地熱井固結(jié)保溫缺陷補救技術(shù)的探討

趙華宣，王玉軍，陳 浩

（貴州省地礦局114地質(zhì)大隊，貴州遵義563000）

地熱井固結(jié)保溫缺陷補救技術(shù)的探討

趙華宣*，王玉軍，陳 浩

（貴州省地礦局114地質(zhì)大隊，貴州遵義563000）

固結(jié)保溫是地熱鉆井施工中的重要工藝，是在熱儲目的層以上井段植入井管和進行水泥固結(jié)，以封隔低溫井段及防止低溫水入井。在地熱井的水泥固結(jié)保溫施工過程中，常出現(xiàn)固結(jié)缺陷致尾管上部的低溫水入井而影響地熱資源參數(shù)錄取的準確和地熱井的使用，需對固結(jié)缺陷采取補救技術(shù)以徹底封隔阻止低溫水入井，確保成井質(zhì)量。通過施工實踐，對此固結(jié)缺陷的補救技術(shù)進行了探討，以期為類似工程參考。

固結(jié)保溫；固結(jié)缺陷；低溫水入井；補救技術(shù)

1 概述

貴州省地熱地質(zhì)條件及構(gòu)造普遍復雜，大多數(shù)井段同時存在裂隙溶蝕發(fā)育的漏失井段及欠—不穩(wěn)定地層，在水泥固結(jié)作業(yè)中，難免出現(xiàn)因漏失井段漏漿，形成尾管上部漏失井段未完全固結(jié)的固結(jié)缺陷，洗井、抽水試驗時尾管上部的低溫水入井導致抽水資料不準，影響了地熱資源評價參數(shù)的準確和地熱井的使用，需對入井的低溫水進行有效封隔以保證資料獲取的準確性和成井質(zhì)量。

2 固結(jié)缺陷形成的原因及危害

2.1 固結(jié)缺陷形成的原因

固結(jié)缺陷導致低溫水入井多發(fā)生在熱儲目的層以上的二開或三開井段尾管上部，且多發(fā)生在裂隙溶蝕發(fā)育、鉆井中發(fā)生漏失的井段，主要是因水泥固結(jié)施工中對漏失井段估計不足、水泥量的計算上出現(xiàn)偏差，在水泥固結(jié)作業(yè)中，水泥漿經(jīng)過漏失井段時因水泥漿的密度遠大于堵漏后的鉆井液密度而壓漏原堵漏的漏失層，產(chǎn)生水泥漿漏失，導致漏失段未能全部固結(jié)；或因地質(zhì)及其他方的要求對有一定溫度的含水層暫時保留而未進行水泥固結(jié)。

2.2 固結(jié)缺陷的危害

固結(jié)缺陷使低溫含水段未完全固結(jié)封隔，在鉆進結(jié)束后的洗井、抽水試驗，井內(nèi)液面下降產(chǎn)生負壓時，低溫含水段的承壓裂隙水頂開漏失通道進入井內(nèi)，使得抽水試驗時水溫降低、水量增大，影響目的層的地熱資源資料的準確性，甚至于使地熱井達不到開發(fā)利用的目的。

3 固結(jié)缺陷的補救技術(shù)措施

從固結(jié)缺陷形成的原因分析，固結(jié)缺陷多發(fā)生二開或三開井段尾管上部，并在鉆井結(jié)束后的洗井、抽水工作中，低溫承壓裂隙水頂開漏失通道進入井內(nèi)，影響目的層的地熱資源資料的準確性，甚至于使地熱井無開發(fā)利用價值。為此需采取有效措施封隔該低溫水入井段，以確保獲取資料的準確性和成井質(zhì)量。通常采用下管對接+水泥固結(jié)和管口球密封+水泥固結(jié)二類固結(jié)封隔止水措施。

3.1 下管對接+水泥固結(jié)封隔止水

下管+水泥固結(jié)封隔止水：在低溫水入井處上部重新植入一段井管，井管插入原井管的上部導向喇叭短節(jié)內(nèi)，在插入段加纏止?jié){物防漿入井，管接至井口，在井口從管間間隙壓入水泥漿至涌（滲）水段并穩(wěn)壓待凝，水泥凝固后封隔涌水通道及上部管道縫隙而永久封隔固結(jié)缺陷段及上部井管間隙，達到固結(jié)保溫的目的。如貴州省某地熱井一開管上部固結(jié)保溫缺陷補救技術(shù)措施：

