地?zé)峋畾馑h(huán)洗井及機(jī)理分析

宋現(xiàn)龍

（1.河北綠源地?zé)崮荛_發(fā)有限公司，河北雄安新區(qū) 071800；2.河北省地?zé)崮芴菁?jí)利用技術(shù)創(chuàng)新中心，河北雄安新區(qū) 071800）

資源和環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)條件，傳統(tǒng)能源利用帶來的環(huán)境污染問題已成為當(dāng)今世界可持續(xù)發(fā)展面臨的重大問題，地?zé)豳Y源作為一種集熱能與水資源為一體的[1]清潔、可再生能源[2]其潛在的開發(fā)價(jià)值得到越來越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[3-5]。由于其熱度適中且富含多種對(duì)人體有益的礦物質(zhì)，在采暖、洗浴、工業(yè)、醫(yī)療和養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[6]。在地?zé)峋┕み^程中，會(huì)在井壁形成井壁泥皮，鉆井液及部分巖屑滲入地層內(nèi)，堵塞含水通道。地?zé)峋┕ね瓿珊笮枰M(jìn)行洗井作業(yè)，一般都要采用多種洗井方法，徹底清除井內(nèi)和滲入地層內(nèi)的鉆井液，破壞井壁泥皮，打通含水通道，以增加井的產(chǎn)量及回灌能力。特殊的情況下一種洗井方法可重復(fù)使用，使地?zé)峋乃?、水溫盡量達(dá)到最佳水量及水溫。不同區(qū)域地?zé)峋疅醿?chǔ)層不同，采用的洗井工藝也不相同。目前主要的洗井工藝有噴射洗井、活塞洗井、氣舉洗井、大排量抽水洗井和酸化洗井等，相比較而言，氣舉洗井具有工藝簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)封隔器沒有影響，不會(huì)造成對(duì)地層的污染和二次傷害[7]，施工費(fèi)用較低、有效期長(zhǎng)，在地?zé)峋┕ぜ坝途┕ぶ芯袕V泛應(yīng)用。2018 年與2019 年故城施工兩口灰?guī)r地?zé)峋捎脷馀e及氣水循環(huán)洗井取得了良好的效果。本文主要針對(duì)氣舉洗井及氣水循環(huán)洗井，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)其機(jī)理進(jìn)行研究分析，為在今后的地?zé)峋┕ぶ?，提供指?dǎo)或參考依據(jù)。

1 氣舉洗井與氣水循環(huán)洗井機(jī)理

氣舉洗井的主要原理就是采用風(fēng)壓機(jī)將氣體噴入鉆具內(nèi)，鉆具內(nèi)壓力升高，液面下降，當(dāng)液面降至鉆具底面，氣體進(jìn)入鉆具與套管環(huán)空，環(huán)空內(nèi)液體密度降低，液面升高由井口排出，造成環(huán)空內(nèi)壓力降低，地層壓力保持不變，從而建立起一個(gè)較大的生產(chǎn)壓差，地層水在壓差作用下運(yùn)移，向上運(yùn)移產(chǎn)生氣舉。如圖1 所示，P1表示鉆具內(nèi)注入氣體壓強(qiáng)，P2為井口大氣壓，P3為鉆具底部A-A"處鉆具內(nèi)壓強(qiáng)，P4為鉆具底部A-A"處鉆具與套管環(huán)空壓強(qiáng)，P5表示在鉆具底部A-A"處地層壓強(qiáng)，ρ1、ρ2、ρ水分別表示液體1、液體2 和水的密度，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?。在天然狀態(tài)下，鉆具及鉆具與套管環(huán)空內(nèi)充滿水，即液體1 及液體2 為地?zé)崴?/p>

圖1 天然狀態(tài)

持續(xù)往鉆具內(nèi)噴入氣體，鉆具內(nèi)壓強(qiáng)P1升高，液體2 液面開始下降。當(dāng)P1=P4=P5時(shí)，氣體由鉆具內(nèi)進(jìn)入鉆具與套管環(huán)空（如圖2 所示），液體1 密度隨著氣體增多，ρ1逐漸降低，液位上升。當(dāng)液面高度H1超過井口時(shí)，液體1 噴出井口，液體1 密度ρ1越來越低，P4=ρ1gH1+P2

