地热回灌布井技术要求

孔隙型地热回灌井施工技术~

天津地区孔隙型回灌井主要有明化镇组与馆陶组地热井,其热储层基本特征如表4-5所示。

表4-5 天津地区明化镇组与馆陶组热储层基本特征表

这类孔隙型热储在中国沉积盆地中具有广泛的代表性,研究其井身结构和成井工艺不仅关系到钻井工程安全,而且对回灌效果有着特别重要的意义。
1.明化镇组回灌井
新近系明化镇组回灌井井身结构有两种。当井深小于1000m时,采用一开大口径施工,下入过滤器后在环空中充填砾料的成井工艺,优点是工艺简单,成本低,水阻小,回灌效果好。缺点是长裸眼作业易发生井壁坍塌等。当井深大于1000m时,一般采用双层过滤器二开成井工艺,优点是施工周期短,井壁易维护,施工安全。缺点是下入的过滤器与原始井壁之间无支撑,易造成砂层失稳,无序排列,导致部分人工填料之间被地层砂充填,影响进水和回灌效果。
(1)一开大口径成井
钻孔直径Φ550mm钻至目的层后,将Φ339.7mm表层套管与Φ177.8mm技术套管、过滤器连接后一次下入井内。明化镇组目的层粉细砂粒径在0.1～0.2mm之间,以D50代表孔隙型过滤器缠丝间距, d50代表热储层粒度中值粒径,室内试验表明,采用d50的6～7倍均匀缠丝间距时(即D50/d50=6～7),井的出水量最大,含砂量亦最少,所以,一般过滤器缠丝间距在0.7～1.5mm之间。
砾料一般采用石英砂,要求磨圆度好,质地坚硬,直径2～4mm,单边厚度最佳为75～100mm。填入砾料前,应先根据实际的井身结构计算投入砾料的数量,一般在砂岩层段中,因井径往往有超径现象,砾料的附加量,应比计算值大10%左右。
砾料的填入采用动水投砾方法。将井管上部接泥浆泵管后封闭,使泥浆泵的排量和上返速度略低于砾料的填入量和砾料在井内环空中的下沉速度,以避免砾料膨堵架桥,影响回灌井质量。
(2)二开双层过滤器成井
采用双层过滤器井身结构。一开钻头直径Φ444.5mm,钻至350m,下入Φ339.7mm表层套管(泵室管)350m。二开钻头直径Φ311mm,钻穿目的层,下入Φ177.8mm井管和双层过滤器,过滤器外径Φ260～Φ265mm为宜,其缠丝间距依照地面模拟试验结果,双层过滤器内网缠丝间距1.5mm,外网缠丝间距2mm,单边充填砾料的厚度大于40mm,充填砾料的直径为4～6mm为最佳。成井套管入井后,需用清水将井内钻井液替换干净,然后立即开展洗井作业。
2.馆陶组回灌井
新近系馆陶组地热回灌井井深大都在1800～2100m,因该热储层埋藏较深,施工均采用二开、单层过滤器井身结构。一开钻头直径Φ444.5mm钻至350～400m,下入Φ339.7mm表层套管(泵室管),考虑到地下水位逐年下降,泵室管长度应大于350m。二开钻头直径Φ241.3mm钻穿目的层后,下入Φ177.8mm井管和单层过滤器。馆陶组热储层砂砾直径一般在0.5～1.25mm之间,正常固结,颗粒不易随地下水流运动,通过试验确定过滤器缠丝间距以0.75～1.0mm最佳。这种井身结构的所有套管均为符合API标准的无缝石油套管,施工工艺简单,措施得当,成本较低,在天津地区已施工多眼,经实践检验,井身结构和施工工艺是较为成熟和成功的。
天津地区孔隙型地热回灌井井身结构如图4-3所示。

