李成嵩， 王銀生

（1. 中國(guó)石化新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083；2. 中石化新星山東新能源有限公司，山東東營(yíng) 257100）

地?zé)崾且环N無污染、可再生的清潔能源，與傳統(tǒng)化石能源相比，具有儲(chǔ)量大、分布廣和能源利用率高等優(yōu)勢(shì)，越來越受到重視[1-4]。但地?zé)豳Y源過度開采或養(yǎng)護(hù)不當(dāng)會(huì)造成資源枯竭，為確保地?zé)豳Y源的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)避免環(huán)境污染，最有效的技術(shù)措施就是地?zé)峄毓嗉夹g(shù)[5-7]。回灌是把經(jīng)過利用的地?zé)崴?，通過地?zé)峄毓嗑匦伦⒒責(zé)醿?chǔ)層段的方法，回灌不僅可以解決地?zé)釓U水問題，還可以改善或恢復(fù)地?zé)醿?chǔ)層的產(chǎn)熱能力，保持地?zé)醿?chǔ)層的流體壓力，維持地?zé)崽锏某掷m(xù)開采和循環(huán)利用， 使地?zé)崮艹蔀橐环N可持續(xù)的清潔能源[8-10]?；毓噙^程中，由水中懸浮物、氣泡、化學(xué)沉淀等導(dǎo)致的回灌井堵塞是造成回灌量有限的主要原因，尤其是孔隙性砂巖熱儲(chǔ)回灌井堵塞問題一直沒有解決，是地?zé)峥沙掷m(xù)開發(fā)利用中公認(rèn)的技術(shù)難題。地?zé)崴毓嘞到y(tǒng)中，回灌井的鉆井完井工藝是回灌能否實(shí)現(xiàn)的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，回灌井井深多為2 000～3 000 m[11]。

目前，東營(yíng)地區(qū)回灌井鉆井完井過程中存在一系列問題，如現(xiàn)有回灌井部分井段未固井、鉆井液體系不合適等導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定和回灌率偏低，已經(jīng)成為制約該地區(qū)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大的瓶頸，嚴(yán)重阻礙了地?zé)崮艿目沙掷m(xù)開發(fā)利用[12-14]。因此，筆者在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上，將油田油氣井的鉆井和射孔完井工藝應(yīng)用到地?zé)峄毓嗑?，形成了地?zé)醿?chǔ)層鉆井完井技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了較好的效果，提高了單井回灌量，同時(shí)全井段固井延長(zhǎng)了地?zé)峋氖褂脡勖哂休^好的推廣應(yīng)用價(jià)值，保障了該地區(qū)地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 地?zé)醿?chǔ)層巖性特征及開發(fā)現(xiàn)狀

東營(yíng)地區(qū)在大地構(gòu)造單元上隸屬華北坳陷的次級(jí)構(gòu)造單元濟(jì)陽(yáng)坳陷的東部，地層自下而上包括太古界泰山巖群，古生界寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系，中生界侏羅系、白堊系，新生界新近—古近系、第四系。

該地區(qū)自中生代以來，受燕山期地殼運(yùn)動(dòng)的影響，區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，形成了區(qū)域溫度或熱流值普遍升高的背景，區(qū)內(nèi)地溫梯度均大于3.0 ℃/100m，開發(fā)利用的主要熱儲(chǔ)層為古近系東營(yíng)組熱儲(chǔ)和新近系館陶組熱儲(chǔ)，溫度一般為65～72 ℃，單井出水量70～120 m3/h。目前，東營(yíng)地區(qū)的地?zé)豳Y源開發(fā)利用已初具規(guī)模，主要用于原油集輸加熱、洗浴、漁業(yè)養(yǎng)殖及居民清潔能源供暖等，熱儲(chǔ)層位主要是館陶組和東營(yíng)組，開采館陶組熱儲(chǔ)的地?zé)峋饕谡椿枷輧?nèi)，取水段一般為1 500～1 950 m井段，地層巖性為灰白色礫狀砂巖、細(xì)砂巖和灰綠色細(xì)砂巖與棕色泥巖互層，底部為含石英、黑色燧石的礫狀砂巖、砂礫巖；開采東營(yíng)組熱儲(chǔ)的地?zé)峋饕跂|營(yíng)凹陷內(nèi)，取水段一般為1 400～1 900 m井段，地層巖性為灰綠、灰白色砂巖、細(xì)砂巖及泥巖互層，以砂巖為主，中部為棕紅色泥巖、細(xì)礫巖為主，底部為灰綠、灰白色細(xì)礫巖、細(xì)砂巖及泥巖。

該地區(qū)現(xiàn)有回灌井通常采用二開井身結(jié)構(gòu)，一開表層泵室段全部用水泥封固，二開完鉆后采用懸掛器懸掛套管和篩管完井，篩管以上部分用膨脹橡膠止水器止水，環(huán)空未用水泥封固（見圖1）。

圖1 現(xiàn)有回灌井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Casing program of current reinjection well