圖2 氣舉洗井

氣水循環(huán)洗井是采用空壓機(jī)將氣水混合物噴入內(nèi)管，壓縮空氣在管內(nèi)形成無數(shù)的小氣泡，小氣泡與鉆具內(nèi)管中的液體形成一種低比重的氣水混合物，液體從鉆具進(jìn)入套管與鉆具環(huán)形空間，環(huán)形空間混入混合氣體后，比重逐漸下降，混氣液注的壓力相應(yīng)降低，鉆具底部處壓力下降，地層壓力保持不變，從而建立起一個(gè)較大的生產(chǎn)壓差，地層水在壓差作用下運(yùn)移，向上運(yùn)移產(chǎn)生氣舉。氣（空氣）、液（沖洗液）、固（巖屑）三相混合物以較高的速度通過鉆具內(nèi)管被帶出管外，從而把井底泥漿或巖屑不斷帶出井口。

氣水循環(huán)洗井與氣舉洗井原理相似，不同點(diǎn)為氣舉洗井受空壓機(jī)功率限制，鉆具下深受限，地?zé)崴趶木紫蛏线\(yùn)移過程中，運(yùn)移路徑較長(zhǎng)，存在較大水頭損失，鉆具底部產(chǎn)生的壓力差在對(duì)地層產(chǎn)生的作用有限。氣水循環(huán)洗井可以將鉆具下深到產(chǎn)層裂隙位置，減少由于地?zé)崴\(yùn)移路徑所產(chǎn)生的水頭損失，對(duì)產(chǎn)層裂隙能夠產(chǎn)生較好的清洗作用。如圖3 所示，P1表示鉆具內(nèi)注入氣體壓強(qiáng)，P2為井口大氣壓，P3為鉆具底部A-A"處鉆具內(nèi)壓強(qiáng)，P4為鉆具底部A-A"處鉆具與套管環(huán)空壓強(qiáng)。在天然狀態(tài)下，鉆具及鉆具與套管環(huán)空內(nèi)充滿水，即液體1 及液體2 為地?zé)崴?。地層a、b、c、d點(diǎn)距篩管距離為L(zhǎng)，a點(diǎn)距b、c、d點(diǎn)的距離分別為hab，hac，had。

圖3 氣水循環(huán)洗井

a點(diǎn)的水頭為

b點(diǎn)的水頭為

c點(diǎn)的水頭為

d點(diǎn)的水頭為

當(dāng)持續(xù)向鉆具內(nèi)注入混氣水，如圖3 所示，液體1（混氣水）充滿鉆具與套管環(huán)空，液體1 密度ρ1<ρ水，液體1 液面上升至井口，從井口排出。在不考慮鉆具與套管環(huán)空內(nèi)液體流速及水頭損失條件下：a點(diǎn)同一埋深套管內(nèi)水頭為ρ1H2/ρ水+P2/（ρ水g），a點(diǎn)流速

式中：K為滲透系數(shù)。

同理b點(diǎn)同一埋深套管內(nèi)水頭為ρ1（H2-hab）/ρ水+P2/（ρ水g），b點(diǎn)流速

c點(diǎn)同一埋深套管內(nèi)水頭為ρ1（H2-hac）/ρ水+P2/（ρ水g），c點(diǎn)流速

d點(diǎn)同一埋深套管內(nèi)水頭為ρ1H2/ρ水+had+P2/（ρ水g），d點(diǎn)流速

上述結(jié)果得到：υd=υa>υc>υb。

然而在實(shí)際中，套管內(nèi)液體在流動(dòng)過程中存在水頭損失，d點(diǎn)同一埋深套管內(nèi)水頭大于ρ1H2/ρ水+had+P2/（ρ水g），因此υd<υa。綜上，距離鉆具底部越近，ρ1密度越小，含水裂隙產(chǎn)層流速越大。即在氣水循環(huán)洗井時(shí)，將鉆具盡可能下深至含水層裂隙發(fā)育位置，同時(shí)盡可能增大空壓機(jī)功率，達(dá)到較好的洗井效果。

