河北陽(yáng)原縣三馬坊地區溫泉成井工藝探討

  [摘 要]河北省陽(yáng)原縣三馬坊地區地熱資源條件優(yōu)越,該地區多年來(lái)施工溫泉井較多,但成功者無(wú)幾,即使成井亦無(wú)法實(shí)現井口關(guān)閉,造成資源浪費。工程實(shí)踐中通過(guò)分析以往成井存在的問(wèn)題,采用了三開(kāi)成井的施工工藝。通過(guò)準確把握一開(kāi)深度,將<273mm表層套管下入至高壓熱儲層上部的穩定隔水段后水泥封固,經(jīng)試壓檢驗確保管外封閉牢固;二開(kāi)通過(guò)加大泥漿比重力求平衡鉆進(jìn),鉆進(jìn)后期以涌水限量為依據準確把握時(shí)機搶下<219mm技術(shù)套管;三開(kāi)以安全鉆進(jìn)為前提,以涌出顆粒大小為依據,采用清水鉆進(jìn)適時(shí)完井,從而實(shí)現增產(chǎn)。最終本井順利完工,井口安全關(guān)閉。

 

  [關(guān)鍵詞]三馬坊 地熱資源 溫泉井 成井工藝。

 

  1 前言。

 

  河北省陽(yáng)原縣三馬坊地區地熱資源條件優(yōu)越,鉆深200m左右時(shí)水溫即可達40e左右。該泉水中含有人體所需的微量元素,對健身祛病有特殊療效。

 

  陽(yáng)原泥河灣被譽(yù)為/人類(lèi)的東方故鄉0,在泥河灣文化旅游大產(chǎn)業(yè)背景下,開(kāi)發(fā)本區地熱資源,發(fā)展洗浴、種植、養殖產(chǎn)業(yè)具有廣闊的前景,這將更加有利于帶動(dòng)地區經(jīng)濟發(fā)展。

 

  由于成井工藝缺陷,該區以往成井自流不可關(guān)閉,資源浪費極大。90年代閉井壓力為+60m(高于地面)左右(陽(yáng)原J007井?, 1991),到目前壓力降至+30m左右(陽(yáng)原ZK1井?, 2009),下降速率達1. 5m /a。為此地方政府委托河北省地調院對該區進(jìn)行全面的資源調查及規劃,并在此基礎上由我隊施工完成ZK1探采井,要求創(chuàng )新成井工藝,實(shí)現井口可開(kāi)可閉,為后期資源合理開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持。

 

  2 地質(zhì)概況。

 

  2. 1 地質(zhì)構造。

 

  陽(yáng)原縣三馬坊地熱田位于馬市口-松枝口大斷裂和桑干河斷裂交匯處的西北側,屬四級構造單元天鎮臺穹內。根據地質(zhì)分析,馬市口-松枝口大斷裂具有繼承性活動(dòng),斷層北端為實(shí)測,斷層面向北東傾,屬正斷層,其它部位被第四系沉積物覆蓋(圖1),根據多波段衛星像片資料判釋和推測(河北省地礦局, 1989),桑干河斷裂走向北東,屬祁呂系桑干河壓性斷裂帶,控制著(zhù)陽(yáng)原盆地的生成與發(fā)展,具有南側上升北側下降的活動(dòng)特征,挽近顯張性,上覆第四系厚度一般在100~300m。

 

  2. 2 地層特征及水文地質(zhì)條件。

 

  根據ZK1取心結果,施工地第四紀地層為:

 

