地热井气水循环洗井及机理分析

宋现龙

（1.河北绿源地热能开发有限公司，河北雄安新区 071800；2.河北省地热能梯级利用技术创新中心，河北雄安新区 071800）

资源和环境是人类赖以生存和发展的基础条件，传统能源利用带来的环境污染问题已成为当今世界可持续发展面临的重大问题，地热资源作为一种集热能与水资源为一体的[1]清洁、可再生能源[2]其潜在的开发价值得到越来越多国内外学者的关注[3-5]。由于其热度适中且富含多种对人体有益的矿物质，在采暖、洗浴、工业、医疗和养殖业等领域有广泛的应用价值[6]。在地热井施工过程中，会在井壁形成井壁泥皮，钻井液及部分岩屑渗入地层内，堵塞含水通道。地热井施工完成后需要进行洗井作业，一般都要采用多种洗井方法，彻底清除井内和渗入地层内的钻井液，破坏井壁泥皮，打通含水通道，以增加井的产量及回灌能力。特殊的情况下一种洗井方法可重复使用，使地热井的水量、水温尽量达到最佳水量及水温。不同区域地热井热储层不同，采用的洗井工艺也不相同。目前主要的洗井工艺有喷射洗井、活塞洗井、气举洗井、大排量抽水洗井和酸化洗井等，相比较而言，气举洗井具有工艺简单，操作方便，对封隔器没有影响，不会造成对地层的污染和二次伤害[7]，施工费用较低、有效期长，在地热井施工及油井施工中均有广泛应用。2018 年与2019 年故城施工两口灰岩地热井，采用气举及气水循环洗井取得了良好的效果。本文主要针对气举洗井及气水循环洗井，并结合生产实际，对其机理进行研究分析，为在今后的地热井施工中，提供指导或参考依据。

1 气举洗井与气水循环洗井机理

气举洗井的主要原理就是采用风压机将气体喷入钻具内，钻具内压力升高，液面下降，当液面降至钻具底面，气体进入钻具与套管环空，环空内液体密度降低，液面升高由井口排出，造成环空内压力降低，地层压力保持不变，从而建立起一个较大的生产压差，地层水在压差作用下运移，向上运移产生气举。如图1 所示，P1表示钻具内注入气体压强，P2为井口大气压，P3为钻具底部A-A"处钻具内压强，P4为钻具底部A-A"处钻具与套管环空压强，P5表示在钻具底部A-A"处地层压强，ρ1、ρ2、ρ水分别表示液体1、液体2 和水的密度，g为当地重力加速度。在天然状态下，钻具及钻具与套管环空内充满水，即液体1 及液体2 为地热水。

图1 天然状态

持续往钻具内喷入气体，钻具内压强P1升高，液体2 液面开始下降。当P1=P4=P5时，气体由钻具内进入钻具与套管环空（如图2 所示），液体1 密度随着气体增多，ρ1逐渐降低，液位上升。当液面高度H1超过井口时，液体1 喷出井口，液体1 密度ρ1越来越低，P4=ρ1gH1+P2

图2 气举洗井

气水循环洗井是采用空压机将气水混合物喷入内管，压缩空气在管内形成无数的小气泡，小气泡与钻具内管中的液体形成一种低比重的气水混合物，液体从钻具进入套管与钻具环形空间，环形空间混入混合气体后，比重逐渐下降，混气液注的压力相应降低，钻具底部处压力下降，地层压力保持不变，从而建立起一个较大的生产压差，地层水在压差作用下运移，向上运移产生气举。气（空气）、液（冲洗液）、固（岩屑）三相混合物以较高的速度通过钻具内管被带出管外，从而把井底泥浆或岩屑不断带出井口。

气水循环洗井与气举洗井原理相似，不同点为气举洗井受空压机功率限制，钻具下深受限，地热水在从井底向上运移过程中，运移路径较长，存在较大水头损失，钻具底部产生的压力差在对地层产生的作用有限。气水循环洗井可以将钻具下深到产层裂隙位置，减少由于地热水运移路径所产生的水头损失，对产层裂隙能够产生较好的清洗作用。如图3 所示，P1表示钻具内注入气体压强，P2为井口大气压，P3为钻具底部A-A"处钻具内压强，P4为钻具底部A-A"处钻具与套管环空压强。在天然状态下，钻具及钻具与套管环空内充满水，即液体1 及液体2 为地热水。地层a、b、c、d点距筛管距离为L，a点距b、c、d点的距离分别为hab，hac，had。

