王光輝，趙 娜，趙蘇民，高 亮，李嫄嫄

（1.天津市國土資源和房屋管理局地質(zhì)事務中心，天津 300042）（2.天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250）

0 引言

天津地區(qū)地熱資源主要分布在寶坻斷裂以南的廣大平原區(qū)（圖1），按開采熱儲可分為孔隙型和基巖裂隙型兩種。目前，基巖裂隙型熱儲的回灌率為100%，而孔隙型熱儲回灌量小且衰減嚴重，孔隙型熱儲回灌也是世界性難點［1－2］，極大地制約了新近系熱儲的開發(fā)。天津地區(qū)熱儲通過多年的回灌研究，認識到完井工藝影響回灌井的回灌效果。本文旨在對比濾水管和射孔兩種完井工藝在新近系館陶組孔隙型地熱回灌井的應用效果。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

圖1 天津地區(qū)構(gòu)造分區(qū)圖Fig.1 Tectonic division map of Tianjin area

天津地區(qū)館陶組厚200～600m，一般分為館Ⅰ砂巖段、館Ⅱ泥巖段和館Ⅲ砂巖段3層。巖性以含礫砂巖為主，間夾厚度不等的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，底部常見暗色礦物較多的砂礫巖和礫巖，富水段巖性以中粗砂巖為主，孔隙率20%～33%［3－4］。館陶組在寶坻斷裂以南除在滄縣隆起的雙窯凸起、小韓莊凸起、潘莊凸起、王草莊凸起等構(gòu)造的高部位缺失外，均有分布。其沉積環(huán)境為準平原化過程中的低彎河和辮狀河。

冀中坳陷的武清城區(qū)和黃驊坳陷的濱海新區(qū)為天津地區(qū)熱儲的集中開采區(qū)，主要熱儲層為館陶組，其底部為厚30～60m的底礫巖（礫徑多＞5mm，平均孔隙率20%），在塘沽區(qū)最為發(fā)育，厚度可達80m以上。館陶組特征：出水溫度45～86℃，單井涌水量一般40～120m3／h，礦化度一般1～2g／L（由北東向南西方向逐漸增加），水質(zhì)以Cl·HCO3－Na型為主，pH＝7.32～8.82。

2 濾水管完井工藝應用情況

館陶組地熱井以往一般采用濾水管完井工藝，其主要作用是濾水擋砂、支撐井壁。實際生產(chǎn)中，孔隙型地層地熱井主要根據(jù)砂巖的成巖性、膠結(jié)度、顆粒大小、滲透性等因素選擇濾水管［5］。濾水管的制作方式主要有套管表面打眼和濾水管外纏絲（單層或雙層）兩種。套管表面打眼的濾水管多用于砂巖致密膠結(jié)且長期開采不會發(fā)生坍塌的地層，外纏絲的濾水管多用于膠結(jié)條件不好且容易出砂的粉細砂類地層。

20世紀80年代，地熱研究單位在塘沽區(qū)開展了館陶組回灌試驗及回灌理論研究。回灌試驗井完井工藝采用單層濾水管，試驗持續(xù)時間263h，最大灌量86m3／h，最小灌量6m3／h。試驗過程中出現(xiàn)回灌量嚴重衰減現(xiàn)象，推測其主因為濾水管及其周圍熱儲層的物理和化學堵塞。

2002年，武清區(qū)建成YR9館陶組地熱回灌井。為避免懸浮顆粒對回灌通道的堵塞，YR9地熱井使用雙層籠式填礫濾水管（主要參數(shù)：內(nèi)纏絲間距0.7 mm，外纏絲間距0.5mm，石英砂礫徑0.8～1.2 mm，厚度10mm），完井后測得該井出水量為15～20m3／h。由于水量小，又進行了射孔，出水量最終達到93.8m3／h。2005年1—3月，對YR9地熱井進行了供暖期生產(chǎn)性回灌試驗，回灌水溫40～52℃，回灌量從49m3／h降至20m3／h，衰減明顯，加壓回灌效果也不理想，從而宣告試驗失敗。

館陶組熱儲層地熱回灌井采用單層濾水管和雙層籠式填礫濾水管兩種完井工藝的試驗結(jié)果表明，在回灌水處理工藝完善，且無物理及氣體堵塞的情況下，回灌量衰減明顯，回灌效果均未達到孔隙型地熱回灌的理想目標。

3 射孔完井工藝回灌效果

2008年，地熱研究單位總結(jié)了以往館陶組地熱的回灌試驗，確定以射孔方式作為館陶組地熱回灌井完井工藝。該工藝在廢棄石油井的實驗初步取得良好效果后，于2011年開始被應用于地熱回灌井的施工中。