经过在沉积盆地型地热田中多年回灌实践和探索,总结出一套回灌运行操作技术方法。它不仅是国内外其他地区类似地热田回灌开采运行中成功的先进技术,同时也是结合当前国家地热勘查、评价相关规范和法规,充分考虑回灌工作的发展趋势而形成的。回灌是一项系统的复杂工程,实际日常生产运行中,综合影响因素和注意事项较多,各环节都应有科学合理和可操作性强的技术要求和规程,才能使相关工作都做到有章可循,以规避各类随意行为,防止事故发生,提高地热回灌率。
1.回灌前准备工作的技术要求
(1)合理选择适宜的回灌方式
为了保证回灌系统在真空密封状态下进行,宜采取通过回灌水管内进水的方式进行回灌(需要反复进行回扬方式除外),回灌管应下至回灌井内静水位以下5～10m的深度,整个运行系统应严格密封。地热回灌应遵循原水同层回灌(成井目的层相同)的原则;不能做到同层回灌的异层采灌系统,回灌流体质量应好于回灌层的流体质量,保证回灌水对热储层无伤害。
(2)回灌系统管路检查
地热回灌管网系统应保持密闭状态,且应始终保持正压,各种监测仪表、仪器的运转正常,过滤器的精度须达到规定要求。回灌运行前,要对整个系统管网系统进行彻底冲洗,保证系统管道及设备在充分清洁后再使用,以消除系统管路内的杂质被传输到回灌井内,影响回灌效果。
2.回灌启动时的技术要求
在回灌运行正式启动时灌量不宜过大,应从小到大逐渐增加灌量,如一开始就采用大流量回灌,容易造成井下滤层破坏。并且注入量由小到大可以尽可能的排除井管内的空气,避免井管内空气由于来不及逃逸而随回灌流体压入储层内,产生气堵。密切观测回灌过程中压力变化,调节回灌量,以压力表、水位数据的变化情况来判断回灌能力,待确认回灌通畅时,再逐渐增加灌量,直至正常运行。加压回灌时,压力也应从小到大逐渐增加。在运行一段时间后,回灌井内水位基本稳定(波动范围在5～10cm/30min)或水温无明显变化时,分别在开采井井口、回灌井井口同时取样送检进行流体质量化验分析。
3.回灌运行中的技术要求
在回灌运行过程中,应确保整个回灌系统的密闭状态,对管网中的接口部分应随时进行密封检修。回灌运行时要密切监视开采井、回灌井的水位、开采量、回灌量、水质及过滤器两端压力、管路压力等数据变化情况,正确判断回灌系统的运行状况,针对各种堵塞情况及时采取有效措施,如对于回灌管路的堵塞,可直接用连续反冲洗方法处理;对于回灌井本身产生的堵塞,可用间歇停泵空压机气举洗井或回扬反冲洗的方法进行处理。
回灌运行时如果灌量随着时间的延长而逐渐下降,同时反冲洗井效果不甚理想时,可采用加压回灌、间歇回扬方式,以增加回灌量。在常压自然回灌的基础上,待回灌水管和放气阀溢水后,关闭放气阀从小到大缓慢加压进行压力回灌运行操作。如果压力回灌时,灌量仍在不断减小,说明系统堵塞严重或回灌井滤水管内表面上随回灌流体进入的杂质不断增加,回灌阻力增大,需要暂时停止回灌操作而采取间歇回扬洗井措施来疏通滤层,清除井下集聚沉淀的杂质,恢复回灌能力。当回灌井出水量恢复至初始出水量及水清砂净后,停止回扬,再进行下一次常压回灌与加压回灌。抽水回扬后由于井内流体动水位下降,井管内充满空气,需要及时排气。
4.停灌期间系统设施的养护
在地热回灌系统停止使用期间,要认真封闭开采井、回灌井井口,对系统各部分进行密封处理,并且利用自动控制的氮气保护装置,将停用的地热井液面以上的井管部分充满惰性气体,隔绝空气,防止空气渗入井管,造成氧化腐蚀。
5.地热回灌系统中相关监测工作
为分析地热回灌的综合效应,其中一项较为重要而又基础的研究内容就是对比分析回灌前后地热井储层参数的变化特征。地热回灌过程中的相关数据监测,并不仅仅局限于监测地热田本身和地热开发对热储层参数的影响,对与开采井、回灌井有关参数的定期监测应同时进行。水位、水温、水质是最基本的监测内容。回灌运行前、停灌期间对开采井、回灌井进行静水位及对应液面温度观测尤为重要。同时为保证回灌进展顺利,在地热回灌系统运行过程中,相关回灌开采动态信息也要定期实时监测,因为通过对运行数据的监测和数据分析,可以更多的掌握和分析出不同地层构造对回灌量的影响程度,回灌对维持储层压力、抬升区域水位的综合影响。观测项目要包括:回灌运行时开采井、回灌井动水位及对应液面温度;开采量(开采总量和瞬时开采量)、回灌量(回灌总量和瞬时回灌量);井口压力;过滤器进口与出口端压力值及压差;排气罐口压力、气体组分和携带物、气体释放量、水质等。水位的监测频率以每月1～2次为宜;各种压力应随时监测;气体分析应在回灌初期进行。有些数据依靠普通的仪表仪器或常规取样化验即可获得,但深层次的研究数据则需要特别手段,如悬浮物、细菌的定性定量分析需借助油田精细检测技术,深部热储层的温度、压力情况需通过井下测温测压技术等。
回灌流体的水质、储层回灌前后流体化学性质及成分的变化是地热回灌中需要重点长期监测的一项内容。地热回灌各阶段所获得的水质跟踪监测数据可及时发出警示,提醒及时采取相应防范措施。另外尽管在地面设施上已充分考虑了当温度压力变化可能造成的化学物理堵塞问题,但低温回灌流体注入储层后,与地层局部热流体混合再发生的化学变化是一个很复杂很隐蔽问题,导致的潜在堵塞、腐蚀或结垢影响需作详细地专项分析,长期跟踪检测。回灌系统水质监测项目应包括:全分析、酸性样、碱性样、气体样、悬浮物、溶解氧含量、侵蚀性二氧化碳、过滤器残渣样、细菌样(铁细菌、硫酸盐还原菌、腐生菌)等。回灌初期、中期各取样监测一次;过滤器前、后要分别取样;回扬早、中、晚期分别取样;特殊情况如出现异常或专项试验研究则要加密取样和进行针对性取样。
回灌对热储层地温场的影响是在进行大规模回灌的情况下首先要监测的内容。由于地热井开采时的流体温度(即使是最大稳定流温)也并不能完全真实地代表深部热储层的温度,因此要取得地热回灌对热储温度场影响方面的实测数据,应有针对性的在某一回灌连续性较好的地点,在回灌停止时间段内,选取不同目的层的回灌井进行井下连续稳态测温测压工作,获得热储层内各井段在一个停灌周期内的井温、压力资料。回灌井测井工作应从停灌后立即开始至下一次回灌来临之前这一时间段内连续进行。最好每月进行一次;如考虑工作成本,也要做到每2个月测井一次。通过这些连续性的测井资料,才能更好的了解回灌后储层温度场、压力场逐月变化情况和发展势态。