（1）地層結(jié)構(gòu)：某地熱井鉆井深度1934.62m，地層結(jié)構(gòu)為：0～270m為龍?zhí)督M、270～1041m為茅口棲霞組（遇構(gòu)造增厚）灰?guī)r、1041～1223m為梁山—馬平—湄潭的欠穩(wěn)定碎屑巖、1223～1934.62m為桐梓紅花園組—婁山關(guān)白云巖是本井熱儲目的層。

（2）鉆井結(jié)構(gòu)見圖1：

圖1 貴州某地熱井結(jié)構(gòu)圖

①地表管孔段0～3.5m，孔徑?450mm，在見基巖后下?440mm普管并水泥固結(jié)；

②一開孔段3.5～275.15m，孔徑?406mm在揭穿龍譚組煤系地層并進入茅口灰?guī)r5.15m，下?339.7mm石油套管并水泥固結(jié)封隔龍譚組煤系地層；

③二開孔段275.15～850m，孔徑?311mm，371～375m段遇富水的裂隙（泥漿嚴重漏失、采用投水泥球堵漏、下部鉆進未見漏失），鉆至850m后再下?244.48mm石油套管（256～850m）及水泥固結(jié)，應(yīng)地質(zhì)設(shè)計及建設(shè)單位要求，暫將371～375m段的裂隙水保留，而只對380～850m段進行水泥固結(jié)；

④三開孔段850～1468.07m，孔徑?216mm（進入婁山關(guān)層43m），下?177.8mm石油管(出水段下篩管、其它段下盲管)；

⑤四開孔段1468.07～1934.62m，孔徑?152mm。

（3）低溫水入井情況及原因分析：在鉆井結(jié)束洗井后的第一次抽水試驗中，抽水6h后，水量從270m3/d增至1002m3/d，水溫從37℃降至28℃。分析為二開井段上部的371～375m的裂隙水從256m的管口間隙進入井內(nèi)，即在鉆井結(jié)束后，采用31%的濃鹽酸洗井，鹽酸與上部灰?guī)r反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，形成井噴產(chǎn)生負壓及在抽水試驗中水位下降形成負壓，371～375m段的低溫裂隙承壓水頂開前堵漏物入井，使抽水試驗時水量增加而水溫從37℃降至28℃，達不到建設(shè)方要求，也未能了解該區(qū)域的地熱資源特性。

為準確了解該井及其區(qū)域的地熱資源特性，采用臨時止水及試抽水試驗，在臨時止水后，水溫從25℃上升44℃，但需要時間長（52h）。分析為上部低溫水包裹鉆桿（揚水管），下部溫度較高的水在該段降溫致鉆桿周邊水溫逐漸上升，導致出口水溫上升較慢，為更準確獲取下部地熱資源相關(guān)資料和確保成井質(zhì)量，采取下管結(jié)接+水泥固結(jié)的永久性封隔措施。

（4）下管結(jié)接+水泥固結(jié)封隔措施：由于該入井低溫水為承壓水且水量大，采用簡便又較低費用的管口架橋封隔+水泥固結(jié)的封隔措施風險大，壓入管井間隙的水泥漿易稀釋而降低質(zhì)量且256m以下孔段水泥漿固結(jié)深度難以確定，封隔止水保溫質(zhì)量不能得到保障，甚至失敗。為此采用下管對接+水泥漿固結(jié)的永久性封隔措施。

圖2 下管對接+水泥固結(jié)止水

下管對接+水泥固結(jié)封隔止水結(jié)構(gòu)（如圖2所示），在上部管（?244.48mm）底部插入焊接一節(jié)長600mm的?219mm管（外露300mm），并在?244.48mm管底焊一托盤，外露管外套2層厚10mm膠皮及下部纏麻繩，下至下部?244.48mm頂端，座入導向口內(nèi)，通過膠皮和麻繩將該處密封防止壓水泥漿時，水泥漿進入井內(nèi)；在井口用鋼板將?244.48mm管與?339.7mm管焊接封閉并焊好注漿管，通過注漿管壓入水泥漿16.5m3，注漿壓力4～6MPa，封閉固結(jié)孔段0～370m。

（5）封隔保溫止水效果：下管水泥固5d后，進行為期50h的抽水試驗，水溫從25℃上升44℃只用2.5h。最終流量450m3/d、水溫46℃，達到了封隔保溫的目的。

