射孔技术在孔隙型地热回灌井中的应用

2015-12-15张芬娜杨忠彦彭红晶

地下水 2015年2期

贾志，张芬娜，杨忠彦，彭红晶，赵娜

(1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250;2.中国地质大学(北京)，北京 100083)

近年来，为了解决孔隙型地热回灌的问题，已有不同学者从成井工艺、回灌工艺等多种方式进行了探讨[1－6]。从已有回灌情况来看，采用常规成井方法的孔隙型热储地热井，回灌能力普遍较差。射孔技术是作为石油行业的关键技术，可以节约大量资金，且施工工艺简单，同时也能改变地热井目的层无水只能报废的现状，其在地热开发中的已被成功应用[7]。如果充分发挥射孔技术的优势，是否可以在孔隙型热储的回灌方面取得突破呢?我们就这一设想在滨海新区进行了试验，试验结果表明回灌效果良好，完全达到了预期的目标。

1 滨海新区地质及地热热储特征

1.1 地质特征

天津地区地处Ⅰ级构造单元华北地台北缘，以宁河－宝坻断裂为界分为北区和南区。北区属Ⅱ级构造单元燕山台褶带的次一级(Ⅲ级)构造单元蓟宝隆褶区，南区属Ⅱ级构造单元华北断坳区。南区为平原区，区内包括一隆两坳，即沧县隆起、冀中坳陷和黄骅坳陷三个Ⅲ级构造单元。Ⅲ级构造单元上发育的Ⅳ级构造单元凸起、凹陷的延伸方向和较大断裂的走向均呈北北东(NNE)向，形成雁行式相间排列的构造格局。滨海新区在区域上位于南区Ⅱ级构造单元华北断坳区的东南部[8]。区内发育的主要断裂有北北东向的沧东断裂带和北西西向的海河断裂、汉沽断裂等 (见图1)。

1.2 热储特征

滨海新区目前主要开采的热储层是新近系明化镇组和馆陶组[9]。

1.2.1 新近系明化镇组热储层特征

明化镇组热储层是滨海新区埋藏最浅的热储层，在整个滨海新区普遍分布，按热储层特征将其分为上、下两个热储段:

1)明化镇组上段热储:富水段岩性以中细砂岩为主，揭露顶板埋深为310～606 m，厚度为 137～876 m。分布规律为西部较薄至东部逐渐加厚。单井涌水量40～75 m3/h，静水位埋深为52～80 m，水温30℃ ～35℃。

2)明化镇组下段热储:富水段岩性为粉细砂岩夹中砂，揭露顶板埋深610～1 363 m，厚度为154～875 m，分布自西向东逐渐加厚。单井涌水量40～80 m3/h，水温35℃ ～50℃。

1.2.2 新近系馆陶组热储层特征

馆陶组热储层位于明化镇组热储层之下，在隆起区的高凸起部位缺失，其余地区均有分布，按其特征将馆陶组热储分上、下两个热储段:

1)馆陶组上段热储:岩性以粉细砂岩为主，其中夹有3～4层泥岩和砂质泥岩，揭露顶板埋深1 129～1 806 m，厚度为19～349 m，西部薄至东部逐渐加厚。单井出水量为40～90 m3/h，水温 45℃ ～60℃。

2)馆陶组下段热储:上部岩性以粉细砂岩为主;中部以中细砂岩为主;底部普遍发育单层厚度为30～60 m的砾岩。揭露顶板埋深1 245～1 900 m，厚度100～150 m。单井涌水量为 60 ～120 m3/h，水温 60℃ ～77.5℃。

图1 断裂构造图

2 孔隙型热储地热井传统成井工艺特点

成井工艺是地热井施工中最为重要的一环，由于所处的地质构造和热储层岩性不同，需采用不同的井身结构和成井方法[10]，以保证投产之后地热井的产量稳定和井眼稳定。在天津地区孔隙型热储地热井主要的成井方法有:包网缠丝滤水管成井和大口径缠丝滤水管填砾成井[11－12]。