一个地热田内的回灌布局主要取决于热储资源开采强度、规模与热储条件,要做到统筹规划、兼顾全局。由于地质构造特点、沉积环境、储层结构、边界条件对地层吸水能力影响较大,直接影响地热井的回灌量和回灌效果,因此热储特征是决定所采用不同回灌方式、回灌类型、回灌压力的重要因素。据天津市多年回灌资料统计:沉积盆地型地热田中,岩溶裂隙发育的基岩回灌井可灌性一般在70%左右;而位于深大断裂带附近的回灌井,由于断裂使储层岩石破碎,岩溶裂隙非常发育,回灌最易于进行,可灌性能达100%;但新近系孔隙型热储层由于渗透率小、岩石粒径细,回灌效果相对就不算理想。

为了防止回灌过程中地热田内热储产生较快热突破和热储流体水质突变,集中开采区群井回灌布局考虑以下5方面因素。

1.储层特征和地质条件

在一个地质单元,由于较厚热储层的吸水能力更有利于回灌,因此回灌井一般应布设于相对较厚且稳定的储层上,应避开储层的较薄地区和边缘地带;另外,在基岩岩溶裂隙热储层中,如果采、灌井之间存在岩溶裂隙管道窜流,那么回灌所产生的热突破即热储流体的冷却降温现象可能性较大,因此为避免回灌在短时间内对热储层温度场造成较大影响,回灌井不应布设在与开采井同一主构造方向的强径流带上。

示踪技术在获取储层方向性非均质特征和回灌流体运移规律方面有较大优越性:可分析热储层渗流场特征、探索回灌流体质点运移特点、采灌井之间的水力联系、预测采灌井之间热突破出现的可能性及时间等,同时也可以采用示踪剂试验并结合热储地质条件分析、抽水试验等方法,来判断采、灌井间是否存在裂隙管道窜流关系,变更和调整不宜运行的采灌系统方案,为地热田开发提供帮助,正确指导和优化规划采、灌井的合理布局。用作地热回灌的示踪剂主要有:化学示踪剂、放射性同位素和稳定同位素示踪剂、活性示踪剂、荧光染色示踪剂。需要考虑的问题有:试验井场的地质条件、热储特征、示踪剂种类、注入剂量、试验周期、取样制度、分析方法、本底背景、检出精度、安全性等。

传统的抽水试验也是一种经济有效的方法,如果计划用作回灌的地热井抽水时周边某一方位开采井水位出现持续下降情况,说明回灌井与该方位开采井的水力联系较大,这样的对井是不适宜作采灌对井之用的,应及时变更或调整采灌系统方案。