3.1 射孔完井工藝原理

射孔是指將射孔專用設備置入井下預定深度，射穿套管及套管水泥環(huán)直至地層，溝通井筒與含水層間流體通道的工藝技術(shù)。射孔器中的射孔彈引爆后，爆炸產(chǎn)生能量束擊穿套管、擊垮地層，當能量束打到地層上，迅速在巖石的接觸面上形成高溫、高壓、高應變率區(qū)域，使巖石迅速崩解、破碎，后續(xù)射流又將這些破碎物擠入地層，從而形成孔道［6］。根據(jù)射孔彈的結(jié)構(gòu)、地層巖石性質(zhì)，射孔彈穿出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。射孔工藝在油氣開發(fā)中已是比較成熟的技術(shù)［7－8］，該技術(shù)近年來被試驗性應用于孔隙型地熱回灌井完井工藝中，效果較好。

在地熱井施工中常采用電纜輸送聚能式射孔技術(shù)。該工藝的優(yōu)點是：①射孔槍和射孔彈的種類多，能使用大直徑射孔槍和大藥量射孔彈，滿足高孔密、深穿透、大孔徑的射孔要求；②射孔定位快速、準確；③電雷管引爆可靠性強；④作業(yè)簡便快捷，能連續(xù)進行多層射孔。在地熱回灌井施工中，通常選用直徑89mm射孔彈，直徑127mm的射孔器，射孔密度15～20孔／m，射孔螺旋式排列，一般射孔深度可達50cm以上地層。

3.2 塘沽區(qū)射孔工藝回灌研究

為研究不同完井工藝對館陶組的回灌效果，在塘沽地區(qū)選取了3個地熱回灌井TGR－28，TGR－29D，TGR－30，采用不同的完井工藝進行對比試驗。

（1）地熱井概況。TGR－28，TGR－29D，TGR－30等3個地熱回灌井相距較近（圖2），回灌井出水量100～118m3／h，水溫均為63℃；TGR－28與 TGR－30為直井，TGR－29D為定向井。根據(jù)測井解釋成果，這3個回灌井各項參數(shù)見表1［9］。

（2）地熱井完井工藝。地熱回灌井TGR－28，TGR－29D均采用電纜輸送聚能式射孔工藝成井，射孔器直徑102mm，射孔彈直徑12.7mm，射孔密度15孔／m。TGR－28射孔長度87m，TGR－29D射孔長度92.3m。

圖2 地熱回灌井分布圖Fig.2 Distribution of geothermal well for reinjection

TGR－30采用濾水管（梯形碳絲鍍鋅防腐篩網(wǎng)）成井，濾水管直徑177.8mm，孔徑14mm，孔隙率12%，纏絲間距0.5～0.7mm，濾水管長度100.16m。

（3）回灌試驗。回灌井建成后，回灌試驗時，TGR－28地熱井在非采暖期進行，TGR－29D，TGR－30在采暖期進行，均采用自然回灌的方式?；毓嘣囼灁?shù)據(jù)見表2，歷時曲線見圖3，圖4和圖5。

表1 地熱回灌井參數(shù)Table 1 Parameters of reinjection of geothermal well

表2 回灌試驗數(shù)據(jù)Table 2 Reinjection test data

圖3 TGR－28回灌試驗歷時曲線Fig.3 Reinjection test curve of TGR－28

圖4 TGR－29D回灌試驗歷時曲線Fig.4 Reinjection test curve of TGR－29D

按照《地熱地質(zhì)勘查規(guī)范》要求，對3眼地熱回灌井參數(shù)進行計算，得出TGR－28最大理論回灌量為121m3／h，TGR－29D為114m3／h，TGR－30為35 m3／h。試驗結(jié)果表明，在相同的地質(zhì)及回灌水源條件下，塘沽地區(qū)射孔完井工藝比濾水管完井工藝的回灌效果好，為塘沽地區(qū)孔隙型地熱回灌式開發(fā)提供了較好的示范作用。

3.3 武清地區(qū)射孔工藝回灌研究

濱海新區(qū)孔隙型地熱回灌取得成功后，為檢驗射孔工藝在天津市不同地區(qū)孔隙型熱儲的回灌效果，選擇武清區(qū)一對地熱井試驗射孔采灌效果?；毓嗑? 978m（斜深），目的層為館陶組，測井成果顯示水層共7層，厚80.7m，孔隙度29.42%～36.70%，滲透率554.44×10－3～1 714.7×10－3μm2，射孔總長度81m。于2012年12月10日進行了回灌試驗［10］，回灌方式為自然回灌，回灌溫度35℃，最大穩(wěn)定回灌量120m3／h，穩(wěn)定時間36h，穩(wěn)定動水位埋深74～75m（圖6）。試驗結(jié)束后，在供暖季進行了實際生產(chǎn)，回灌量128m3／h，動水位70m左右，未出現(xiàn)回灌量衰減的現(xiàn)象。由此證明在武清地區(qū)開鑿射孔工藝的地熱回灌井可實現(xiàn)該地區(qū)地熱資源的采灌平衡。

