多工艺联合洗井和抽水试验在CGSD-01井中的应用

陈浩文， 宋志彬， 和国磊， 李胜涛， 许本冲， 马汉臣， 杜垚森， 殷国乐

(1.中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

0 引言

随着社会经济的高速发展，化石能源日益短缺，生态环境不断恶化。而地热能源作为一种绿色低碳的可再生清洁能源，受到了越来越多的关注。地热能源在供暖、发电、种植养殖、温泉洗浴等领域广泛应用，在人类的日常生活中扮演着越来越重要的角色。我国地热分布广泛，地热资源的开发在京津冀、山东、陕西等多地快速发展并逐渐形成产业化。天津地热资源丰富，目前开采的主要层位为蓟县系雾迷山三、四段，但部分地区开采潜力已达极限。为探测新的地热储层，提高可开采量，着力支撑京津冀重点地区地热资源调查工作，中国地质调查局实施了天津东丽湖地热科学钻探一井(CGSD-01井)钻井工作，该工程隶属于“全国地热资源调查评价与勘查示范工程”[1]。

洗井是地热井成井工艺中非常重要的环节，其直接影响地热井的产量。洗井工作后还需进行抽水试验，以更准确地进行地热井产量的评价。本文介绍CGSD-01井多工艺联合洗井及抽水试验实施工艺，可为今后类似的工程提供参考。

1 工程概况

CGSD-01井为地热探采结合井，位于天津市东丽区丽湖西南角。工作区所处大地构造位置为华北准地台(Ⅰ)-华北断坳(Ⅱ)-沧县隆起(Ⅲ)-潘庄凸起(Ⅳ)的中部东侧。CGSD-01井为设计井深4000 m直井，覆盖层以下定深取心，完钻井深4051.68 m。其实际井身结构(见图1)如下[2]。

(1)一开井段：井径444.5 mm，深度1469.84 m， 下入Ø339.7 mm套管；

(2)二开井段：井径311.2 mm，深度2262.75 m， 下入Ø244.5 mm套管；

(3)三开井段：井径215.9 mm，深度4051.68 m， 下入Ø177.8 mm套管，其中筛管长度320.34 m。

图1 CGSD-01井井身结构Fig.1 Casing program of well CGSD-01

潘庄凸起分布的地层由新至老分别为新生界、古生界和中、新元古界。CGSD-01井实际钻探揭露揭层情况见表1。

表1 实际揭露地层特征[3]Table 1 Actual exposed strata characteristics

2 洗井工艺及流程

在钻井作业中，采用泥浆作为循环介质，含水层不可避免被泥浆、岩屑污染堵塞，影响后期抽水试验的结果[4]。因此，在抽水试验前，需先进行洗井作业。目前常用的洗井方法很多，主要为机械洗井与化学药剂洗井。机械洗井包括活塞洗井、二氧化碳洗井、压缩空气洗井等，化学药剂洗井包括焦磷酸钠洗井、盐酸洗井等。一般地热井洗井工艺流程如图2所示[5]，本井采用焦磷酸钠洗井、压缩空气洗井与酸化洗井相结合的工艺，以求尽量清除井壁泥皮，达到增大含水层孔隙率的目的[6]。

图2 地热井一般洗井工艺流程Fig.2 Geothermal well purging process

2.1 焦磷酸钠洗井

钻井结束后首先进行焦磷酸钠(Na4P4O7)洗井作业。焦磷酸钠与粘土发生络合作用，形成不易沉淀的水溶性络离子，在压缩空气洗井过程中可排出孔外。同时磷酸根带有强负电荷，可吸附粘土晶体含Ca2+、Al3+、Mg2+棱角部位，使粘土离子之间斥力增强；同时磷酸根离子产生吸附时带进水化膜，增加了粘土颗粒的水化。通过以上分散作用，使井壁的泥皮被逐渐分解成泥糊状，从而达到破坏泥皮的目的[7]。

焦磷酸钠洗井溶液浓度一般为0.8%～1.2%，由于CGSD-01井出水层井段施工时间较短，泥浆对井壁的堵塞程度不严重，故选用0.8%浓度的焦磷酸钠洗井溶液。CGSD-01井出水层位为雾迷山二段(3715～4051.68 m)，根据层位厚度，计算出管内及管外环空间隙体积，配置焦磷酸钠溶液11.27 m3。施工前先将钻杆下入井底，通过泥浆泵将焦磷酸钠溶液注入井内，再注入泥浆将焦磷酸钠溶液顶替至3715～4051.68 m井段。注入阶段共替出泥浆21 m3，浸泡7 h后用清水替换焦磷酸钠溶液。