2.采、灌井合理井距

井距包括采、灌井井口距离和目的热储层内的井底距离两方面,两种距离均要科学合理。回灌流体注入储层后的运移情况非常复杂,且不同热储类型运移方式不同,如孔隙型热储注入流体在目的热储层中主要以水平径流为主;而基岩热储中回灌流体进入基岩储层后,首先以垂直向下径流为主,增温后水平运移、上返,情况复杂。可以说回灌流体在储层中的运移方式,直接影响着采灌井的布局。

天津地区多年回灌经验表明:采、灌对井的地面井口距离不应过大,井口装置及监测控制系统适宜建在一个站房内,这样更便于操作管理、有效监控,同时可缩短地面输水管网,节省相应资金投入。保证对井井底合理井距则是更重要的一项布井原则:井距过大,注入流体对开采储层的压力维持作用不明显,无法取得理想的回灌效果;而井距过小,尤其同层采灌对井,在构造条件复杂、流体动力场活跃的储层中,若采、灌对井水力联系较好,水流速度较快,相对低温的回灌流体会沿裂隙发育通道较快进入开采区域,很快就会产生开采井的降温现象,出现热突破,这样的采灌系统是不适宜运行的。

地热采、灌对井的井底合理距离,主要取决于冷、热流体混和锋面自回灌井向开采井的运移时间和速度,并与储层水文地质条件有关。根据AndreMENJOE等(1979)推导公式整理得知,各相均质同性、完整地热采、灌对井井距遵循以下数学关系:

沉积盆地型地热田勘查开发与利用

式中:D为地热对井井底距离(m);ρβ_w,ρ_aβ_a为流体和储层的热容(MJ/m³·℃);Q为总回灌量(m³/d);b为热储层有效厚度(m);t为冷热流体混和锋面到达开采井的时间(d)。

从关系式可看出这一理论井底距离主要与对井所处地质条件、储层特征和回灌规模有关。实际设计孔隙型地热采、灌对井布局时,为避免相互干扰或过早出现热突破现象,同层对井井底之间的距离应不小于合理井底距离计算值D。设计裂隙型地热采灌对井布局时,在进行地质构造条件分析的基础上,常采用垂直主裂隙发育方向布井,进行类比,分在两个地质构造单元或通过完成的一眼井进行抽水试验,分析曲线类型后再布第二眼井。

如果场地条件无法满足这一要求,或地热井分布较集中的地区,在布设对井时可以考虑适当减小井底间距,但应加大回灌井的深度,一般掌握比对应的开采井深200m左右的原则。因为回灌流体的水温相对较低,密度相对较大,回注入储层后由于重力流而向下运移,与地热开采井在开采时流体运动特征正相反。这种布井方式可以有效减缓由于回灌流体与热储层内流体温度差产生强烈对流作用,从而避免对热储层温度场造成影响和破坏。

3.布设回灌井的场地条件

一般早期地热田的开发,利用模式较为单一、粗放,多以单井开采为主,尤其在热储条件较优越、经济建设较发达的城市中心,开采强度规模均较大,多数形成了集中开采区,且地热井的布局也较密集。但随着时间的延续,一方面是开采条件已不乐观,回灌势在必行;另一方面是回灌井的布设受市政道路、建筑设施、施工场地以及采灌井合理井间距等诸多因素影响。因此一个地热田在开发伊始,回灌布局规划就应未雨绸缪;而处于开采中后期的地热田,受施工场地、地质条件等客观条件限制,如果补建回灌井,可能由于井距较近,需要布设定向井来保证目的层的距离满足采、灌井之间的合理井距要求,才能做到开采、回灌互不干扰。定向井施工要根据现有地热井的布局来确定合理的井方位角、井底水平位移和井斜角,根据地质条件设计井身结构满足定向井施工需要。

4.可操控性

回灌布局规划需具有很好的可操作性,这样才能为下一步的回灌实施工作提供技术支持。可操作性主要体现在以下几个方面:地质条件满足、场地条件具备、技术经济可行、符合各方利益。

5.回灌流体水质

充分回收利用后的地热尾水是回灌的主要目的之一,但前提是不能破坏原始储层性质和流体特性。由于不同水质的流体相混,在温度较高、压力较大的深部储层所引起的化学反应及生成的沉淀物往往难以预测,所以进行地热回灌时应遵循原水同层回灌的原则,且应对地下水流性质和不同温度下水岩相互作用进行评价;不能做到同层回灌的异层采灌系统,开采层的流体水质应好于回灌层,要求水质类型一致,pH值、矿化度相近,主要离子含量差异不大。同时应在回灌之前进行两种(或多种)不同水质的配伍试验,对水质混合和水岩相互作用作出评价,证实两种(或多种)流体的配伍性好,对储层无伤害方可注入,防止回灌水源对储层水质和储层渗透性的伤害,以免造成不可逆转的有害影响。

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