現(xiàn)有篩管完井工藝存在以下問題：1）回灌過程中砂泥巖互層在大液量沖刷下，其中的細(xì)粉砂容易隨著地?zé)崴M(jìn)入地層中，堵塞孔喉，降低回灌量，且泥巖段垮塌后會(huì)堵塞回灌井段，進(jìn)一步降低回灌能力；2）采用膨脹橡膠止水器封隔篩管上部井段，由于橡膠止水器工藝簡(jiǎn)單，材質(zhì)易受腐蝕，縮短地?zé)峋笃谑褂脡勖?）鉆井過程中鉆井液不合適，固相含量過高，密度過大，易使鉆井液通過孔隙滲入地層，并在井壁形成濾餅，堵塞滲流通道，導(dǎo)致地層孔隙度和滲透率降低?；毓鄬佣我话氵x擇滲透性比較好的含水層，而這正是鉆井液影響最大的層位，鉆井液造成水層滲透率降低，進(jìn)而影響回灌效果。

2 鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)以上問題，從鉆具組合、鉆井液和完井方式等方面進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)研究，以最大程度地降低對(duì)熱儲(chǔ)儲(chǔ)層滲透率的傷害，增大地?zé)崴幕毓嗔俊?/p>

2.1 優(yōu)選鉆具組合

東營(yíng)地區(qū)館陶組、東營(yíng)組砂泥巖互層明顯，泥巖占較大比例，由于牙輪鉆頭破巖方式以研磨為主，吃入地層有限，導(dǎo)致鉆頭破巖效率低，嚴(yán)重制約機(jī)械鉆速。另外，該地區(qū)地層存在一定傾角，大鉆壓鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生井斜，因此選用“PDC鉆頭+1.25°單彎螺桿+鉆鋌+鉆桿”鉆具組合。該鉆具組合能夠有效控制井眼軌跡，防斜打直，使井眼軌跡平滑[15-16]。同時(shí)，PDC鉆頭適應(yīng)高轉(zhuǎn)速、低鉆壓的工作環(huán)境，螺桿的轉(zhuǎn)速可以保持在200～260 r/min，鉆壓控制在30～50 kN，PDC鉆頭在此工作條件下能保持較高的破巖效率，機(jī)械鉆速高，二開鉆進(jìn)“一趟鉆”即可完成進(jìn)尺，大大縮短了熱儲(chǔ)層鉆井液浸泡時(shí)間，最大程度地降低了鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的影響，降低了對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

2.2 鉆井液體系優(yōu)選

東營(yíng)地區(qū)鉆遇地層主要為平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組和東營(yíng)組，地層成巖性差，泥巖較軟易水化分散，膠結(jié)疏松易垮塌，鉆井過程中井眼失穩(wěn)問題嚴(yán)重，鉆井液主要以抑制地層造漿、防止泥巖縮徑、護(hù)壁和保護(hù)儲(chǔ)層為目標(biāo)[17-19]，同時(shí)全井段禁止使用會(huì)堵塞儲(chǔ)層孔隙和滲流通道的重晶石、瀝青類材料和磺化類材料等。

一開鉆遇地層為平原組棕黃色黏土及松散砂層，井眼尺寸較大，環(huán)空上返速度低，鉆屑攜帶困難，不利于井眼的清潔，因此采用預(yù)水化膨潤(rùn)土鉆井液體系，以確保具有足夠的攜帶和懸浮能力。鉆井液配方為：清水+5.0%～6.0%膨潤(rùn)土+0.1%～0.2%Na2CO3+0.3%HV-CMC。

二開鉆遇地層為明化鎮(zhèn)組、館陶組和東營(yíng)組，砂泥巖互層，采用護(hù)壁性、抑制性和攜砂性強(qiáng)的聚合物鉆井液體系，其配方為清水+5.0%～6.0%膨潤(rùn)土+0.2%～0.5% Na2CO3+1.0%～2.0% CaCl2+1.0%～2.0%銨鹽+1.0%降濾失劑+2.0%～3.0%潤(rùn)滑劑。鉆井過程中適時(shí)補(bǔ)充0.3%～1.0%的聚合物膠液，聚合物膠液以大分子聚合物為主，以維持鉆井液性能穩(wěn)定，并根據(jù)鉆井液黏切和濾失量變化情況，用不同加量的小分子或大分子膠液處理。

鉆進(jìn)熱儲(chǔ)層前，為防止鉆井液發(fā)生固相侵污，應(yīng)使用好固控設(shè)備，配合高分子聚合物包被劑及時(shí)清除固相，嚴(yán)格控制濾失量不大于5 mL，以防止鉆井液濾液進(jìn)入熱儲(chǔ)層，造成熱儲(chǔ)層污染。

2.3 完井工藝

油井最常用的完井工藝是水泥固井射孔 ，環(huán)空采用水泥封固 ，可以最大限度地保證井壁穩(wěn)定。鉆井過程中熱儲(chǔ)層常被鉆井液污染，一般認(rèn)為距井壁300～400 mm地帶的傷害最嚴(yán)重，射孔孔道長(zhǎng)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，射孔時(shí)可以完全射穿鉆井液嚴(yán)重傷害帶，使不受污染的產(chǎn)層和井筒連通，可以提高儲(chǔ)層滲透率。