2.2 压缩空气洗井

本井在完成焦磷酸钠洗井后，开始压缩空气洗井作业。通过向井内持续注入高压空气，使井内水柱上下震荡破坏井壁泥皮；同时高压空气推动井内水柱间断性喷出井口，随着井喷，井内瞬时形成负压，井壁裂隙堵塞物被吸入井内，有助于含水层的疏通出水[8]。

根据本井水位高度及压缩空气洗井所需气量，选用压力6 MPa，风量10 m3/min空压机进行压缩空气洗井作业。本井利用Ø127 mm钻杆将高压空气输送至井内，钻杆下入深度633 m，静水位深度148 m。压缩空气洗井持续21 h，共上喷38次(图3)，直至水清沙净结束洗井，技术参数如表2所示。

表2 压缩空气洗井参数Table 2 Compressed-air well purging parameters

2.3 酸化洗井

酸化洗井是利用化学反应的手段来提高地热井的出水量，对于岩溶不发育的白云岩十分有效。酸化洗井常用稀释后的工业盐酸，其与地层中的碳酸盐岩和泥浆发生化学反应，使其溶解。酸化反应一方面盐酸可以进入地层裂隙，与岩石反应达到增大间隙的目的；另一方面盐酸可以和堵塞在孔隙中的岩屑和泥浆等污染物反应，达到疏通孔隙的目的[9]。对于非碳酸盐地层(如砂岩，砾岩、火山岩等)，可采用土酸(氢氟酸与盐酸混合液)洗井，氢氟酸能有效溶解石英、硅酸盐类，盐酸能有效溶解方解石及碳酸盐岩胶结物，其原理与盐酸洗井相似[10]。本井在进行完焦磷酸钠洗井与压缩空气洗井作业后，进行了第一次抽水试验，根据抽水试验结果，经过专家研讨认为本井产量仍有提升的空间，为改善储层渗流能力，决定增加酸化洗井。

图3 压缩空气洗井Fig.3 Compressed-air well purging

酸化前根据物探测井解释成果(表3)，选取雾迷山二段中一类及二类裂隙层位岩屑进行室内物理化学性质的试验分析，尽可能模拟井下压力和温度条件来选择合理配比的酸化液压材料，对储层进行有效改造，增加尽可能多的产量[11]。经室内试验，本井采用18%盐酸溶液并配以一定量的缓蚀剂、助排剂、铁离子稳定剂、防膨剂等。这些添加剂的作用如下[12]：

(1)缓蚀剂：减轻套管受盐酸的腐蚀作用。

(2)助排剂：有利于酸液的排返。

(3)铁离子稳定剂：防止游离铁离子以氢氧化铁形式沉淀，造成二次堵塞污染。

(4)防膨剂：防止水敏性地层膨胀。

现场进行酸化洗井作业，酸化洗井主要设备如图4所示，施工程序如下：

(1)下管：下入Ø89 mm油管至3500 m，封隔器下深2350 m，打压座封封隔器。

(2)井口安装：井口安装250型采油树。

(3)配液：现场配置酸液，稀释酸液需用清水。

(4)地面管线试压：接好地面施工管线,高压管汇清水试压10 MPa,不刺不漏为合格。

表3 CGSD-01地热井物探测井热水储层解释成果Table 3 Interpretation results of hot water reservoir geophysical logging in Well CGSD-01

图4 酸化洗井作业主要设备Fig.4 Main equipment for acidizing operation

(5)平衡：井口环空灌满清水。

(6)泵酸：采用双压裂车同时泵酸，泵注程序如表4所示。

表4 泵注程序Table 4 Pump injection schedule

(7)排酸：气举洗井排酸至pH值为7结束。

(8)撤场：将排出酸液用罐车拉走处理；酸洗设备收好撤场。

3 抽水试验工艺及流程

在洗井结束后进行抽水试验，目的是获得地热井的实际出水量和水位的动态变化[13]，评价含水层的富水性，为评价合理开发地下水提供可靠的依据[14]。抽水试验按水位稳定性可分为稳定流抽水和非稳定流抽水[15]。按抽水井与观测孔关系可分为单孔抽水和多孔抽水。本井所取水层为雾迷山组二段，未揭穿整个含水层，在此选用单孔稳定流抽水试验。

CGSD-01井对雾迷山组二段(3715～4051.68 m井段)共进行2次抽水试验。在完成焦磷酸钠洗井与压缩空气洗井后，进行第1次抽水试验；在完成酸化洗井后，进行第2次抽水试验。2次抽水试验步骤相同，所用设备如图5所示，规格参数如表5所示。