图3 气水循环洗井

a点的水头为

b点的水头为

c点的水头为

d点的水头为

当持续向钻具内注入混气水，如图3 所示，液体1（混气水）充满钻具与套管环空，液体1 密度ρ1<ρ水，液体1 液面上升至井口，从井口排出。在不考虑钻具与套管环空内液体流速及水头损失条件下：a点同一埋深套管内水头为ρ1H2/ρ水+P2/（ρ水g），a点流速

式中：K为渗透系数。

同理b点同一埋深套管内水头为ρ1（H2-hab）/ρ水+P2/（ρ水g），b点流速

c点同一埋深套管内水头为ρ1（H2-hac）/ρ水+P2/（ρ水g），c点流速

d点同一埋深套管内水头为ρ1H2/ρ水+had+P2/（ρ水g），d点流速

上述结果得到：υd=υa>υc>υb。

然而在实际中，套管内液体在流动过程中存在水头损失，d点同一埋深套管内水头大于ρ1H2/ρ水+had+P2/（ρ水g），因此υd<υa。综上，距离钻具底部越近，ρ1密度越小，含水裂隙产层流速越大。即在气水循环洗井时，将钻具尽可能下深至含水层裂隙发育位置，同时尽可能增大空压机功率，达到较好的洗井效果。

2 施工案例

故城县县城，构造上位于沧县隆起南部武城凸起上，武城凸起面积1 362 km2，东、西分别以沧东断裂和武城断裂为界，东部为德州凹陷（如图4 所示），西部为大营镇凹陷。武城断裂：自清河至故城西，长约62 km，走向NE30°，倾向NW，倾角30~40°。断层面下端埋深达8 000 m，上端延入新近系，属正断层，沿线分布地热异常带。沧东断裂位于河北平原东部，是河北平原区一条规模较大的断裂，其北起宁河，向南经沧州、南皮、吴桥和山东德州，直至临清附近，总体走向NE30°左右，全长约350 km，倾向SEE。沧东断裂具有明显的南北分段特征，在故城县附近的临清-德州段，走向约NE45°，倾向SEE100°。

图4 故城区域构造

故城是一个以传导为主的沉积盆地型地热分布区[8]，热储主要有上第三系馆陶组热储和奥陶系岩溶裂隙热储。2018—2019 年故城施工两口奥陶系岩溶裂隙地热井，如图5 所示，灰岩1 井（图5（a））和灰岩2 井（图5（b））井深分别为2 904 m（垂深2 744.5 m）和2 950 m（垂深2 750 m），热储岩性为灰色、灰褐色白云质灰岩、灰岩和灰质白云岩。地热井施工完成后进行了酸化、气举、抽水等方式洗井，成井时出水量差，动水位240 m 时水量均小于30 m3/h。

对上述地热井测井结果进行分析，在地热井钻进过程中泥浆及部分岩屑渗入地层，堵塞含水通道，常规气举及抽水对地层所产生的压差不足，渗入地层中的泥浆及岩屑不能排出。后期两口地热井均采用气水循环洗井进行增产施工，在井眼干净的条件下，进行气水循环洗井。钻具下深到含水层裂隙发育位置，空压机将高压气体打入钻具，当钻具内压力达到一定值后（钻具内压力增至8~9 MPa），开启泥浆泵进行气水循环洗井，在地层裂隙发育位置产生较大负压，地层水在压差作用下产生较大动能。故城两口灰岩地热井在进行了气水循环洗井后，水量分别达到了55 m3/h 和65 m3/h，达到了预期的增产效果。

3 结论

地热井施工完成后，采用气举洗井，工艺简单，操作方便，施工费用较低。当地热井出水量差，空压机功率较低时采用气水循环洗井，洗井时钻具下深尽可能接近裂隙发育位置，增大空压机功率。钻具下深到含水层裂隙发育位置，空压机将高压气体打入钻具，当钻具内压力达到一定值后开启泥浆泵，进行气水循环洗井，在地层裂隙发育位置产生较大负压，地层水在压差作用下产生较大动能，将地层中泥浆及岩屑带出，产生较好的洗井效果。另外，气水循环也可用于回灌井清淤洗井施工，该工艺相比回灌井简单的回扬，效果更好，且施工简单。