（6）技術(shù)措施及適用條件：

①該方法在低溫水入井管口距井口深度較淺時適用，且效果易保證，對于管口距井口深度較大時，井管費用高，固結(jié)封隔止水保溫費用大；

②下管對接+水泥固結(jié)需接管至井口，其管徑必須滿足后續(xù)工作（下鉆通井、抽水試驗泵徑等）的要求，即只能適用于管徑不小于?244.48mm的井管；

③該方法在下管對接座封后應(yīng)作對接處臨時止水（漿）效果試驗，以確保對接處的密封完好有效，以防水泥漿從該處入井且下行進入目的層而造成堵塞來水通道；

④從井口管間隙壓入水泥漿，因間隙通道較小，入漿壓力較大，應(yīng)做好安全防護措施；

⑤注漿量要有余量，一搬應(yīng)在理論容積的110%以上，確保水泥漿能完全固結(jié)來水段的以上段；

⑥注漿結(jié)束后應(yīng)憋壓候凝。

3.2 管口球密封+水泥固結(jié)封隔止水

管口球密封+水泥固結(jié)封隔止水：在需封隔井管管口投密封球封閉井管，在密封球上部2～3m壓水泥漿進入管井間隙及低溫含水層，水泥凝固后封隔涌水通道及上部管道而永久封隔固結(jié)缺陷段及上部井管間隙，實現(xiàn)固結(jié)保溫的目的。如貴州省某地熱井的二開管上部固結(jié)保溫缺陷補救技術(shù)措施：

（1）二開井段地層結(jié)構(gòu)：貴州省某地熱井井的二開井段（851.81～2014.74m）下管水泥固結(jié)，該井二開井段井徑216mm，地層結(jié)構(gòu)：851.81～1193.34m為茅口棲霞灰?guī)r、1193.34～1228.77m為梁山組的泥頁巖含煤、1228.77～1458.29m為馬坪黃龍組的白云巖/灰?guī)r、1458.29～1673.05m為擺佐的白云巖、1673.05～1919.27m為大塘組的泥頁巖、1919.27～2001.44m為巖關(guān)組的泥頁巖、2001.44～2014.74m為堯梭組的白云巖夾頁巖。

（2）鉆井情況：該井層鉆遇地層多、巖性復雜，采用泥漿正循環(huán)牙輪鉆進，851.81～1193.34m段的灰?guī)r間民裂隙發(fā)育（漏失量20～30L/min，用高粘堵漏劑堵漏，下部鉆進未再發(fā)現(xiàn)漏失）；1193.34～1228.77m段的梁山組泥頁巖含煤和1673.05～2001.44m段的泥頁巖，縮徑、垮塌現(xiàn)象較嚴重（引發(fā)一次嚴重的井內(nèi)事故），在鉆至2014.74m后進行了沖孔排碴及后續(xù)的測井工作。

（3）下管水泥固結(jié)情況：

①下管前的準備工作：由于該井段在鉆進過程中，出現(xiàn)多段位的縮徑、垮塌掉塊，為確保下管施工的順利，在正式下管前，連接3根?177.8mm的石油套管（固結(jié)用套管），用鉆桿送至井內(nèi)探井，下到底用原護壁泥漿循環(huán)護壁起鉆、套管；

②下管順序：導向塞（帶?60mm中心孔）+2根?177.8mm管+單向逆止閥+?177.8mm套管竄+帶喇叭口的導向短管+正反接頭+?89mm鉆桿若干+主動鉆桿。

③原護壁泥漿循環(huán)中排下管時刮入井底的泥皮及護壁；

④水泥漿配制：通過計算需水泥漿16.5m3（理論容積：14.88 m3、放大1.1倍）,由商品砼公司配制，水泥漿密度1.76g/cm3，通過泵車送至現(xiàn)場；

⑤注水泥漿：在水泥漿車至現(xiàn)場后，先注入1.5m3清水作前置液，后接著泵入水泥漿，水泥注完后注入1.0m3清水作后置液后送泥漿頂替漿，預計頂漿量26m3（含后置液及管匯容積），頂漿過程中，泵壓從5MPa慢升至12MPa，頂漿結(jié)束后反扣起出上部鉆桿待凝（圖3）。

圖3 某井二開井段固結(jié)

（4）低溫水入井情況及原因分析。水泥固結(jié)后的下一井段鉆井施工中，未出現(xiàn)井管固結(jié)不良產(chǎn)生的異?，F(xiàn)象，在鉆至2316.5m后的洗井/抽水水位下降（至300m后）時，未固結(jié)段在裂隙承壓水的作用下，頂開原鉆進中的堵漏物進入井內(nèi)，使抽水試驗時的水溫降低，不能達到目的。