表5 抽水试验设备参数Table 5 Pumping test equipment parmeters

抽水试验过程主要分为以下几个步骤。

3.1 止水检测

对Ø177.8 mm套管与Ø244.5 mm套管重叠段进行止水，防止在对雾迷山组二段进行抽水试验时，雾迷山组三、四段含水层中的地下水经套管重叠位置进入井内；对雾迷山组三段与二段地层分界线附近套管外进行止水，防止在对雾迷山组二段进行抽水试验时，雾迷山组三、四段含水层中的地下水经筛管外进入井内。

图5 抽水试验设备Fig.5 Pumping test equipment

本井采用电测井的方式进行止水检测。电测井结果显示Ø177.8 mm套管与Ø244.5 mm套管重叠段(2111～2170 m井段)与雾迷山组二段、三段分界处(3695～3605 m井段)固井质量优，止水效果满足要求。

3.2 试抽水

在进行正式抽水试验前，以抽水设备能力作一次最大降深试验抽水，时间要求延续24 h，或达到最大降深后的持续时间≮2 h。通过试抽水，全面检查抽水设备的运转情况和工作效果，初步了解水位降深值与涌水量的关系，以便正式抽水时合理选择水位的降深。本井共进行了4次试抽水，最终确认采用扬程190 m、水量140 m3/h的潜热水泵，泵下入深度190 m。本井在试抽水时，根据以往经验选用Ø127 mm钻杆下入井内作为泵管，但本井所用的潜水泵流量大，经常出现泵超载停机故障，后改用Ø140 mm套管作为泵管后，再无停泵现象。试抽水达到最大降深3 h后结束，整个过程共持续9.5 h。结束后静候观察静水位变化，每隔1 h记录动水位及温度值。最后连续6 h，水位虽呈锯齿状轻微波动(图6)，但每小时升降最大差值≯10 cm，符合规范要求，可进行正式抽水试验，静候观察时间总计52 h。

图6试抽水静水位恢复曲线
Fig.6Static water level recovery chart for test pumping

3.3 抽水试验

抽水试验共进行3次降深的稳定流抽水试验，降深顺序先深后浅。第1次依抽水设备能力进行最大降压抽水，其余2次流量值分别为最大流量的2/3和1/3进行。最大降深抽水试验延续时间≮48 h，稳定延续时间≮24 h；中、小降深稳定延续时间分别不少于12 h、8 h。各次降压抽水的水泵吸水管口的安装深度应该相同。抽水试验时，动水位、出水量和出口温度在抽水后的第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min的时间顺序观测，以后每隔30 min观测一次，直至抽水结束。动水位采用测绳测量，精度至毫米；流量采用三角堰箱测量，精度至毫米；温度采用电子温度计测量，精度至0.1 ℃。

大、中降深抽水试验结束后立即观测恢复水位。观测时间按1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min的时间顺序观测，以后每隔30 min观测一次，直到稳定，持续时间≮8 h。恢复水位应恢复到初始水位，若恢复不到初始水位且总观测时间>72 h，可停止观测。

两组抽水试验结果见表6、表7。

表6 第一组抽水试验(酸化洗井前)结果Table 6 The first set results of pumping tests (before acidizing)

表7 第二组抽水试验(酸化洗井后)结果Table 7 The second set results of pumping tests (after acidizing)

4 结语

(1)通过多工艺联合洗井，可明显改善地热井产能。特别是酸化洗井，通过2组抽水试验数据可看出其出水量以及动水位数值的明显变化，经计算CGSD-01井每天涌水量从酸化洗井前3120 m3提升至4800 m3。

(2)在进行洗井作业前，需制定标准的施工规范并贯彻实施。特别是在酸化洗井过程中，由于酸液需高压注入且有强腐蚀性，现场安全管理必须重视。酸洗后排出酸液需用罐车运输处理，不能随意排放，造成环境污染。

(3)本井开始进行抽水试验时，由于泵管口径与潜水泵流量不匹配造成多次停机故障，因此，在今后类似工程中，应根据潜水泵流量选取合理通径的泵管，统筹考虑两者的匹配性。

(4)抽水试验时，出口流量采用三角堰箱计量，在用钢板尺测量水位高度时存在一定误差。特别在冬天进行抽水试验时，高温地热水遇到冷空气产生大量水雾，使读数更为困难。在今后施工中，建议采用电子流量计，用多种方法进行计量，以提高测量精度，消除读数误差，保证抽水试验准确性。