韩城地区中深层钻井取热供暖关键技术

2022-01-05俱养社张玉贵

钻探工程 2021年12期

俱养社，张玉贵

（陕西省一三一煤田地质有限公司，陕西韩城 715400）

0 引言

韩城位于陕西省东部黄河西岸，是史学家司马迁的故乡、中国历史文化名城、中国花椒之乡、中国优秀旅游城市、中国西部重要的能源化工基地，陕西省唯一的计划单列试点市，总面积1621 km2，人口40万。城区建筑总面积1053万m2，城区居民居住面积950万m2，城区公共建筑面积103万m2，城区供热总面积886.15万m2，居民居住供热面积800万m2，公共建筑供热面积86.15万m2。建筑物供暖以燃煤锅炉、天然气为主，由于近年来不断进行散煤治理及燃煤锅炉改造，城区供热存在166.85万m2缺口。随着新建建筑的不断增多及天然气供给短缺，供热缺口将越来越大。

地热能是一种绿色低碳的可再生能源，地热供暖不仅可以减少煤炭消耗，也降低了煤炭燃烧所产生的气体、烟尘对环境的污染，具有良好的社会、经济效益［1-2］。韩城市碳酸盐岩热储因其出水量大、水温高、易于回灌的特点，成为了重点开发利用目标。通过对中深层（水热型）地热资源进行估算，碳酸盐岩岩溶裂隙类地热资源总量为18.76×1018J，相当于6.40×108t标准煤。资源潜力巨大，具备发展水热型地热能的资源优势和基础［3］。

地热井钻取优质的地热水是采灌型地热能供暖系统的前提条件，由于韩城市地热井施工深度大，工艺复杂，投资大，风险也高［4-6］。钻井费用占整个采灌型地热开发项目投资总费用的70%以上，是影响整个水热型地热能项目经济效益的最敏感因素，而钻井关键技术对地热井的成井质量具有重要意义，对韩城地区地热产业的发展有着举足轻重的作用。

1 中深层钻井难点

韩城地区地层、构造条件复杂，施工中深层地热井难度较大，主要存在以下难点。

（1）钻井深度较大，一般为3000～4000 m，钻井深度的增加，对钻井工艺和设备要求较高。井壁围岩稳定性差，在高温高压且深度较大的岩体中施工，钻进过程中井壁围岩遇水极易产生热破裂及井眼扩大，脱落下来的岩石极易造成卡钻现象［7］。下技术套管及固井过程中若泥浆性能控制不当，则容易造成卡套管及固井循环不通、套管挤毁断裂等事故。

（2）韩城地区二开钻遇造浆性能好的孙家沟组棕色泥岩及膏泥岩层，该段泥岩可塑性强，极易吸水，会产生缩径、阻卡及钻头泥包，影响钻井效率。

（3）地热井成井交付使用后，需长期进行抽采地下热水，因此需选择安全、可靠、稳定的止水工艺进行止水。

（4）碳酸盐岩含水层具有富水性极不均匀的特点，很难预先查清深部地热储层的富水性和导水性，从而无法保证地热井出水量，采用常规洗井、爆破和常规酸化也影响地热井单井产能及回灌量。

（5）在城区进行地热井施工，往往受到场地限制，需要高效利用钻井场地，合理布设地热井，在达到热储层最小井间距的前提下，设计最优的井身轨迹，实现原位采灌地热能开发利用系统布置。

2 防塌高效钻井技术

韩城地区孙家沟组上部岩性上段以棕红色-紫红色泥岩夹粉砂岩薄层为主，含钙质结核及石膏条带，下段以黄绿、暗紫色中-细粒砂岩为主，夹暗紫红色砂质泥岩（见图1）；厚度150～320 m，平均230 m。该段岩石泥岩单层厚度最大达93.4 m，由于存在石膏夹层，岩石裂缝较发育，水敏性强，极易吸水膨胀。

图1 某钻孔红色砂质泥岩岩心照片Fig.1 Cores from a borehole

在某地热井钻进过程中，钻遇该段地层时，机械钻速由18～54 m/h下降至2.25～9 m/h，出现上提钻具下放遇阻、划眼憋泵现象。更换泥浆后，反复划眼，仍无法遏制井壁坍塌，井壁坍塌范围不断扩大，导致无法继续钻进，最终选择侧钻钻进。针对井壁坍塌事故，通过查阅相关文献分析了影响井壁失稳的主要因素，分析造成井壁坍塌原因，从钻井井身结构及钻井液体系对施工方法进行优化，取得了良好的效果。

2.1 钻井井身结构优化

为防止井壁坍塌造成卡钻、套管粘卡事故，井身结构设计时，对井身结构进行优化（见图2、表1）。

图2 井身结构Fig.2 Well bore structure

表1 井身结构优化前后对照Table 1 Comparison of wellbore structures before and after optimization