  0~6m為粉質(zhì)粘土;6~48m為砂卵礫石,局部夾泥礫石,為河流相沉積;1 Simplified structure map of Sanmafang area1 -大斷裂; 2 -一般斷裂及推測斷裂; 3 -斷陷盆地; 4 -溫泉井及編號; 5 -河流; F1 -馬市口-松枝口大斷裂; F21 -桑干河斷裂; F22 -蔚縣-延慶斷裂; F23 -下花園斷裂1 -major faul;t 2 -general faul,t observed and inferred; 3 -faulted-depression basin; 4 -hot-springwell and number; 5 -river; F1-Mashikou -Songzhikou faul;t F21 -Sangganhe faul;t F22 -Yucounty-Yanqing faul;t F23 -Xiahuayuan fault48~149m為淺灰綠色為主,局部淺棕色粉質(zhì)粘土與淤泥質(zhì)粘土互層,為典型的/泥河灣組0。149m以下為泥礫石、角礫石層,其成分主要為燧石塊、燧石條帶白云巖類(lèi)以及經(jīng)變質(zhì)重結晶的燧石角礫巖類(lèi),一般碎塊大小25~60mm左右,大者達100@90@50mm,孔隙較大,可視為裂隙狀。角礫巖底界未揭穿,根據地震勘探,井位處底界埋深大于200m,基底為太古界片麻巖。該層為高壓承壓水,水溫40e左右,是本區利用熱儲,該區所成溫泉井均是在揭露本層自流后終孔,單井自流量均在100m3/h以上。

 

  在桑干河斷裂的控制下,于北西向的馬市口-松枝口大斷裂交匯處的長(cháng)城系燧石條帶白云巖內裂隙發(fā)育、巖石破碎,形成熱水上涌通道(魏洪章,2006)。西北部山區接受的大氣降水沿斷裂破碎帶緩慢深循環(huán)加熱,溢出基巖后賦存于第四系泥河灣期砂礫石層及斷裂接觸帶的角礫巖堆積物中。由于上部隔水覆蓋層厚度大,封閉了基巖熱水的上移,形成了高承壓水,承壓水頭可達數十米。上部隔水層底板一旦揭穿,井水自流不可控,可將井底直徑100mm的角礫沖出井外。

 

  3 以往成井工藝分析。

 

  3. 1 以往成井情況。

 

  該區現有4眼溫泉自流井,總涌水量在500m3/h左右。由于成井工藝不完善,井口無(wú)法關(guān)閉。

 

  施工區有廢棄井3眼(J007井、J008井、J010井),雖不能合理使用,但仍具有一定的自流量。當時(shí), J008井鉆進(jìn)出現大量涌水時(shí)方下管,下管不到百米,水流沖蝕井口坍塌使鉆機沉陷形成直徑43m的水坑。J007井成井自流幾年后關(guān)閉井口時(shí),水從管外急速流出,將管周?chē)嗌皼_出,瞬時(shí)井口成坑而被廢棄。目前成坑的廢棄井成為當地的安全隱患。

 

  3. 2 以往成井工藝分析。

 

  根據筆者調查,以往井施工的基本程序為:當鉆進(jìn)至含水角礫石層自流時(shí),再將井壁管下入(多數采用鑄鐵管),管外投入大徑骨料固定,上部采用粘土球封填至井口。這種施工方法主要存在以下問(wèn)題:

 

  (1)外部大徑骨料封填,形成下部承壓水在管外環(huán)隙中流動(dòng)的過(guò)水通道。一旦閉井,底部承壓水便會(huì )順管外流出,涌水沖蝕圍填粘土及上部25m處砂卵礫石層,造成井周?chē)逅?J007井因此損壞)。

 

  (2)施工風(fēng)險較大。鉆進(jìn)至底部角礫石層必然發(fā)生井涌,且涌水量會(huì )逐漸增大而不可控。在涌水狀態(tài)下特別是瞬時(shí)涌水增大時(shí)水流沖出大量地層角礫,極易造成施工事故;同時(shí)涌水沖蝕上部地層,容易沖蝕井壁坍塌。

 

  (3)以往施工只下一級套管,只能形成井底進(jìn)水通道,單井涌水量受限,且流量有降低之勢。

 

  (4)采用該種井結構,水井一旦毀壞,井口不能封閉,井周?chē)厝槐粵_蝕塌方形成水坑。

 

  4 改進(jìn)后的成井施工實(shí)踐。

 

  4. 1 施工設計。

 

  4. 1. 1 成井結構設計。

 

