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        地?zé)峋坠芡馑粶y管系統(tǒng)的設(shè)計與試驗應(yīng)用

        2015-01-01 02:53:50楊忠彥張芬娜
        鉆探工程 2015年11期
        關(guān)鍵詞:測管井筒校正

        楊忠彥,賈 志,朱 挺,張芬娜

        (天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院,天津300250)

        0 引言

        天津市地?zé)豳Y源動態(tài)監(jiān)測工作已有20多年的歷史,縱觀多年的地?zé)豳Y源動態(tài)監(jiān)測工作,主要有以下特點:地?zé)峋粩?shù)據(jù)主要通過人工監(jiān)測來獲得,自動化程度低,且費時費力,成本較高;大多數(shù)地?zé)峋谘b置和供熱站泵房極不規(guī)范,各類監(jiān)測設(shè)施和計量設(shè)備不標(biāo)準(zhǔn),測管腐蝕嚴(yán)重,使用壽命較短,影響數(shù)據(jù)的獲取,給目前還只能通過人工觀測方法來獲得水位數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測工作帶來較大困難;地?zé)峋毡榇嬖诰诶匣o測管或測管堵塞,監(jiān)測設(shè)施無法改造或改造難度較大等問題[1]。這些問題的存在均給動態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)獲取、系統(tǒng)分析研究帶來了一定困難和復(fù)雜性。盡管對測管系統(tǒng)已進(jìn)行了很多研究和開發(fā)[2-4],但整體不盡如人意。筆者通過多年不斷的實踐摸索,針對傳統(tǒng)的測管系統(tǒng)進(jìn)行了改良,自行研發(fā)設(shè)計了一套新型的“套管外水位測管系統(tǒng)”,并在天津市武清區(qū)一眼地?zé)峋邪惭b使用。從試驗結(jié)果來看,完全可以解決上述水位監(jiān)測中遇到的問題,保證了水位數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和提高了水平數(shù)據(jù)采集的效率。

        1 系統(tǒng)設(shè)計原則

        設(shè)計一套有利于下入水位觀測儀器工具完成水位監(jiān)測工作,能為一些科研工作提供支持手段的觀測管系統(tǒng),應(yīng)遵循以下原則[5]。

        (1)測管系統(tǒng)盡可能不改變原鉆井工藝的主要參數(shù),如鉆孔直徑等,不能給施工帶來不可接受的困難與風(fēng)險。

        (2)安裝測管系統(tǒng)不影響地?zé)峋坠芨黜椥阅?,包括抗?nèi)壓、外擠等。測管系統(tǒng)主要部件應(yīng)進(jìn)行地面試驗,獲得可行性數(shù)據(jù)。

        (3)該系統(tǒng)既屬于整個成井結(jié)構(gòu)的一部分,又要具有最大程度的獨立性,在使用過程中,其功能的喪失或結(jié)構(gòu)的損壞不能影響地?zé)峋恼J褂霉δ堋?/p>

        (4)安裝便利、經(jīng)濟(jì)耐用。

        2 系統(tǒng)的設(shè)計與制作

        2.1 設(shè)計思路

        改變傳統(tǒng)的水位測量思路,從成井工藝入手,在成井過程中加裝測管系統(tǒng),在地?zé)峋慕Y(jié)構(gòu)上附加一個測量監(jiān)測平臺。

        2.2 設(shè)計原理

        連通器原理,通過測量測管的水位值來反映地?zé)峋畠?nèi)水位情況,以此數(shù)據(jù)作為該井的水位參數(shù),滿足管理和科研工作的需要。

        2.3 系統(tǒng)的組成

        地?zé)峋芡鉁y管系統(tǒng)(見圖1)主要包括以下幾個組成部分:(1)測管及連接接頭;(2)測管固定器;(3)測管連接底座。其中測管連接底座是測管系統(tǒng)與地?zé)峋B通的重要部件。