增大环状空隙，可有效防止因泥岩遇水膨胀或泥饼过厚粘、卡钻事故，防止下套管过程中粘卡套管事故发生，同时满足一开及三开井径要求。采用的钻具组合：Ø241.3 mm钻头+Ø172 mm螺杆马达（1.25°）+浮阀+Ø172 mm定向接头+Ø172 mm无磁钻铤+127 mm钻杆，避免钻具连接时出现过多的台阶，降低起下钻摩阻和卡钻风险。同时采用螺杆+钻头进行低钻压、高转速、大泵量钻进，提高钻井效率，减少钻进时间。

2.2 防塌钻井液体系

该段地层水敏性较强，容易造浆，使得井眼内的泥质和固相含量增加，高固相泥浆会使泥饼质量变差，使得钻井液滤失量增加，钻井液滤矢量的增加又加速了粘土的水化，从而形成一种水化滤失的恶性循环［9］。随着滤矢量的增加，泥饼不断变厚，造成卡钻事故。因此，在配置钻井液的同时要精确计算钻井液的密度，有效平衡地应力与热应力。严格控制钻井液滤失量，减小液体向井壁岩石的渗透，保证井壁的稳定性。

二开施工时，钻遇该地层前，在聚合物泥浆体系下，放掉部分原浆，替入如下钻井液：

原井浆∶水（8∶2）+1.0%～1.5% G319-FTJ+0.1%～0.2%PHP+0.3%～0.8%GPX+1.5%～3%FRH+2%～3%KHm+2%～0.5%LVCMC0.+0.1%～0.15%NaOH+BaSO4至合适密度。

随井深增加，逐渐加入RST和HTX，提高钻井液抗高温和抗钙能力。该钻井液体系机理不同于传统的抑制型钻井液，它是依靠有机胺独特的分子结构能使得抑制剂很好地吸附在粘土层间，并使得粘土层紧密结合在一起，降低了粘土吸收水分的趋势，不仅具有更强的抑制水化膨胀分散的能力，更具有成膜作用。为防止钻井液粘度、切力上升较快，应采取多种手段尽可能降低钻屑含量和含砂量，将膨润土含量控制在30～50 g/L，降低粘度至40 s左右再实施加重。实践证明，优化后的钻井液配方具有良好的抗污染能力、抗温能力和良好的流变性。能有效防止井壁坍塌事故。

3 地热井止水工艺

止水工艺是地热井成井必不可少的环节。目前地热井止水所采用的方法主要有3种。第一种是在套管及其交错部位与下端采用止水材料，然后用铁丝进行绑扎，放入到止水层段，材料遇水后将发生膨胀，实现封闭止水，该种止水方法广泛应用于水文水井及煤田水文钻孔施工中。第二种方法是采用封水止水器止水，通过异径止水，在两板间设置硅胶板或者橡胶板，借助其遇水后膨胀的特性，起到封堵、阻隔地层水的作用。该止水装置能从根本上克服传统止水材料局限性，目前已经能广泛用在地热井及水文井的施工中。第三种方法是采用水泥固井进行止水［10］，该止水方法可与其它方法组合使用，对固井质量要求较高，尤其在多级钻井井身结构中，需严格控制水泥上返高度，水泥上返高度不足时，难以保证悬挂处止水质量，水泥上返较多时，卸压后存在凝固入井管柱串的风险。

在韩城地区某地热井施工时采用“穿鞋戴帽”的止水工艺，即上部Ø339.7 mm套管与Ø177.8 mm套管连接处（442～450 m）采用膨胀橡胶压缩止水，Ø177.8 mm技术套管下部采用水泥浆固井止水，水泥浆上返高度在开采段顶部300 m以上，即井深2630～2930 m为水泥固井段。但在地热井开采过程中，由于技术套管上部未进行水泥固井，开采过程中技术套管在高温条件下产生热胀冷缩，套管上行；加之膨胀橡胶在高温条件下老化分解，使得膨胀压缩止水失效。上部含水层低温地层水涌入井内，给生产带来影响。

对事故原因进行分析后，通过多种处理方案比选，选择利用Ø177.8 mm套管上部的正反口丢手接头，加接1根Ø177.8 mm套管，套管外部与Ø339.7 mm套管的环状间隙用水泥浆封固，进行上部2次止水（见图3），达到止水目的。

图3 事故处理（上部2次止水）示意Fig.3 Treatment of downhole incidents

为达到地热井长期开采利用的目的，避免出现同类止水失效事故，在其它地热井施工时，技术套管止水采用全井段尾管注水泥固井止水，水泥浆采用低密度+高密度水泥浆体系，既能在施工前、施工中、候凝中压稳地层，又能保证止水效果。上部悬挂处在Ø339.7 mm套管底部加接Ø245 mm套管50 m，与技术套管形成环状空隙，控制水泥上返高度，保证水泥上返至Ø245 mm套管与技术套管重叠环状空隙处，水泥浆上返至悬挂器顶部。通过抽水试验及供暖时抽采地热水运行监测，证明该止水方法有效地阻止了浅层低温水从套管搭接部位或其它部位渗入目的层热水，止水方法可靠，质量良好。此外，技术套管采用水泥浆全部封固后，既可以起到隔热保温作用，还可以保护技术套管，同时避免了地下含水层在技术套管外相互串通，破坏地下含水层。建议后续地热井施工采用水泥固井止水工艺。

