order to solve the clogging problems of reinjection well in Neogene geothermal reservoir,the drilling technology of gravel-packed completion technology outside the casing in large diameterwell is taken in 25# reinjection well according to geothermal reservoir conditions in the Binhai New Area.For reducing flow resistance of the thermal reservoir and improving recharge amount,thewell flushing for broken themud wall before casing installed and directwell flushing outside the casing before gravel-packedmethod was adopted,which can damage themud wall and clean out the viscousmud that have got into reservoir,so that the filter is formed a good artificial filter layer.And the dynam ic water filling gravelwas taken into the drilling of 25#,based on theexperiences before,which can avoid gravel expansion and bridging phenomenon to ensure the gravel-packed in place.The reinjection and production tests have carried out separately.It indicates that themaximum recharge amount is 66m3/h and the stablewater level is 71.37m.The testachievesa good reinjection effect.The operation of the system is running steady.This is a good verification thatgravel-packed completion technology couldmake geothermal reinjection in sandstone reservoireasier.

geothermal;Guantao formation reinjection well;gravel-packed completion technology;well flushing;reinjection test;Binhainew area

P314.1;P641.25

A

1672－4135（2014）02－0149-06

2014-02-18

天津市滨海新区馆陶组热储回灌技术集成及示范研究（国土房任[2009]27号）

江国胜（1982-）男，水工环工程师，工程硕士在读，主要从事地热地质、钻井地质和地热回灌方面的工作，Email: jgs_1982@163.com。