动水填砾工艺在山东乐陵地热井施工中的应用

董文斌，高小荣，卢星辰，任小庆，3*，井阳阳，许勇，刘小育，梁凯旋

(1.中石化绿源地热能开发有限公司，河北 雄安 071800；2.中石化绿源地热能(山东)开发有限公司，山东 济南 250102；3.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083)

0 引言

山东乐陵区域地热井防砂方式主要为绕丝筛管防砂，地热井在长期运行过程中由于出砂，造成对绕丝筛网的强烈磨蚀，导致地热井大量出砂，从而影响产能，针对上述问题，需采取砾石充填的方式进行防砂。

王支柱[1]对油田出砂井进行统计，分析开发层位和井别信息，有针对性地选取分析试验井。对试验井的岩心、碎屑岩和测井曲线等进行岩心强度测试、出砂风险预测、储层粒度分析和防砂方式等实验优选，总结出适用于特定储层的防砂方式。

许成强等[2]提出一种针对半潜式平台砾石充填的防砂树，可以解决半潜式平台服务工具在井里相对防砂管柱随平台升沉同步运动的问题，同时可以极大提高充填防砂作业效率。

谭俊潇等[3]针对疏松砂岩储层特点，介绍适用于该储层的多层充填防砂工具，从工具结构、特点出发，与实际操作相结合，探索多层防砂工具在现场应用的特点和关键点并进行总结，力求针对疏松砂岩储层完井防砂方式的特点总结出一些施工方法和经验总结，为其他类似砾石充填井提供作业借鉴。

赛福拉·地力木拉提等[4]针对人造陶粒与石英砂充填介质，分别开展了泥质粉砂和水合物二次生成堵塞充填层的模拟试验，系统分析了堵塞过程。基于复合堵塞充填层机理及渗透率变化规律，构建了天然气水合物砾石充填防砂井砾石充填层堵塞后的产能预测模型并进行了案例分析。

鉴于上述出砂问题，砾石充填手段多用于油井中，在地热井中的使用相对较少，有必要将该项防砂技术使用到地热井防砂中，为地热井科学开发及地热井防砂提供技术支撑。

1 地质概况

乐陵市在大地构造上属于华北地台(Ⅰ)、辽冀台向斜(Ⅱ)、埕宁隆起(Ⅲ)的次级构造单元宁津—庆云凸起(Ⅳ)区。东部及东南部与无棣凸起相邻，西部及北部与宁津凸起相依，南部为惠民凹陷，构造区域基底构造的基本轮廓。

乐陵地区内长期处于缓慢下降状态，沉积了厚度较大的新生代地层，厚度为1 000～1 400 m。本区新近系馆陶组、明化镇组和第四系发育齐全，地层产状平缓。馆陶组热储层段为1 200 ～1 600 m，地热井单井出水量约为100 m3/h。

2 测井解释

乐陵区域某地热井声波时差测井解释如图1所示。自井深1 195.51～1 435.10 m之间，总厚度239.59 m。地球物理测井解释12层含水层，含水层总厚度为215.8 m，平均单层厚度17.98 m，单层最大厚度63.1 m，单层最小厚度3.3 m。砂岩电阻率为4.45 Ω·m，声波时差为448.59 us/m，孔隙度32.38%，渗透率1 014.40 mD。

图1 乐陵区域某地热井声波时差测井解释

由于各地热田声波时差临界值各不相同，一般定义为，当Δtv＜312 μs /m时，稳定不出砂，当312 μs/m≤Δtv≤345 μs/m时，可能出砂，当Δtv≥345 μs/m时，不稳定砂岩，极易出砂[5-8]。根据该项标准，乐陵区域地热井多数储层声波时差值Δtv≥345 μs/m，出砂风险大，极易出砂，泥质含量在10%左右。目前地热井作为生产井正常产水，其间大量出砂，砂量为0.3 m3/d。

3 防砂措施研究

3.1 砾石层充填率研究

针对上述地热井出砂问题，利用搭建的数值模拟方法探究砾石层填充率对出砂量的影响规律，确定只要砾石层填充率大于92%，防砂单元均能起到防砂效果，如图2所示。

图2 不同砾石层充填率条件下防砂效果模拟

根据上述模拟结果，利用搭建的小尺寸防砂实验装置验证模拟结果。

如图3所示，由实验结果可知，当砾石层充填率大于92%时，可保证出砂量满足万分之三的要求，与数值模拟结果一致。

图3 小尺寸防砂实验装置验证模拟结果

3.2 砾径选择

在乐陵区域典型地热井取砂样进行砾径分析，如表1所示，进一步确定砾径参数。

表1 砾径分析表

根据砾径分析数据可以确定，乐陵地区地热井砂砾石尺寸变化范围为0.126～0.748 mm，粒度中值0.255 mm，根据Saucier(索西埃)挡砂推荐充填砾石尺寸：

根据上述计算，砾石目数为16～30目及20～40 目充填砂均满足防砂效果。由地热井热储层岩性段砂岩粒度中值分布及根据索西埃公式计算，同时考虑提液要求，以提高渗透率为原则，优选中强度砾石作为本次施工的充填支撑剂，根据工业砾石选择标准，确定充填砾石的粒度范围为 16～30 目(0.58～1.19 mm)。

3.3 筛管精度确定

砾石充填防砂工艺中机械筛管用来阻挡砾石层，要求其阻挡100%砾石，精度略小于最小砾石尺寸。计算砾石尺寸的经典方法为：

在完全挡住充填砾石的情况下，缩小筛管精度，最大限度地提高油井的防砂效果，综合考虑，筛管精度选择200 μm。根据上述方法，确定砾石型号为16～30目，筛管精度选择200 μm。

4 动水填砾完井效果评价

目前，山东乐陵地区砂岩地热井完井方式均为60目绕丝筛管完井，由于砂岩储层极易出砂，且新近系馆陶组地层砂的主要成分是二氧化硅(石英)，硬度很高，是一种破坏性很强的磨蚀剂，能使滤水管绕丝磨损而使其失去过滤功能，严重影响着地热井的正常运行和使用寿命[9-12]。对新钻地热井采取砾石充填完井方式，采用动水填砾的方式将砾石砂浆泵入筛管和井眼环空，利用充填砾石的桥堵作用来阻止地层砂运移，而充填砾石又被阻隔于筛管周围。这种多级过滤屏障，保证地热水沿充填体内多孔系统经过筛管被源源不断地举升至地面，而地层砂则被控制在地层内，实现地热井长期生产又不出砂或轻微出砂的目的[13-15]。目前新钻地热井采取砾石充填完井方式，地热井产水量长期保持在95 m3/h，且井下不存在出砂现象，有效保证了砂岩地热井的正常运行。

5 结语

(1)乐陵区域新近系馆陶组、明化镇组和第四系发育齐全，地层产状平缓。馆陶组热储层段为1 200～1 600 m，地热井单井出水量约为100 m3/h；(2)乐陵区域地热井多数储层声波时差值Δtv≥345 μs/m，出砂风险大，极易出砂；(3)相对于60目绕丝筛管完井防砂，砾石充填防砂效果更为有效，地热井产水量长期保持在95 m3/h，且井下不存在出砂现象，有效地保证了砂岩地热井的正常运行；(4)当砾石层充填率大于92%时，防砂单元均能起到防砂效果；(5)乐陵区域砾石充填防砂工艺，砾石型号为16～30目，筛管精度选择200 μm，最为适合防砂；(6)地热井产水量长期保持在95 m3/h，且井下不存在出砂现象，有效地保证了砂岩地热井的正常运行，可有效地利用地热能进行化工生产。