2.1 包网缠丝滤水管成井

优点:钻孔口径小，钻进效率高，钻进过程中容易控制井壁稳定，水泥止水效果好。

缺点:不适用于胶结差、粒度细的砂岩储层。

问题:由于滤水管外环空靠储层坍塌而形成的滤层混有钻井泥皮、钻屑等杂物，会堵塞滤层的孔隙，增加水阻，影响出水量，回灌效果不理想。

适宜性:该工艺适用于砂层胶结较好，颗粒较粗的地热井开采井。

2.2 大口径缠丝滤水管填砾成井

优点:管外环空形成人工滤层，在滤层保证质量的前提下，可以有效增大导流面积，减小水阻，很好的保证出水量和出色的防砂效果。

缺点:要保证砾料顺利投送到位，要求钻孔直径大，滤层有一定的厚度，需进行一级或多级扩孔工作，钻进工作量大，成本高，钻井深度大，成井风险就大。

问题:维护孔壁稳定难度大，施工风险高，对于深井砾料投送难度大，随着钻孔深度的加大，保证填砾质量的难度也随之加大。

适宜性:该工艺常应用于较浅的地热井施工中。

3 射孔成井

射孔技术就是将射孔器用专用仪器设备输送到井下预定深度，对准目的层引爆射孔器，穿透套管及水泥环，构成目的层至套管内连通孔道的一项工艺技术。在孔隙地热井施工中一般采用电缆输送聚能式射孔技术。当聚能射流打到地层上，迅速在与岩石的接触面上形成高温、高压、高应变率区域，使岩石迅速崩解、破碎，后续射流又将这些破碎物挤入地层，从而形成了射孔孔道，同时对孔道的四周的岩石进行了压实。根据射孔弹的结构，地层岩石性质，射孔弹穿出孔道长度一般在几厘米至几十厘米[13]。孔道直径一般在几毫米至十多毫米。

4 回灌试验

为研究不同成井工艺对新近系热储的回灌影响，本次选择天津某地采用不同的完井工艺的两眼地热井，进行回灌试验效果的对比[14－15]。

4.1 地热井基本情况

DR－1、DR－2井位于的天津东疆港东南部，距天津市区约60 km，对地热井影响较大的有沧东断裂、海河断裂和汉沽断裂(见图2)。两井均成井于新近系馆陶组，井口距离约550 m，地热井详细参数见表1。

表1 地热井参数

4.2 回灌试验分析

根据井口温度及温度损失的经验值，此次将 DR－1、DR－2井回灌试验均以热储温度70℃作为统一温度对试验观测数据进行校正。

4.2.1 DR －1地热井回灌试验

DR－1回灌试验于2011年8月5日开始，至8月15日结束，持续时间183.6 h，累计回灌量11 029 m3，最大瞬时回灌量87 m3/h。回灌试验历时曲线见图3。

图2 井位图

图3 DR－1井回灌历时曲线图

从图3可以看出 1 165～2 485 min，2 705～5 315 min、5 395～9 515 min三个阶段回灌量和动水位均较稳定，试验成果见表2。

表2 DR－1回灌试验成果表

4.2.2 DR －2地热井回灌试验

DR－1回灌试验于2013年6月24日开始，至6月28日结束，持续时间约98.5 h。DR－1地热井回灌试验过程中，最大瞬时回灌量101 m3/h，回灌试验历时曲线见图4。

图4 DR－2井回灌历时曲线图

从图4可以看出1 410～2 370 min，2 434～3 790 min和3 818～5 905 min三个阶段回灌量和动水位均较稳定，试验成果见表3。

4.2.3 回灌试验热储水文地质参数计算

本次采用公式(1)、公式(2)和公式(3)来计算注水渗透系数K注和导水系数T注的。

式中:K注为注水渗透系数(m/d);P为热储层吸收率(m3/d·m2);Q注为注水量(m3/d);s升为水位回升值(m)。

计算结果见表4。

表3 DR－1回灌试验成果表

表4 计算结果表

假设两井回灌流体温度均为70℃时，且回灌热储层流体场已趋于稳定，S升取50 m，根据公式(7)可得 DR－1和 DR－2允许回灌量分别为 109.89 m3/h和 496.71 m3/h。

试验结果表明，在相同的地质及回灌水源条件下，射孔成井回灌效果要优于滤水管成井。理论上允许可灌量比较大，实际回灌中，考虑到该井的实际运行情况，受贾敏效应、优质水流、水岩作用及其固体颗粒、微生物堵塞影响[16]，实际可持续回灌量可能会要比理论计算值小一些。

5 分析

通过两眼井的回灌试验结果可以看出，在相同的地质及回灌水源条件下，射孔成井回灌效果要优于滤水管成井。理论上允许可灌量比较大，但在实际回灌中，考虑到地热井的实际运行情况，受贾敏效应、优质水流、水岩作用及其固体颗粒、微生物堵塞影响，实际可持续回灌量可能会要比理论计算值小一些。

