地熱井成井井身結構優(yōu)化設計分析

  隨著(zhù)我國市場(chǎng)經(jīng)濟的快速穩定發(fā)展,城市化程度加強,人民生活質(zhì)量提高,地熱作為一種環(huán)保、高效、可持續利用的能源,市場(chǎng)對它的需求非常強烈。尤其是在我國北方寒冷地區,急需開(kāi)發(fā)大規模的中、低溫地熱來(lái)解決城鎮供熱的問(wèn)題,而西北高原也急需開(kāi)發(fā)熱礦水來(lái)提高人民生活水平,改善人民生活條件。由于地熱市場(chǎng)的推動(dòng)使得地熱能已經(jīng)由開(kāi)采中低溫地熱資源逐漸過(guò)渡為開(kāi)采高溫地熱資源,而且地熱井的勘探和地熱井的成井深度也必然隨之增加。而隨著(zhù)地熱井成井深度的不斷增加,致使揭露地層情況越來(lái)越復雜多變,特別是深潛山和潛山內幕為主體的隱蔽型潛山的地熱勘察,雖然它們有著(zhù)巨大的勘探效益,但同時(shí)也由于地形的影響致使地層可鉆性急劇變差,有更大的幾率產(chǎn)生如井壁垮塌、漏失及井斜等一系列的復雜情況,致使它有著(zhù)高度的復雜性及風(fēng)險性。

 

  1 定向井井身結構

 

  目前定向地熱井也就是斜井主要應用于地熱一采一灌(對井)鉆鑿,以此來(lái)解決回灌熱儲層段的水平距離受到井口位置限制的問(wèn)題。

 

  1.1 第三系孔隙熱儲層二開(kāi)定向井身結構

 

  第三系孔隙熱儲層定向井一般情況下為二開(kāi)井身結構。一開(kāi)井身結構用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,且管外全井段水泥 固井并封住定向井表層。二開(kāi)井采用的是Φ311.2mm井眼,包括直井段、增斜段、造斜段以及穩斜段,下入Φ244.5mm進(jìn)行套管,頂部與Φ339.7mm的套管重疊不得小于30mm,下部超過(guò)目的層不得小于30m,要采用“穿鞋帶帽”的方法進(jìn)行水泥固頂,下部水泥漿上返至目的層以上的距離不得少于150m。目的層段要采用射孔成井,可根據抽水地熱水含沙量的情況來(lái)選擇補掛Φ177.8mm濾水管。

 

  1.2 潛山裂隙熱儲層定向地熱井井身結構

 

  深潛山定向井一般情況下采用四開(kāi)井身結構。一開(kāi)井身結構用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段用水泥固井封住表層;而二開(kāi)井身結構采用Φ311.2mm井眼(包括直井段、增斜段、造斜段以及穩斜段)下入Φ244.5mm套管,頂部與339.7mm套管重疊距離不得小于30m,并采用“穿鞋帶帽”的方法用水泥固井;三開(kāi)井身結構采用Φ215.9mm井眼,下入Φ177.8mm尾管,頂部與Φ224.5mm套管重疊距離不得小于30m,并采用“穿鞋帶帽”的方法用水泥固井;四開(kāi)潛山目的層段采用Φ152.4mm鉆頭或Φ149.2mm鉆頭鉆進(jìn),直接裸眼完井或根據基巖破碎情況來(lái)選擇性下入Φ127mm襯管或Φ114.3mm襯管來(lái)完井。

 

  2 第三系孔隙熱儲層地熱井井深結構 第三系孔隙型熱儲層一般情況下埋藏較淺,地層的巖性是由泥巖以及砂巖所組成,砂巖的泥質(zhì)膠結而疏松,而泥巖的致密性較差。地熱井成井的井身結構一般情況下為一次管串結構,泵室管段一般情況下為Φ444.5mm井眼或Φ375.0mm井眼下入Φ339.7mm套管或Φ273.0mm套管,通過(guò)變徑來(lái)和下部Φ177.8mm套管連接,而下部為Φ244.5mm井眼。其中目的熱儲層段的開(kāi)采,要對應含水砂巖層有選擇性的下入濾水管,而目的熱儲層以上的開(kāi)采套管外要采用膠傘黏土球止水,且粘土球的厚度要大于30m,而上部要回填粘土以止水。

 

  在第三系孔隙型熱儲層以上的第三系明化鎮組熱儲層巖性結構是最松散的,所以為了防止地熱井出砂,目前最常采用且最經(jīng)濟有效的方法是在濾水管外與井壁環(huán)隙中間用礫料進(jìn)行充填要在Φ2mm到Φ4mm之間。Φ500.0mm井眼或Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管或Φ273.0mm套管,通過(guò)變徑來(lái)和下部Φ177.8mm套管連接,而下部為Φ375.0mm井眼,且成井段以上套管外要采用粘土球止水,而上部要通過(guò)回填粘土來(lái)止水。

 

  而對于成井過(guò)深(成井深度大于2000m)的第三系孔隙型熱儲地熱井,為了降低卡鉆以及井壁垮塌等特殊情況的風(fēng)險,可以采用二開(kāi)井身結構,一開(kāi)用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm+Φ273.0mm套管(一般情況下300m~500m),管外全孔段采用水泥固井封住表層;二開(kāi)采用Φ244.5mm井眼下入Φ177.8mm套管,頂部采用變徑和膠傘來(lái)與Φ273.0mm套管進(jìn)行座封,下部和熱儲層段頂部則采用膠傘來(lái)止水。

