東營地區地熱回灌井鉆井完井技術研究與試驗

李成嵩， 王銀生

（1. 中國石化新星石油有限責任公司，北京 100083；2. 中石化新星山東新能源有限公司，山東東營 257100）

地熱是一種無污染、可再生的清潔能源，與傳統化石能源相比，具有儲量大、分布廣和能源利用率高等優勢，越來越受到重視[1-4]。但地熱資源過度開采或養護不當會造成資源枯竭，為確保地熱資源的可持續發展，同時避免環境污染，最有效的技術措施就是地熱回灌技術[5-7]。回灌是把經過利用的地熱水，通過地熱回灌井重新注回熱儲層段的方法，回灌不僅可以解決地熱廢水問題，還可以改善或恢復地熱儲層的產熱能力，保持地熱儲層的流體壓力，維持地熱田的持續開采和循環利用， 使地熱能成為一種可持續的清潔能源[8-10]。回灌過程中，由水中懸浮物、氣泡、化學沉淀等導致的回灌井堵塞是造成回灌量有限的主要原因，尤其是孔隙性砂巖熱儲回灌井堵塞問題一直沒有解決，是地熱可持續開發利用中公認的技術難題。地熱水回灌系統中，回灌井的鉆井完井工藝是回灌能否實現的重要技術環節，回灌井井深多為2 000～3 000 m[11]。

目前，東營地區回灌井鉆井完井過程中存在一系列問題，如現有回灌井部分井段未固井、鉆井液體系不合適等導致井壁不穩定和回灌率偏低，已經成為制約該地區地熱產業規模擴大的瓶頸，嚴重阻礙了地熱能的可持續開發利用[12-14]。因此，筆者在現有工藝基礎上，將油田油氣井的鉆井和射孔完井工藝應用到地熱回灌井中，形成了地熱儲層鉆井完井技術，現場試驗取得了較好的效果，提高了單井回灌量，同時全井段固井延長了地熱井的使用壽命，具有較好的推廣應用價值，保障了該地區地熱能產業的快速發展。

1 地熱儲層巖性特征及開發現狀

東營地區在大地構造單元上隸屬華北坳陷的次級構造單元濟陽坳陷的東部，地層自下而上包括太古界泰山巖群，古生界寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系，中生界侏羅系、白堊系，新生界新近—古近系、第四系。

該地區自中生代以來，受燕山期地殼運動的影響，區域斷裂構造發育，形成了區域溫度或熱流值普遍升高的背景，區內地溫梯度均大于3.0 ℃/100m，開發利用的主要熱儲層為古近系東營組熱儲和新近系館陶組熱儲，溫度一般為65～72 ℃，單井出水量70～120 m3/h。目前，東營地區的地熱資源開發利用已初具規模，主要用于原油集輸加熱、洗浴、漁業養殖及居民清潔能源供暖等，熱儲層位主要是館陶組和東營組，開采館陶組熱儲的地熱井主要在沾化凹陷內，取水段一般為1 500～1 950 m井段，地層巖性為灰白色礫狀砂巖、細砂巖和灰綠色細砂巖與棕色泥巖互層，底部為含石英、黑色燧石的礫狀砂巖、砂礫巖；開采東營組熱儲的地熱井主要在東營凹陷內，取水段一般為1 400～1 900 m井段，地層巖性為灰綠、灰白色砂巖、細砂巖及泥巖互層，以砂巖為主，中部為棕紅色泥巖、細礫巖為主，底部為灰綠、灰白色細礫巖、細砂巖及泥巖。

該地區現有回灌井通常采用二開井身結構，一開表層泵室段全部用水泥封固，二開完鉆后采用懸掛器懸掛套管和篩管完井，篩管以上部分用膨脹橡膠止水器止水，環空未用水泥封固（見圖1）。

