青海贵德地区DR1地热井井旁涌水原因分析及处理工艺应用研究

2018-11-21赵东阳罗银飞董高峰

钻探工程 2018年10期

赵东阳，赵振，罗银飞，董高峰，童珏

(1.青海省环境地质勘查局，青海西宁 810007; 2.青海省环境地质重点实验室，青海西宁 810007; 3.青海省地质环境保护与灾害防治工程技术研究中心,青海西宁 810007)

地热属于可再生能源[1]，也是一种新型的清洁资源[2]，地热资源的开发利用，不仅可以取得显著的经济和社会效益，更重要的是还可以取得明显的环境效益[3]。贵德地区地处“三江源”地区，地热资源开发利用将对“三江源”地区生态环境保护起到一定的作用[4]，贵德盆地是青海省地热资源较丰富的地区[5]。地热井不同于其他的建设工程，它是一个重要的地下隐蔽工程，其质量不好不仅是经济的问题，更重要的是由此而引发的一系列环境问题，造成一些不可挽回的损失[6]。在贵德地区地热勘查过程中,DR1号地热井井旁出现涌水现象，笔者分析其井旁涌水原因，采取合理处理方案，取得了良好的效果。研究总结涌水原因和处理工艺，可为同类工程事故提供借鉴[7]。

1 地热地质条件

1.1 地层岩性

该孔所揭露地层自上而下依次为第四系、新近系、古近系及印支期花岗岩[8-9]。地层岩性如下：

(1)0～38.35 m为第四系全新统冲积(Q4al)亚砂土及砂卵砾石层；

(2)38.35～391.45 m为新近系上新统(N2)灰色泥岩，砂质泥岩夹粗砂岩、中细砂岩、粉砂岩地层；

(3)391.45～785.85 m为新近系中新统(N1)灰黄色、棕黄色泥岩，砂质泥岩夹薄层细砂岩、中砂岩地层；

(4)785.85～1490.55 m为古近系(E)棕红色泥岩、砂质泥岩夹薄层中、细砂岩地层，岩性致密完整，裂隙不发育；

(5)1490.55～1709.56 m为印支期花岗岩(γ5)，破碎带裂隙发育，肉红色，致密坚硬。

1.2 地热地质特征

贵德盆地构造层热自流水赋存于第三系构造层中，该地区200～600 m的钻孔在不同深度上都揭露到地下热水，形成东西长约10 km，南北宽约5 km的构造盆地型地热异常区，属断陷盆地型层状热储，水温18.5～34.6 ℃。其热储类型及控热机制为大地热流传导增温的裂隙孔隙层状热储[10]。

1.2.1 新近系低温热储

(1)盖层。热储顶板埋深于235.20 m，其上地层主要为新近系上新统砂质泥岩、泥岩、粉砂岩及中粗砂岩，盖层厚度为235.20 m。

(2)热储特征。新近系低温热储段埋深在235.20～556.45 m，热储段长321.25 m，含水层岩性为中砂岩，厚度27.35 m。该热储承压水头高出地面8.87 m，最大降深25.89 m，出水量为1288.22 m3/d，热流体水温为36.5 ℃。该低温热储地热增温梯度为8.81 ℃/100 m。

1.2.2 古近系中低温热储

(1)盖层。热储顶板埋深于608.50 m，其上地层主要为新近系中、上新统(N)泥岩、砂质泥岩夹薄层中细砂岩及粉砂岩，盖层厚达608.50 m，岩性为泥岩、砂质泥岩，致密坚硬无裂隙，隔水保温性能良好。

(2)热储特征。古近系热储段埋深在608.50～1594.70 m，热储段长度为986.20 m，岩性为古近系棕红色泥岩、砂质泥岩夹中细砂岩和粉砂岩。该段地热增温梯度为5.29 ℃/100 m，经抽水试验，水量较小，该热储段是处于有热无水状态，开发利用价值较低。

1.2.3 热源的初步分析

本孔在1490.55 m揭露到花岗岩体，从岩性和区域资料对比，该花岗岩体应属于印支期(γ5)花岗岩体，成岩相对比较晚，岩体内存有热源体和离子蜕变产生大量热能成为贵德盆地地下热水的热源体，地下热水热能主要来源于此花岗岩热源体，通过构造裂隙对流和地热传导增温形成地下热水。

2 项目概况

2.1 地热井施工

该地热井选用BSZ3200型钻机施工(见图1)。本孔于2010年6月14日开孔，进行钻进下泵室管、固井、岩屑录井、测井、下管止水、洗井、抽水试验等工作，于2010年11月17日结束全部工作，历时155天，终孔深度1709.56 m。