图5 天津地区新近系馆陶组热储层开采、回灌量及回灌率多年统计图

截止到2013年底，天津地区共有新近系地热井135眼，其中明化镇组地热井66眼，馆陶组地热井79眼[17]。明化镇回灌井有6眼，每年仅有0.89×104m3的回灌量，回灌率仍不到1%。馆陶组热储年开采总量为 628.28×104m3，比2012年度的747.66×104m3减少了 119.38×104m3;馆陶组回灌井有26眼，但目前还在进行回灌的仅有12眼，年回灌总量为 62.17×104m3，比 2012年度的 26.52×104m3增加了 35.65×104m3。回灌率为 9.90%，较 2012年的3.55%有较大幅度的提高(见表5)。

由表5中数据可看出，新近系热储整体回灌率偏低，最大仅为9.90%，基本小于5%。从图5可以看出，在2009年回灌量及回灌量明显比前几年要大，这主要是从2009年开始，孔隙型地热井成井工艺开始大规模采用射孔成井工艺，部分井回灌能力达到100%。

但由于在储层回灌过程中易发生水敏、速敏等作用，会引起储层物性变化。随流体运移距离的增加，压力减小，固体颗粒逐渐沉淀或被捕获，堵塞孔隙，渗流阻力增大，渗透率降低，使地热流体回灌能力减弱于原有的一些地热井回灌效果不好，而造成整体回灌井较少，故而影响了整体回灌量。随着这几年对孔隙型热储回灌的重视，采用射孔成井工艺陆续施工了十多眼馆陶组地热回灌井，无论是回灌量及回灌率都有了明显的提升。目前天津地区孔隙型地热回灌井仅有12眼回灌井还在正常回灌，其中射孔成井的有9眼，滤水管成井的有3眼，回灌量最大为126 m3/h，且射孔成井的回灌井回灌量明显高于滤水管成井的(表6)。

表5 天津地区新近系馆陶组热储层多年采、灌量统计表

表6 天津地区孔隙型地热回灌井一栏表

6 结语

通过对射孔成井的回灌效果总结可以看出，射孔成井后的孔隙型地热井回灌量基本在60 m3/h以上，完全可以满足尾水回灌的需求。这说明利用射孔成井工艺完井的地热回灌井，回灌能力更优于传统成井工艺完井的地热井。与传统成井工艺相比，射孔成井工艺对地层的扰动更少，可以精确地完井于目的热储层，因此它更适用于易出砂储层、实施压裂改造储层以及实施注水开发储层。本试验目前还仅局限于馆陶组地层，其它地层，如明化镇组地层等是否可行，还有待研究。目前射孔技术之所以还没有被广泛应用，就是因为对其适用的地质条件和应用效果认识不充分。同时射孔技术中尚有许多理论属于探索完善阶段，如孔道涌水机理，射孔技术中如何优化配参，如何进行有效防砂等。

[1]Goyal K P.Injection recovery factors in various areas of the Southeast Geysers[J].California，Geothermics，1995，24，(2):167 － 186.

[2]Geyal K P.Injection related cooling in the unit 13 area of the Southeast Geysers[J].California，Geothermics，1999，28，(1):3 － 19.

[3]程万庆，林建旺，林黎，等.天津地区中低温地热田孔隙型热储回灌试验阶段报告[R].天津.中国:天津地热勘查开发设计院.2005.

[4]林建旺，赵苏民.天津地区馆陶组热储回灌量衰减原因探讨[J].水文地质工程地质.2010，37(5):133 －136.

[5]孙宝成，林黎，程万庆，等.天津市地热资源开发潜力评价成果报告[R].天津:天津地热勘查开发设计院.2008.

[6]曾梅香，李会娟，石建军.新近系热储层回灌井钻探工艺探索[J].地质与勘探.2007，43(2):88 －92.

[7]李永状，苟红彬，贾兰凤.射孔技术在地热资源开发中的应用[J].工程勘察.2002，3:26 －28.

[8]卫鹏飞，张翠芬，等.天津滨海新区新构造分区与地震活动[J].华北地震科学.1999，17(2):52 －58.

[9]胡燕，林黎，孙宝成，等.天津市滨海新区地热资源可持续开发潜力评价报告[R].天津地热勘查开发设计院.2008.

[10]孔令珍，张新福，王荣生，等.地热井成井技术研究[J].地下水.2011，33(2):106 －108.

[11]马忠平，庞海，王艳宏，等.天津地区地热钻井及成井技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程).2008，12:9 －11.

[12]曾梅香，李会娟，石建军，等.新近系热储层回灌井钻探工艺探索[J].地质与勘探.2007，43(2):88－92.