圖1 現有回灌井井身結構示意Fig.1 Casing program of current reinjection well

現有篩管完井工藝存在以下問題：1）回灌過程中砂泥巖互層在大液量沖刷下，其中的細粉砂容易隨著地熱水進入地層中，堵塞孔喉，降低回灌量，且泥巖段垮塌后會堵塞回灌井段，進一步降低回灌能力；2）采用膨脹橡膠止水器封隔篩管上部井段，由于橡膠止水器工藝簡單，材質易受腐蝕，縮短地熱井后期使用壽命；3）鉆井過程中鉆井液不合適，固相含量過高，密度過大，易使鉆井液通過孔隙滲入地層，并在井壁形成濾餅，堵塞滲流通道，導致地層孔隙度和滲透率降低。回灌層段一般選擇滲透性比較好的含水層，而這正是鉆井液影響最大的層位，鉆井液造成水層滲透率降低，進而影響回灌效果。

2 鉆井完井關鍵技術

針對以上問題，從鉆具組合、鉆井液和完井方式等方面進行了關鍵技術研究，以最大程度地降低對熱儲儲層滲透率的傷害，增大地熱水的回灌量。

2.1 優選鉆具組合

東營地區館陶組、東營組砂泥巖互層明顯，泥巖占較大比例，由于牙輪鉆頭破巖方式以研磨為主，吃入地層有限，導致鉆頭破巖效率低，嚴重制約機械鉆速。另外，該地區地層存在一定傾角，大鉆壓鉆進時易發生井斜，因此選用“PDC鉆頭+1.25°單彎螺桿+鉆鋌+鉆桿”鉆具組合。該鉆具組合能夠有效控制井眼軌跡，防斜打直，使井眼軌跡平滑[15-16]。同時，PDC鉆頭適應高轉速、低鉆壓的工作環境，螺桿的轉速可以保持在200～260 r/min，鉆壓控制在30～50 kN，PDC鉆頭在此工作條件下能保持較高的破巖效率，機械鉆速高，二開鉆進“一趟鉆”即可完成進尺，大大縮短了熱儲層鉆井液浸泡時間，最大程度地降低了鉆井液對儲層的影響，降低了對儲層的傷害。

2.2 鉆井液體系優選

東營地區鉆遇地層主要為平原組、明化鎮組、館陶組和東營組，地層成巖性差，泥巖較軟易水化分散，膠結疏松易垮塌，鉆井過程中井眼失穩問題嚴重，鉆井液主要以抑制地層造漿、防止泥巖縮徑、護壁和保護儲層為目標[17-19]，同時全井段禁止使用會堵塞儲層孔隙和滲流通道的重晶石、瀝青類材料和磺化類材料等。

一開鉆遇地層為平原組棕黃色黏土及松散砂層，井眼尺寸較大，環空上返速度低，鉆屑攜帶困難，不利于井眼的清潔，因此采用預水化膨潤土鉆井液體系，以確保具有足夠的攜帶和懸浮能力。鉆井液配方為：清水+5.0%～6.0%膨潤土+0.1%～0.2%Na2CO3+0.3%HV-CMC。

二開鉆遇地層為明化鎮組、館陶組和東營組，砂泥巖互層，采用護壁性、抑制性和攜砂性強的聚合物鉆井液體系，其配方為清水+5.0%～6.0%膨潤土+0.2%～0.5% Na2CO3+1.0%～2.0% CaCl2+1.0%～2.0%銨鹽+1.0%降濾失劑+2.0%～3.0%潤滑劑。鉆井過程中適時補充0.3%～1.0%的聚合物膠液，聚合物膠液以大分子聚合物為主，以維持鉆井液性能穩定，并根據鉆井液黏切和濾失量變化情況，用不同加量的小分子或大分子膠液處理。

鉆進熱儲層前，為防止鉆井液發生固相侵污，應使用好固控設備，配合高分子聚合物包被劑及時清除固相，嚴格控制濾失量不大于5 mL，以防止鉆井液濾液進入熱儲層，造成熱儲層污染。

2.3 完井工藝

油井最常用的完井工藝是水泥固井射孔 ，環空采用水泥封固 ，可以最大限度地保證井壁穩定。鉆井過程中熱儲層常被鉆井液污染，一般認為距井壁300～400 mm地帶的傷害最嚴重，射孔孔道長度一般為幾厘米至幾十厘米，孔道直徑一般為幾毫米至十幾毫米，射孔時可以完全射穿鉆井液嚴重傷害帶，使不受污染的產層和井筒連通，可以提高儲層滲透率。