        圖1 地?zé)峋芡庥^測管系統(tǒng)示意圖

        2.4 各部件設(shè)計與加工制作

        2.4.1 總體要求

        (1)測管材料要具有良好的抗擠、抗拉強(qiáng)度,較高的抗腐蝕性能和較好的經(jīng)濟(jì)性。

        (2)測管系統(tǒng)抗內(nèi)壓設(shè)計要求不少于10 MPa,且能夠滿足地?zé)峋^續(xù)鉆進(jìn)成井的需要。

        2.4.2 系統(tǒng)各部件設(shè)計與加工

        從整個系統(tǒng)的組成來看,底座部分的徑向尺寸是整個系統(tǒng)的最大尺寸,根據(jù)設(shè)計原則,其不能超過鉆孔的直徑。

        測管的主要參數(shù)包括測管外徑、內(nèi)徑以及壁厚,由下入的測量儀器工具外徑以及測管應(yīng)達(dá)到的強(qiáng)度決定,在滿足鉆孔直徑要求的基礎(chǔ)上,測管直徑應(yīng)盡量做到最大。

        通過計算,測管主體采用外徑42 mm、壁厚6 mm的無縫鋼管,兩端與測管接頭絲扣連接;外涂防銹,其內(nèi)徑30 mm,可以滿足水位測量儀器的順利下入。圖2為測管底座結(jié)構(gòu)圖,圖3為其實物圖。

        3 測試與分析

        3.1 測管系統(tǒng)抗內(nèi)壓性能地面試驗

        (1)采用高壓旋噴樁的注漿泵作為此次試驗用泵。

        (2)從已加工完成的測管中隨機(jī)選取5根測管和公母扣接頭連接后,測管尾部接放壓閥,通過鉆井泵操控管內(nèi)壓力。全部準(zhǔn)備就緒后,開泵進(jìn)行測試。

        圖4 測管固定器

        (3)管路試壓為17 MPa,滿足設(shè)計壓力 >10 MPa的要求。

        3.2 試驗井測管安裝

        3.2.1 試驗井鉆孔施工要求

        (1)非特殊情況,不改變常規(guī)鉆井工藝,按照天津市《中低溫地?zé)徙@探技術(shù)規(guī)程》(DB12/T 541—2014)[6],地?zé)峋_孔直徑444.5 mm,套管下入深度400 m;

        (2)采用塔式鉆具組合,原則上使用三牙輪鉆頭鉆進(jìn),在鉆進(jìn)中要保證鉆孔的垂直度,井斜應(yīng)每100 m 嚴(yán)格控制在 1°以內(nèi)[7];

        (3)采用常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)即可,但要保證性能良好;

        (4)加裝測管后整個系統(tǒng)的最大徑向?qū)挾葹?34 mm,且為偏心結(jié)構(gòu),為了順利下井到位,要求下管前應(yīng)至少通井2次,保證井壁規(guī)整,井底干凈;

        (5)由于安裝測管會延長下管時間,因此下管前應(yīng)調(diào)整鉆井液性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),保證下管順利。

        3.2.2 測管系統(tǒng)安裝要求

        (1)下管前,每根套管、觀測管要用鋼卷尺進(jìn)行準(zhǔn)確丈量,并編號、記錄;

        (2)下表層套管工作按現(xiàn)行地?zé)峋@井工藝執(zhí)行,在設(shè)計位置連接測管底座,之后測管與表層套管一起下入;

        (3)嚴(yán)格按編號入井,各連接部位用生膠帶密封;

        (4)測管絲扣管鉗上緊,每根測管安裝一只卡環(huán),卡環(huán)應(yīng)緊固牢固,不能松動;

        (5)必須保證測管垂直;

        (6)下完測管,測管出露地面1 m,安上絲堵;