4 酸化增产增灌处理措施

酸化技术是油气层改造常用的技术之一，在石油天然气行业已进行了多年的研究与实践，技术已相对成熟［11］。在碳酸盐岩饮用水及工业用水水井施工中，部分水井产量不达标，采用常规酸洗工艺进行洗井，即将高浓度盐酸从井口直接注入井内，盐酸与井筒表皮的灰岩、白云岩反应后，下入潜水泵将反应残液排出，从而达到含水层表皮解堵的目的。

近年来，酸化技术也逐渐应用到地热井施工领域，在咸阳、渭南等地取得了一定的成果，但由于酸化是一个复杂的酸岩反应过程，酸与岩石的反应是发生在多孔介质中的多相反应，加之每种矿物与酸的反应速度不一致，导致酸化技术的复杂性。地热井酸化施工技术有待于进一步研究。

盐酸可以溶解碳酸盐岩，反应产物可溶于水并生成二氧化碳气体，利于反应残液返排。化学反应式如下：

同时，盐酸也可以溶解地热井套管、钻杆等金属，因此给酸化施工带来不便，经常会造成仪器故障、井柱泄漏及断裂等事故，其化学反应式如下：

通过对岩心、岩屑进行了匹配实验，确定韩城地区碳酸盐岩热储合适的酸液配方为：60%（31%HCl）+2%酸化缓蚀剂+3%铁离子稳定剂+2%防膨稳砂剂+0.5%助排剂+0.05%消泡剂，根据数值模拟结果，酸液最优用量90 m3。

具体施工过程如下：

（1）连接现场设备（见图4），将钻杆下至主要含水层，封闭井口，并安装带高压阀门的注酸口与放喷口，使注酸口阀门处于打开状态，放喷口阀门处于完全关闭状态；

图4 施工工艺流程示意Fig.4 Construction process flowchart

（2）将清水从注酸口注入，观察并记录压力变化，确保井口、压力管线、水龙带等密封效果良好；

（3）待泵压及井口压力稳定后，且密封效果良好的情况下，将洗井酸液由注酸口缓慢压入井中；

（4）全部酸液注完后，继续向井中压入清水（将钻杆中的酸液完全顶入井中），之后完全关闭注酸口阀门，断开高压泵与注酸口的连接，并保持注酸口与放喷口同时关闭，观察井口压力，使盐酸与地层充分反应；

（5）待井口压力释放后，拆卸井口装置，提取钻杆，下入水泵抽洗。

5 原位采灌工程优化布置

在城区施工地热井受地面条件限制，为充分利用场地，地热丛式定向井的应用越来越广泛［12-13］。地热井不同于油田丛式定向井的地方在于，地热丛式井的布置需在考虑回灌井与开采井不产生热突破的前提下，能够精准命中富水靶区。多口井从一个平台打到不同的富水靶区，这时既要考虑本平台邻井的防碰问题，又要保证下部目的层段能够命中富水靶区。根据韩城地区地热钻井实践，借鉴油田丛式井施工方法，总结地热井原位采灌工程布置技术要点为：

（1）防碰绕障技术。在设计时，充分考虑邻井情况，通过井眼轨道类型、造斜点、造斜率等的优化设计，尽量避开老井，必要时进行绕障设计。利用软件进行防碰扫描和防碰距离计算。在施工时，做好现场井眼轨迹的监控和防碰绕障。

（2）物探地质综合预测技术。利用地震、磁法、电法等不同方法组合，研究热储物性特征和地质构造要素，同时，利用地质手段研究地热地质背景特征，评价地热主控因素及资源状况。综合物探、地质手段建立热储模型，精准模拟热储富水特征，找到富水靶区，为钻井提供依据。通过地热丛式井的施工，同台多井，节约了大量土地，井口管道及设备集中后，修井、起下泵方便，易维护，同时，通过物探及地质条件综合分析，优化井眼布置，达到地热井高产、高灌，实现经济效益最大化。

6 梯级换热与回灌系统

对于中深层水热型地热资源的利用，回灌开发是国内外专家公认的地热开发的良性循环模式［14-15］。在地热能开发利用中必须遵循采用抽灌井组进行地热能的开发利用，严格遵循“同层原水回灌”、“以灌定采”原则。回灌有以下主要优点：补充热储可开采量，变静态储量为动态储量；回灌水在地下经地层加热后，重新开采，可更多地利用地热能，缓解由于大量开采地热水可能诱发的地质灾害。

地热井成井后通过潜水泵抽采地下热水，地热水通过管道从各地热井引出和接入于地下直埋敷设管道直至热泵机房内，作为建筑物提供冬季供热热媒。地热水第一级采用高效板式换热器提取地热井中热量，直接用于建筑物冬季供暖，第二级采用水源热泵机组，间接提取板式换热器一次侧回水中的热量，作为建筑的冬季供暖热媒。经过两级换热后的地热尾水通过回灌加压系统由回灌井注入到地下开采层（见图5）。