該工藝需要根據測井曲線解釋結果分析熱儲層的滲透率、孔隙度、含水層厚度及井溫等參數，確定射孔槍和射孔彈的型號和孔密。測井項目包括井徑、井溫、井斜角、2.5及4.0 m電阻率、自然電位、自然伽馬、聲幅、聲波、雙側向、微電極和微梯度，選擇射開滲透率高、孔隙度大的層段，建立滲流通道成井，增大泄流面積，提高回灌能力。

相對于其他完井方式，該完井工藝有以下特點：1）固井防止泥巖垮塌，封堵細粉砂地層，減少細小顆粒堵塞孔喉；2）射孔形成的滲流通道長、滲透率高，可以最大程度地減少近井壁地帶鉆井液產生的污染；3）優選大段回灌層，避免層間干擾；4）縱向上增大了透水面積，提高了回灌能力。

2.4 洗井工藝

射孔作業結束后，采用聯合方法進行洗井，確保將井筒內殘留的鉆井液及井壁附著的濾餅清洗干凈，抽水試驗前達到水清砂凈，流體中懸浮物含量小于0.005%。 具體洗井工藝如下：

1）首先用清水置換井筒內鉆井液，使用旋轉噴射洗井工具，水嘴壓降不低于2 MPa，從井底向上清洗井壁，利用工具產生的清水擾動作用，清除在井壁上黏附的濾餅；主要含水層井段要增加噴射洗井次數，洗井次數不少于3次。

2）噴射洗井結束后，使用壓風機進行氣舉洗井，直接注入高壓氣體，實現限氣量或者限壓力可控井噴，對水層瞬時減壓，不斷進行減壓然后恢復壓力，實現地層吞吐清洗效果，進一步疏通地層通道，提高回灌能力。

3 現場試驗

探灌1井位于山東省東營市河口區三義和小區，構造上屬于渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮凹陷南部斜坡帶的中段，完鉆井深2 000 m，完鉆層位為古近系東營組，熱儲層段1 700～1 950 m。

該井一開采用φ444.5 mm 鉆頭鉆至井深350 m，φ339.7 mm表層套管下至井深349 m，以滿足封隔表層松散地層和下入水泵的要求，水泥返至地面；二開采用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深2 000 m，φ244.5 mm套管下至井深1 999 m，水泥返至表層套管鞋，采用射孔完井，射孔井段厚101 m。探灌 1 井的 井身結構如圖2所示。

圖2 探灌1井井身結構Fig.2 Casing program of Well Tanguan 1

根據測井解釋成果，選取1 724～1 739，1 765～1 785，1 795～1 830和1 890～1 921 m作為射孔層段（見表1），合計長度101 m，選取127型射孔槍和127型射孔彈，射孔密度20孔/m。

表1 測井解釋結果Table 1 Logging interpretation results

該井于2019 年1月17日完井試水，試水溫度68 ℃，試水水量90～105 m3/h。1 月19日開始投產回灌，歷經2個采暖季（2019—2020和2020—2021年），回灌量90～105 m3/h，平均回灌量95 m3/h左右，液位穩定在-20 m左右；且經過2個采暖季的運行，回灌率沒有衰減，能滿足持續回灌要求。

4 結論與建議

1）探灌1井將油氣井的鉆井完井技術應用到地熱回灌井中，形成了該地區回灌井鉆井完井的特色技術，現場應用效果良好，為進一步探索砂巖地層回灌奠定了堅實基礎。

2）射孔完井工藝在地熱開發回灌井中已得到成功應用，與傳統地熱回灌井鉆井完井工藝相比，射孔完井工藝對地層的擾動更小，可以精確打開熱儲層，在后期的地熱資源開發利用中，建議進一步研究該完井工藝是否可以應用于地熱開發采水井。

3）為了最大程度地保護熱儲層，建議今后在回灌井施工過程中嘗試應用空氣鉆井技術或欠平衡鉆井技術，使井底處于欠平衡狀態，井內壓力低于儲層壓力，鉆井流體無法進入儲層，從而消除鉆井流體對儲層造成的傷害，提高單井回灌能力，同時進一步提高機械鉆速。