圖5 TGR－30回灌試驗歷時曲線Fig.5 Reinjection test curve of TGR－30

圖6 武清地區(qū)地熱回灌井回灌試驗歷時曲線Fig.6 Reinjection test curve of Wuqing geothermal well

4 原因分析

通過分析射孔完井工藝地熱回灌試驗效果，射孔完井工藝可實現(xiàn)孔隙型地熱100%采灌，更適用于天津地區(qū)館陶組熱儲回灌。筆者認為，影響孔隙型地熱回灌效果的原因主要是鉆井過程中對地層滲透率和泄流面積?，F(xiàn)有的地熱鉆井技術(shù)普遍使用黏土和添加劑配置鉆井液，鉆井液循環(huán)過程中因井筒內(nèi)的液柱壓力作用，通過孔隙滲入地層，并在井壁形成泥皮，堵塞滲流通道，影響地層孔隙度和滲透率，而現(xiàn)有的洗井工藝雖能將井壁表面的泥皮破壞并沖刷掉，但很難徹底清除滲入地層的泥漿?？紫缎偷責峋∷我话氵x擇滲透率比較好的幾個含水層成井，而這幾個含水層也是受鉆井液影響最大的地方。采用濾水管完井工藝，濾水管和取水層受到鉆井液的影響，造成泄流面積減小最終導致取水段的滲透率降低而影響回灌效果。

圖7 濾水管及射孔成井示意圖Fig.7 Sketch showing well completion of filter and perforation

射孔完井方式時，射孔彈進入地層深度大，一般穿透鉆井液影響帶（圖7），保證了井筒和熱儲層的聯(lián)通性，射孔彈道內(nèi)壁成為泄流斷面，增加了泄流面積，起到增加地熱井產(chǎn)能的作用，回灌水流在井筒壓力作用下，可沿著孔道順利進入熱儲層，回灌效果較好。

5 結(jié)語

射孔技術(shù)應用于新近系館陶組地熱完井工藝，實現(xiàn)地熱回灌量大、回灌持續(xù)長的試驗效果，對天津市新近系地熱回灌的研究具有重要意義，為孔隙型地熱開采提供了可靠的技術(shù)保證，對于周邊省市開展同類型試驗研究具有示范作用。

總結(jié)兩種完井工藝回灌試驗，在相同地質(zhì)條件下，孔隙型地熱回灌效果受完井工藝對熱儲層滲透率的影響，鑒于此，筆者認為，無論是射孔完井工藝還是濾水管完井工藝，只要解決了回灌井完井過程對熱儲層的影響，應該都可以實現(xiàn)地熱開發(fā)利用的采灌目標，這將是天津市地熱回灌研究的主要方向。

［1］劉久榮.地熱回灌的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003，30（3）：100－104.

［2］Gudni Axelsson.Importance of geothermal reinjection.［C］∥Fridleifsson I B，Holm D H，Wang K.Workshop for Decision Makers on Direct Heating Use of Geothermal Resources in A－sia，Tianjin，China.UNU－GTP，TBLRREM and TBGMED，169－183.

［3］曾梅香，李會娟，石建軍，等.新近系熱儲層回灌井鉆探工藝探索［J］.地質(zhì)與勘探，2007，43（2）：88－92.

［4］林建旺，趙蘇民.天津地區(qū)館陶組熱儲回灌量衰減原因探討［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37（5）：133－136.

［5］朱家玲，林黎，程萬慶，等.新近系孔隙型地熱回灌配套鉆井技術(shù)與地面設備研究及應用［R］.天津：天津地熱勘查開發(fā)設計院，2010.

［6］李永壯，茍紅彬，賈蘭鳳.射孔技術(shù)在地熱資源開發(fā)中的應用［J］.工程勘察，2002（3）：26－28.

［7］尹建，郭建春，曾凡輝.低滲透薄互層壓裂技術(shù)研究及應用［J］.天然氣與石油，2012，30（6）：52－56.

［8］薛世峰，王斐斐，王海靜.射孔井產(chǎn)率比及其影響因素數(shù)值分析［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（2）：102－105，118.

［9］趙娜，王連成，高新智，等.天津市塘沽區(qū)新近系館陶組地熱資源保護性開發(fā)改造工程［R］.天津：天津地熱勘察開發(fā)設計院，2012.

［10］袁小飛，盧寶，邴國林，等.天和林溪小區(qū)地熱對井勘探報告［R］.天津：天津地熱勘查開發(fā)設計院，2012.