        (7)完成后常規(guī)固井,必須保證固井質(zhì)量,水泥漿必須上返出地面。

        3.2.3 測管系統(tǒng)的安裝

        (1)下測管前,首先對套管及測管進(jìn)行丈量和編號。

        (2)為了易于安裝,節(jié)省下管時間,原設(shè)計中固定器使用折頁連接,但在現(xiàn)場下管前的組裝測試中發(fā)現(xiàn),折頁強(qiáng)度不夠,易損毀,隨即馬上進(jìn)行了設(shè)計更改,加固焊接處理,以保證下管的安全。

        (3)表層套管下至井深207.73 m時,按設(shè)計(設(shè)計深度200 m)下入測管連接底座,并用絲扣連接測管(見圖5)。

        圖5 絲扣連接測管

        (4)按照排管順序逐根下入表層套管和測管,使用測管固定器固定,并用螺栓緊固(見圖6)。

        圖6 測管固定器固定套管和測管

        (5)表層套管到底后,測管露出地面1 m,向測管內(nèi)灌滿水,然后加裝絲堵(見圖7)。

        (6)最后用R32.5礦渣硅酸鹽水泥進(jìn)行固井,水泥漿返至地表,水泥漿密度1.70 g/cm3。

        4 降壓試驗

        4.1 試驗情況

        圖7 測管絲堵

        在天津市武清區(qū)新近系館陶組選擇了一眼井作為試驗井,該井為二開直井,一開采用444.5 mm三牙輪鉆頭鉆至400 m,下入339.7 mm套管和42 mm測管,其中套管下入深度0~400 m,測管下入深度0~207.73 m;二開采用311.2 mm三牙輪鉆頭鉆至2180 m,下入244.5 mm套管,套管下入深度367.46~2180 m。從本次施工情況來看,下入測管不影響下一步的施工。為了驗證測管內(nèi)水位與井筒內(nèi)水位的關(guān)系,對該井進(jìn)行了3次不同降深的降壓試驗,試驗中使用流量140 m3/h,揚程180 m的潛水泵抽水,使用三角堰箱觀測流量,使用電流水位計觀測水位(水位測量采用2條測線分別測量井筒內(nèi)水位值和測管水位值,采集所有試驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行測線長度的校正),水銀溫度計觀測水溫及氣溫。各落程持續(xù)時間分別為2880、580、550 min,穩(wěn)定時間分別達(dá)到24、8、8 h。試驗結(jié)果見表1,降壓試驗歷時曲線見圖8。

        表1 降壓試驗成果

        圖8 試驗井降壓試驗歷時曲線

        4.2 數(shù)據(jù)處理

        4.2.1 動水位校正

        地?zé)峋_采期間,尤其是在開采初期,井口溫度不是恒定不變的,而是隨著時間的延續(xù)不斷升高,而水的密度與溫度的變化成反比,造成觀測水位不能真實地反映地?zé)峋畬嶋H水位(熱儲壓力)的變化。此時,盡管地?zé)峋畠?nèi)水位上升或保持不變,但熱儲壓力卻下降,這種現(xiàn)象稱之為“井筒效應(yīng)”,因此,在資料整理過程中,需要進(jìn)行溫度統(tǒng)一校正,消除井筒效應(yīng)[8-10]。由于熱的傳導(dǎo)擴(kuò)散特性,地?zé)峋畠?nèi)溫度與深度可認(rèn)為呈線性關(guān)系,則降壓試驗校正水位可由公式(1)計算,根據(jù)井口溫度及溫度損失的經(jīng)驗值,此次以降壓試驗最高溫度61℃作為統(tǒng)一溫度對試驗觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,校正后曲線見圖9。

        式中:h——校正后水位埋深,m;H——取水段中點的埋深(1402.5 m);h1——觀測水位(試驗過程所取得的全部動水位),m;h0——基點高度(以地面為基點,數(shù)值為 0),m;ρ平——地?zé)峋畠?nèi)水柱平均密度,kg/m3;ρ高——熱儲層溫度對應(yīng)密度,kg/m3。