2 施工案例

故城縣縣城，構(gòu)造上位于滄縣隆起南部武城凸起上，武城凸起面積1 362 km2，東、西分別以滄東斷裂和武城斷裂為界，東部為德州凹陷（如圖4 所示），西部為大營(yíng)鎮(zhèn)凹陷。武城斷裂：自清河至故城西，長(zhǎng)約62 km，走向NE30°，傾向NW，傾角30~40°。斷層面下端埋深達(dá)8 000 m，上端延入新近系，屬正斷層，沿線分布地?zé)岙惓А鏂|斷裂位于河北平原東部，是河北平原區(qū)一條規(guī)模較大的斷裂，其北起寧河，向南經(jīng)滄州、南皮、吳橋和山東德州，直至臨清附近，總體走向NE30°左右，全長(zhǎng)約350 km，傾向SEE。滄東斷裂具有明顯的南北分段特征，在故城縣附近的臨清-德州段，走向約NE45°，傾向SEE100°。

圖4 故城區(qū)域構(gòu)造

故城是一個(gè)以傳導(dǎo)為主的沉積盆地型地?zé)岱植紖^(qū)[8]，熱儲(chǔ)主要有上第三系館陶組熱儲(chǔ)和奧陶系巖溶裂隙熱儲(chǔ)。2018—2019 年故城施工兩口奧陶系巖溶裂隙地?zé)峋?，如圖5 所示，灰?guī)r1 井（圖5（a））和灰?guī)r2 井（圖5（b））井深分別為2 904 m（垂深2 744.5 m）和2 950 m（垂深2 750 m），熱儲(chǔ)巖性為灰色、灰褐色白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r和灰質(zhì)白云巖。地?zé)峋┕ね瓿珊筮M(jìn)行了酸化、氣舉、抽水等方式洗井，成井時(shí)出水量差，動(dòng)水位240 m 時(shí)水量均小于30 m3/h。

對(duì)上述地?zé)峋疁y(cè)井結(jié)果進(jìn)行分析，在地?zé)峋@進(jìn)過程中泥漿及部分巖屑滲入地層，堵塞含水通道，常規(guī)氣舉及抽水對(duì)地層所產(chǎn)生的壓差不足，滲入地層中的泥漿及巖屑不能排出。后期兩口地?zé)峋捎脷馑h(huán)洗井進(jìn)行增產(chǎn)施工，在井眼干凈的條件下，進(jìn)行氣水循環(huán)洗井。鉆具下深到含水層裂隙發(fā)育位置，空壓機(jī)將高壓氣體打入鉆具，當(dāng)鉆具內(nèi)壓力達(dá)到一定值后（鉆具內(nèi)壓力增至8~9 MPa），開啟泥漿泵進(jìn)行氣水循環(huán)洗井，在地層裂隙發(fā)育位置產(chǎn)生較大負(fù)壓，地層水在壓差作用下產(chǎn)生較大動(dòng)能。故城兩口灰?guī)r地?zé)峋谶M(jìn)行了氣水循環(huán)洗井后，水量分別達(dá)到了55 m3/h 和65 m3/h，達(dá)到了預(yù)期的增產(chǎn)效果。

3 結(jié)論

地?zé)峋┕ね瓿珊螅捎脷馀e洗井，工藝簡(jiǎn)單，操作方便，施工費(fèi)用較低。當(dāng)?shù)責(zé)峋鏊坎睿諌簷C(jī)功率較低時(shí)采用氣水循環(huán)洗井，洗井時(shí)鉆具下深盡可能接近裂隙發(fā)育位置，增大空壓機(jī)功率。鉆具下深到含水層裂隙發(fā)育位置，空壓機(jī)將高壓氣體打入鉆具，當(dāng)鉆具內(nèi)壓力達(dá)到一定值后開啟泥漿泵，進(jìn)行氣水循環(huán)洗井，在地層裂隙發(fā)育位置產(chǎn)生較大負(fù)壓，地層水在壓差作用下產(chǎn)生較大動(dòng)能，將地層中泥漿及巖屑帶出，產(chǎn)生較好的洗井效果。另外，氣水循環(huán)也可用于回灌井清淤洗井施工，該工藝相比回灌井簡(jiǎn)單的回?fù)P，效果更好，且施工簡(jiǎn)單。