  總結以往該區成井經(jīng)驗和失敗教訓,亦參考類(lèi)同地質(zhì)特征條件下一些兄弟單位施工經(jīng)驗,采用三級孔徑成井(常璐, 1987;張曉延等, 2004;王偉,2008)、表套水泥封固(高振東, 2003)、井口三通控制(林化嶺, 1984)的井身結構。

 

  該井結構的可行性在于:采用水泥將上部表套管與地層固結,保證安全關(guān)閉井口且管外密封不涌水;上部井管護壁,在底部承壓層鉆進(jìn)更安全;井一旦報廢井口穩定不塌陷成坑。

 

  4. 1. 2 施工工序設計。

 

  施工工藝流程:小徑取心至角礫層y測井y<380mm擴孔(確定表套管下入位置)y下入<273mm表套管固井y候凝、井口處理y試壓y調整泥漿y二開(kāi)<245mm全面鉆進(jìn)y搶下入<219mm技術(shù)管(底部開(kāi)窗)y采用<152mm鉆頭清水三開(kāi)完井。

 

  施工關(guān)鍵技術(shù):一開(kāi)套管下入位置是關(guān)鍵,保證在揭穿熱儲前將表層套管下入并固井,同時(shí)要試壓檢驗;二開(kāi)必須調整泥漿性能(常永生, 2000;秦沛等, 2005;魏文忠等, 2006),在施工現有條件下力求平衡鉆進(jìn),同時(shí)適時(shí)觀(guān)察井口涌水變化掌握適當時(shí)機搶下技術(shù)套管;根據涌水大小合理控制三開(kāi)進(jìn)尺,保證安全完井。

 

  4. 2 施工實(shí)踐及主要技術(shù)措施。

 

  4. 2. 1 表套管的下入及封固。

 

  表層套管的安全下入及有效封固是成井的關(guān)鍵,該工序的主要目的是封固上部地層,為后續施工做準備。

 

  我們在下入表套管之前進(jìn)行了鉆探取心,小徑揭露出含水角礫層頂界(149m)后停鉆,通過(guò)巖性對比,在含水層上部選擇座管地層在145m~149m段,該段為穩定完整的粘土層,致密結構。然后采用<380mm鉆頭擴孔至145m下管。

 

  井管安全到位后進(jìn)行了全井段水泥固井,候凝期間完成井口法蘭焊接工作。3天后鉆穿水泥塞試壓達到2MPa不降,可以確定固井合格,從而可保證成井后期安全封閉井口。

 

  4. 2. 2 二開(kāi)鉆進(jìn)及下管。

 

  在地層與井眼之間的壓力系統中,有地層壓力Pp,同時(shí)井內鉆井液柱對地層有井底壓力Pb(謝南屏,1997)。二開(kāi)鉆進(jìn)如果Pp增大時(shí),就會(huì )出現涌水破壞泥漿體系,當Pp>>Pb時(shí),甚至出現井壁坍塌以致無(wú)法下管成井。因此須在鉆進(jìn)中控制泥漿比重,力求實(shí)現平衡鉆進(jìn),保證安全施工。

 

  (1)井壁平衡計算。

 

  相關(guān)井壁平衡的計算如下:

 

  Pp=Pd+9.81QmH (1)Qml=Pp/(9.81H) (2)式中:

 

  Pp-地層壓力;2010年P(guān)d-閉井井口壓力;Qml-井筒中液體密度;H-井深(m),按150m計;Qml-平衡地層所需鉆井液密度,經(jīng)計算泥漿比重至少達到1. 25方可達到平衡鉆進(jìn)。

 

  現場(chǎng)采用了重晶石粉及纖維素加重泥漿比重(黃伯皋, 1994;鄢捷年, 2001)實(shí)現平衡鉆進(jìn)。

 

  (2)下管時(shí)機確定。

 

  依據現場(chǎng)條件,井內涌水狀態(tài)下確保泥漿比重達到1. 25以上是很困難的。普通水井裝備沒(méi)有井控設備。施工現場(chǎng)只能利用現有條件增大泥漿比重,減少涌水量,在安全涌水量?jì)葘⒕芟氯氲轿弧?/div>