        圖9 校正后降壓試驗歷時曲線

        4.2.2 分析處理

        通過累計時間與降壓試驗時3次降深測得的井筒內(nèi)校正動水位埋深h井筒與測管內(nèi)校正動水位埋深h測管之差所繪曲線(見圖10)可得出3次降深的穩(wěn)定井筒內(nèi)與測管內(nèi)水位差值h差,利用h差和出水量Q(見表2)來作出h差-f(Q)曲線,并進(jìn)行曲線回歸(見圖11),得出經(jīng)驗公式。

        圖10 h差歷時曲線圖

        表2 計算數(shù)據(jù)

        圖11 Q-h(huán)差曲線圖

        通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線回歸,得出經(jīng)驗公式:

        式中:h差——井筒內(nèi)校正動水位埋深h井筒與測管內(nèi)校正動水位埋深 h測管之差,m;h井筒——井筒內(nèi)校正動水位埋深,m;h測管——測管內(nèi)校正動水位埋深,m;Q——涌水量,m3/h。

        通過擬合結(jié)果可知,測管與井筒內(nèi)的水位差只與抽水泵的特性與下入深度有關(guān),與測管內(nèi)徑和測管下入深度無關(guān)。

        5 系統(tǒng)評價

        5.1 技術(shù)評價

        (1)穩(wěn)定性好,測管不易腐蝕;

        (2)測管的損壞,不影響地?zé)峋氖褂?

        (3)不受外界影響,系統(tǒng)具有獨立性。

        5.2 經(jīng)濟(jì)評價

        通過測算,安裝一套套管外測管系統(tǒng)造價為50000元,在以后的推廣中,考慮采用抗腐蝕更好的材料,會增加一部分成本,但同時隨著該系統(tǒng)在應(yīng)用中的逐步成熟,系統(tǒng)安裝費用會大幅下降,且成井后該系統(tǒng)在日常應(yīng)用中幾乎沒有什么維護(hù)費用。

        常用的水位測管是與泵管并列連在一起,且由于地?zé)崴g性強(qiáng)的原因,測管一般2年需要更換一批,以每口井正常使用150 m泵管計算,共計50節(jié),更換測管材料及人工等大約100元/節(jié),每口井一次更換主材費用為5000元,那么,按照地?zé)峋畨勖?0年計算,使用傳統(tǒng)測管需要的費用約為125000元。

        通過2種測管成本對比分析看出,套管外測管系統(tǒng)比傳統(tǒng)測管節(jié)約成本為75000元,節(jié)省比例為150%。從投入成本上大大降低,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,具有明顯的優(yōu)越性。

        6 結(jié)論

        (1)應(yīng)用管外監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測水位從理論上是可行的,并在試驗中初步得到了驗證。

        (2)測管系統(tǒng)是相對獨立的系統(tǒng),功能的喪失不影響地?zé)峋母鞣N功能。

        (3)該系統(tǒng)成本與傳統(tǒng)測管成本相比有很大幅度的降低,從經(jīng)濟(jì)角度來說,推廣應(yīng)用有著非常明顯的優(yōu)勢。

        (4)該系統(tǒng)在使用過程中有著傳統(tǒng)測管無法比擬的優(yōu)越性,一方面,液面穩(wěn)定,測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,另一方面,其獨立的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,不受泵室內(nèi)泵管、測線的干擾,使得下測線及儀器非常容易,解決了困擾多年的水位觀測工作中老大難問題,工作效果及質(zhì)量有了很大的提高,應(yīng)該在地?zé)峋_發(fā)領(lǐng)域廣泛推廣使用。

        [1] 趙蘇民,孫寶成,林黎,等.沉積盆地型地?zé)崽锟辈殚_發(fā)與利用[M].北京:地質(zhì)出版社,2013.

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        [9] 孟利山.塘沽區(qū)北部古近系東營組地?zé)豳Y源調(diào)查評價[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京),2007.

        [10] 張百鳴.中低溫地?zé)釤醿こ萄芯浚跠].北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京),2006.

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