原因分析：固結(jié)施工時對漏失井段估計不足、水泥量的計算上出現(xiàn)偏差（放大量不足），在水泥固結(jié)作業(yè)中，水泥漿經(jīng)過漏失井段時因水泥漿的密度遠大于堵漏后的鉆井液密度而壓漏原堵漏的漏失層，產(chǎn)生水泥漿漏失，導致漏失段未能全部固結(jié)的固結(jié)缺陷。在鉆井結(jié)束后洗井/抽水水位下降時，低溫水入井致水溫低（30℃），需對其固結(jié)缺陷進行重新固結(jié)封隔的補救措施，由于該二開井管管口埋深大（830m），采用管口球密封+水泥固結(jié)止水措施（如圖4所示）。

圖4 管口球密封+水泥固結(jié)止水

（5）管口球密封+水泥固結(jié)封隔止水術(shù)措施：

①固結(jié)封隔止水技術(shù)措施：

a.向井內(nèi)投一直徑為?180mm（小于井管喇叭口內(nèi)徑?190mm、大于井管內(nèi)徑?158mm）膠球，膠球內(nèi)充水泥、平均密度在1.2～1.3g/cm3,投入井內(nèi)后緩慢下行至井管喇叭口處，密封下部井管，防止壓入水泥漿過程中，水泥漿進入下部管內(nèi)滲入目的層來水通道；

b.下入鉆桿至膠球頂部，施壓2t左右的重量，使膠球與井管喇叭口緊密接觸封閉管口；

c.上提鉆桿2～3m，注入配置好的水泥漿，水泥漿的密度大于1.75g/cm3，在滿足泵入條件下，水泥漿密度盡可能大，以增加水泥漿的液柱壓力；

d.水泥漿量應(yīng)大于膠球以下需固結(jié)段的容積和膠球以上50m的上層井管內(nèi)容積之和（本井配密度為1.78g/cm3的水泥漿6.0m3—理論容積5.62m3）；

e.送入配置好的水泥漿及頂替量（鉆桿內(nèi)留置水泥漿大于60m），上提鉆桿120m以上封閉頂漿，使水泥漿從管井間隙頂至需固結(jié)的低溫裂隙段（固結(jié)缺陷段）；

f.穩(wěn)壓待凝，在水泥漿終凝后約4h左右起鉆，起鉆過程中，向井內(nèi)補漿防裂隙承壓水在水泥固結(jié)體強度不高時頂壞固結(jié)體；

②注意事項：

a.如不采用井口封閉壓力頂漿，即利用水泥漿大于水的密度而產(chǎn)生的液柱壓力差，將水泥漿壓力需固結(jié)井段，只能用于裂隙水承壓力不大的井，且膠球上部的水泥量不得小于80m，以增加水泥漿的液柱壓力；

b.對裂隙水的承壓力較高的井，必須采用井口封閉壓力頂漿，其頂漿壓力要大于裂隙水的承壓力1MPa以上，以防承壓水頂破固結(jié)體；

c.若裂隙段在鉆進施工時，漏失量較小，即裂縫小時，頂漿應(yīng)用小泵量、高壓力的設(shè)備，以避免頂漿時因裂縫滲漿量小而蹩泵等異常現(xiàn)象。

③封隔保溫止水效果：經(jīng)強壓水泥固結(jié)后的加深鉆井及鉆至2500.16m后的洗井、抽水，未再出現(xiàn)管口低溫水入井，達到固結(jié)保溫的目的。

4 體會

貴州省地熱地質(zhì)條件極為復雜，水泥固結(jié)保溫施工中因各類因素產(chǎn)生固結(jié)缺陷致低溫水入井而影響地熱井地熱資源參數(shù)的采集和評價的現(xiàn)象較多，通過補救技術(shù)措施能將固結(jié)缺陷段完全封隔而達到固結(jié)保溫的目的，確保了成井質(zhì)量。

TK529

A

1004-5716(2015)10-0031-04

2014-11-03

項目來源：貴州省地礦局地質(zhì)科研項目：貴州復雜地層地熱鉆井技術(shù)應(yīng)用研究。

趙華宣（1968-），男（苗族），貴州思南人，高級工程師，現(xiàn)從事地熱鉆探技術(shù)工作。