图1 BSZ3200型钻机施工现场

2.2 成井情况

该地热井采用“二开”成井结构(见图2)进行施工。

图2 地热井井身结构示意图

2.2.1 钻井技术及口径

(1)一开，用Ø445 mm牙轮钻头钻至200.06 m，下入Ø273 mm泵室管，高出地面0.68 m。

(2)二开，利用Ø216 mm牙轮钻头钻至井底1709.56 m。下入套管706.68 m，滤水管808.59 m。

2.2.2 止水

(1)0～200.00 m，下入Ø273 mm套管，管外采用优质水泥封固止水，使用高压泵入法注入水泥浆至返至井口为止，共用水泥20 t。

(2)193.00～200.00 m在198.50～199.00 m处止水，上部用水泥封固。

(3)深部止水位置：在597～598 m泥岩段进行止水。

(4)止水材料：198.50～199.0、597.00～598.00 m处采用膨胀橡胶和优质海带止水。

(5)在大厚度泥岩层位置加了5道扶正器，一是起到扶正管子的作用，二是起到阻砂器的作用，阻止砂层砂粒下沉堵塞含水层。

(6)下管止水后等待膨胀橡胶膨胀48 h后进行冲孔返浆。后经检查，止水效果良好。

2.2.3 洗井

采用活塞、水泵联合洗井，通过拉活塞和水泵反复抽洗、达到水清砂净，达到洗井效果。

2.2.4 抽水试验

抽水试验段为235.00～556.45 m段，含水层为新近系中砂岩，厚度为27.35 m。本次抽水试验，进行3个落程抽水试验。最大降深为28.10 m，出水量为1288.22 m3/d，水温为36 ℃。

3 井旁涌水原因分析及处理方案

3.1 井旁涌水原因分析

该地热井竣工移交地方后，于2015年3月发现在该地热井旁3 m处有涌水现象发生(见图3)，现场测量涌水量为100 m3/d。根据涌水现象进行分析，可能出现涌水原因有两种情况。

(1)第一种情况，上部Ø273 mm套管腐蚀或破损造成的涌水。套管破损的原因一般为：①套管固井时，因泥浆密度较高而产生串浆，对于固井质量较差的部位，在钻杆抽击或钻头敲击下，管体破损；②拉槽破损；③提钻过程中，钻头将公扣处管口卷起；④抽水过程中，热潜泵泵头敲击[11]。

图3 DR1地热井井旁涌水

(2)第二种情况，Ø273 mm套管管外地层涌水，地热井0～38.35 m为第四系砂卵砾石层，没有好的隔水层，长期地下水掏蚀作用，地层中粉细砂流失导致地下水上涌，造成井旁涌水现象。

3.2 处理方案

根据前述井旁涌水事故原因分析，处理方案如下。

(1)第一处理方案(管内止水法)：若套管破损范围在0～20 m范围内建议先做孔内影像以确定破损位置(见图4)。

图4 第一修井方案示意图

具体步骤：①下入Ø219 mm套管，下入深度大于Ø273 mm套管腐蚀或破损位置；②Ø219 mm套管下部进行膨胀橡胶海带法止水；③检查止水效果良好后，使用泵入法由Ø273 mm套管与Ø219 mm套管间隙注入水泥，水泥由套管破损位置返出为准，封闭全部环状间隙直至孔口。

(2)第二处理方案(帷幕灌浆法)：若Ø273 mm套管外部地层由于第四系孔隙潜水长期掏蚀作用形成涌水通道造成涌水(见图5)。

图5 第二修井方案示意图

处理步骤：①以该地热井为中心，直径范围10 m内，打8～30个小孔，孔深7～10 m，孔径60 mm，小孔以梅花环状绕于地热井周围；②小孔内下入1 in钢管；③地热井内下入水泵，将水位抽至10 m以下；④待水位下降至10 m以下时，采用泵入法通过钢管注入水泥浆，以达到对地热井套管周围涌水地层的封闭。

4 井旁涌水事故处理

根据该地热井井旁涌水原因分析及处理方案，井旁涌水事故处理步骤如下。

首先采用第一种修井方案，将60 m3/h深井水泵下至Ø273 mm套管内50 m进行抽水试验，当井内水位下降值27 m时，井旁涌水现象消失。

由此确定，井旁涌水主要是上部Ø273 mm套管27 m左右套管之间连接处腐蚀或破损造成的涌水。

其次，根据套管破损位置，下入30 m Ø219 mm套管，底部进行膨胀橡胶海带托盘止水，等待膨胀橡胶膨胀48 h后，检查止水效果(见图6)。

图6 DR1井修井工艺示意图

最后，在Ø273 mm套管与Ø219 mm套管间采用优质水泥封固止水，使用高压泵注入水泥浆返至井口为止，封闭全部环状间隙直至孔口。

同时，为了防止该地热井周边由于地下水长期掏蚀作用形成的孔隙，管外造成二次涌水现象，处理时，兼顾第二种修井方案在地热井周边进行帷幕灌浆，确保地热井周边不再发生涌水事故：①以该地热井为中心，直径范围1、3、5 m内，打8～20个小孔，孔深7～10 m，孔径60 mm，小孔以梅花环状绕于地热井周围；②小孔内下入1 in钢管；③采用泵入法通过钢管注入水泥浆，以达到对地热井套管周围涌水地层的封闭。