該工藝需要根據(jù)測(cè)井曲線解釋結(jié)果分析熱儲(chǔ)層的滲透率、孔隙度、含水層厚度及井溫等參數(shù)，確定射孔槍和射孔彈的型號(hào)和孔密。測(cè)井項(xiàng)目包括井徑、井溫、井斜角、2.5及4.0 m電阻率、自然電位、自然伽馬、聲幅、聲波、雙側(cè)向、微電極和微梯度，選擇射開滲透率高、孔隙度大的層段，建立滲流通道成井，增大泄流面積，提高回灌能力。

相對(duì)于其他完井方式，該完井工藝有以下特點(diǎn)：1）固井防止泥巖垮塌，封堵細(xì)粉砂地層，減少細(xì)小顆粒堵塞孔喉；2）射孔形成的滲流通道長(zhǎng)、滲透率高，可以最大程度地減少近井壁地帶鉆井液產(chǎn)生的污染；3）優(yōu)選大段回灌層，避免層間干擾；4）縱向上增大了透水面積，提高了回灌能力。

2.4 洗井工藝

射孔作業(yè)結(jié)束后，采用聯(lián)合方法進(jìn)行洗井，確保將井筒內(nèi)殘留的鉆井液及井壁附著的濾餅清洗干凈，抽水試驗(yàn)前達(dá)到水清砂凈，流體中懸浮物含量小于0.005%。 具體洗井工藝如下：

1）首先用清水置換井筒內(nèi)鉆井液，使用旋轉(zhuǎn)噴射洗井工具，水嘴壓降不低于2 MPa，從井底向上清洗井壁，利用工具產(chǎn)生的清水?dāng)_動(dòng)作用，清除在井壁上黏附的濾餅；主要含水層井段要增加噴射洗井次數(shù)，洗井次數(shù)不少于3次。

2）噴射洗井結(jié)束后，使用壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣舉洗井，直接注入高壓氣體，實(shí)現(xiàn)限氣量或者限壓力可控井噴，對(duì)水層瞬時(shí)減壓，不斷進(jìn)行減壓然后恢復(fù)壓力，實(shí)現(xiàn)地層吞吐清洗效果，進(jìn)一步疏通地層通道，提高回灌能力。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

探灌1井位于山東省東營(yíng)市河口區(qū)三義和小區(qū)，構(gòu)造上屬于渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷車鎮(zhèn)凹陷南部斜坡帶的中段，完鉆井深2 000 m，完鉆層位為古近系東營(yíng)組，熱儲(chǔ)層段1 700～1 950 m。

該井一開采用φ444.5 mm 鉆頭鉆至井深350 m，φ339.7 mm表層套管下至井深349 m，以滿足封隔表層松散地層和下入水泵的要求，水泥返至地面；二開采用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深2 000 m，φ244.5 mm套管下至井深1 999 m，水泥返至表層套管鞋，采用射孔完井，射孔井段厚101 m。探灌 1 井的 井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 探灌1井井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Casing program of Well Tanguan 1

根據(jù)測(cè)井解釋成果，選取1 724～1 739，1 765～1 785，1 795～1 830和1 890～1 921 m作為射孔層段（見表1），合計(jì)長(zhǎng)度101 m，選取127型射孔槍和127型射孔彈，射孔密度20孔/m。

表1 測(cè)井解釋結(jié)果Table 1 Logging interpretation results

該井于2019 年1月17日完井試水，試水溫度68 ℃，試水水量90～105 m3/h。1 月19日開始投產(chǎn)回灌，歷經(jīng)2個(gè)采暖季（2019—2020和2020—2021年），回灌量90～105 m3/h，平均回灌量95 m3/h左右，液位穩(wěn)定在-20 m左右；且經(jīng)過2個(gè)采暖季的運(yùn)行，回灌率沒有衰減，能滿足持續(xù)回灌要求。

4 結(jié)論與建議

1）探灌1井將油氣井的鉆井完井技術(shù)應(yīng)用到地?zé)峄毓嗑?，形成了該地區(qū)回灌井鉆井完井的特色技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，為進(jìn)一步探索砂巖地層回灌奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2）射孔完井工藝在地?zé)衢_發(fā)回灌井中已得到成功應(yīng)用，與傳統(tǒng)地?zé)峄毓嗑@井完井工藝相比，射孔完井工藝對(duì)地層的擾動(dòng)更小，可以精確打開熱儲(chǔ)層，在后期的地?zé)豳Y源開發(fā)利用中，建議進(jìn)一步研究該完井工藝是否可以應(yīng)用于地?zé)衢_發(fā)采水井。

3）為了最大程度地保護(hù)熱儲(chǔ)層，建議今后在回灌井施工過程中嘗試應(yīng)用空氣鉆井技術(shù)或欠平衡鉆井技術(shù)，使井底處于欠平衡狀態(tài)，井內(nèi)壓力低于儲(chǔ)層壓力，鉆井流體無法進(jìn)入儲(chǔ)層，從而消除鉆井流體對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害，提高單井回灌能力，同時(shí)進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。