 

  3 潛山裂隙熱儲層地熱井井身結構 通過(guò)利用基巖裂隙型熱儲層成井,一般情況下開(kāi)采目的熱儲層為古生界奧陶系和寒武系府君山組以及元古界長(cháng)城系巖溶裂隙熱儲層來(lái)分析不同類(lèi)型的潛山井,根據實(shí)地情況分別給出不同類(lèi)型的井身結構方案。 3.1 超過(guò)4500m的深潛山井 超過(guò)4500m的深潛山井可采用四開(kāi)井身結構。一開(kāi)用Φ444.5mm 井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段利用水泥固井封住表層;二開(kāi)用Φ311.2mm井眼下入Φ244.5mm套管,頂部和Φ339.7mm套管重疊距離不得小于30m,并采用“穿鞋帶帽”的方法利用水泥固井。而對于地層較穩定且下部地層壓力體系正常的井,二開(kāi)套管可以封住陶組易漏的地層,下井深度2000m左右;而對于下部鉆遇地層復雜且坍塌壓力高的區塊,二開(kāi)套管則需要坐入沙河街組地層,下井深度在3000m至3500m之間,可以有效地降低上部地層垮塌和漏失的風(fēng)險;三開(kāi)用Φ215.9mm井眼下入Φ177.8mm尾管,頂部和Φ244.5mm套管重疊距離不得小于30m,并且采用“穿鞋帶帽”的方法利用水泥固井。

 

  當非開(kāi)采目的基巖熱儲層的潛山泥巖地區薄,井壁垮塌情況不嚴重,可以采用Φ177.8mm套管直接坐入潛山頂,同時(shí)封隔上部易垮塌地層,在一個(gè)開(kāi)次中直接鉆進(jìn)潛山內幕地層;四開(kāi)潛山目的層段采用Φ152.4mm鉆頭或Φ149.2mm鉆頭鉆進(jìn),裸眼直接完井或者根據基巖破碎的情況選擇性的下入Φ127mm襯管或Φ114.3mm襯管完井。 若古近系地層垮塌嚴重,且潛山泥巖地層垮漏同層,此時(shí)為了安全鉆進(jìn),可以將四開(kāi)井身結構更改為五開(kāi)井身結構:用Φ177.8mm套管下至潛山頂,四開(kāi)潛山泥巖易垮塌地層井段采用Φ152.4mm鉆頭或Φ149.2mm鉆頭鉆進(jìn),同時(shí)下入Φ127mm尾管,五開(kāi)井身結構針對一般情況下為元古界長(cháng)城系的目的熱儲層的易漏地層采用Φ105mm小鉆頭鉆進(jìn)。 3.2 潛山目的層段較淺的井 潛山目的層段較淺的井,一般在2000m左右,采用三開(kāi)井身結 構。一開(kāi)用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段采用水泥固井封住表層;二開(kāi)則采用Φ311.2mm井眼下入Φ244.5mm套管坐入完整基巖的潛山3～5m,頂部和Φ339.7mm套管重疊距離不小于30m,并且采用“穿鞋帶帽”的方法利用水泥固井。這種結構的潛山段鉆井參數和鉆頭選擇具有更大的靈活性,而且機械鉆速能有更大的提升空間,同時(shí)處理井下突發(fā)緊急情況也更加方便。在探井鉆探的過(guò)程中,該結構如果多預留一層套管,則可以更好的實(shí)現鉆井 目的。

 

  3.3 潛山目的層埋深在3500m~4000m之間的潛山井

 

  潛山目的層埋深在3500m~4000m之間的潛山井一般采用三開(kāi)井身結構。一開(kāi)用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段采用水泥固井封住表層;二層一般采用Φ241.3mm井眼下入Φ177.8mm套管坐進(jìn)潛山3m至5m,頂部與Φ339.7mm套管重疊距離不得小于30m,并且采用“穿鞋帶帽”的方法來(lái)利用水泥固井。這種結構與二開(kāi)采用Φ311.2mm井眼的結構相比,可節約大量的鉆井成本。

 

  4 結語(yǔ)

 

  (1)第三系孔隙型熱儲層埋藏深度較淺,井身結構一般情況下為一次管串結構,開(kāi)采目的熱儲層段是要根據對應含水砂巖層的情況全部或有選擇性的下入濾水管;而泥質(zhì)膠結疏松的地層為了有效地防止地熱井出砂,需要在濾水管外和井壁環(huán)隙之間進(jìn)行礫料填充。

 

  (2)在勘察和開(kāi)發(fā)潛山巖溶裂隙熱儲層時(shí)井身結構多數情況下為三開(kāi)或者四開(kāi)井身結構,三開(kāi)或四開(kāi)套管多數情況下入基巖頂部3m~5m,三開(kāi)或四開(kāi)為裸眼完井或根據情況尾管固井完井,這種結構為潛山地熱的勘察發(fā)揮了重要作用。

 

  (3)目前斜井(定向地熱井)主要應用與地熱一采一灌對井鉆鑿,已解決開(kāi)采回灌的熱儲層段水平距離收到井口限制的問(wèn)題。第三系孔隙熱儲定向井多數情況下以二開(kāi)為主,包括穩斜段、造斜段和增斜段以及直井段,開(kāi)采目的層段時(shí)要采用射孔成井;深潛山定向井一般情況下采用三開(kāi)或者四開(kāi)結構并且裸眼完井。