陶宇龍，趙凱

(陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司澄合分公司，陜西渭南715200)

1 引言

在我國，關中地區(qū)地熱資源較為豐富。在地熱資源開發(fā)利用過程中，鉆遇含氣地層、裂隙發(fā)育地層均可能對地熱井施工造成一定影響[1，2]。本次施工的01 號地熱井，通過對其地熱資源以及熱儲層特征進行觀察，可按照“取熱不取水”工藝對該地區(qū)地熱資源進行開發(fā)利用。部分地熱井在開發(fā)過程中，下管措施不當及其他原因導致套管下入至預定深度后出現井下氣體積聚，環(huán)狀空間可能突然出現鉆井液溢流、井涌等現象，或一次性注水泥固井后，環(huán)狀空間存在較大范圍的氣竄現象，影響固井質量，致使目的層段導熱性能降低。而且部分地熱井固井施工按照常規(guī)一次性固井作業(yè)，因一次性注入的水泥量過大，地層不能承受液柱壓力，導致固井質量不合格。另外，根據“取熱不取水”工藝要求，各層段固井水泥的導熱性能也有差異，需分段注入，因此，需研究分級固井技術。論文分析了分級固井技術在“取熱不取水”地熱井施工中的作用。

2 分級固井技術

分級固井技術是指利用分級箍將較長的井段分為兩個井段進行固井技術，主要在于解決固井段較長且壓力差較大的問題，且可避免由于井下復雜情況影響后續(xù)施工的開展[3]。當前，分級箍直徑規(guī)格主要包括244.5 mm、177.8 mm、139.7 mm、127 mm，而分級固井技術工藝流程主要是在下套管過程中，在固井井深大約1/2 的位置放置分級注水泥器，待套管達到預定的位置后，核算一級固井分段水泥用量，進行一次注水泥作業(yè)，對下部井段先進行固井。碰壓后，投入重力塞打開分級注水泥器以進行二級固井作業(yè)及二次注水泥作業(yè)，完成固井技術作業(yè)[4]。該種技術的優(yōu)勢在于其內通徑大且內壁光滑，方便后期作業(yè)的開展，在施工開展過程中能夠明顯縮短施工時間，減少對油氣層的污染，因此，其在一定程度上保證了施工的安全性及環(huán)保性。而分級固井技術能夠在注完水泥漿后，壓入下膠塞頂替，碰壓后壓力升高到設計值，完成固井作業(yè)。利用懸浮扭矩通徑換向器的作用，旋轉以保證膠塞座與膠塞筒脫離到盲板位置，實現分級箍免鉆塞全通徑。

3 地熱井基本情況分析

3.1 地質概況

01 號地熱井位于鄂爾多斯盆地南部黃隴侏羅紀煤田中部，地層由老到新依次為奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系和第四系。巖性主要包括泥巖、砂礫巖以及砂巖等，終孔層位為奧陶系馬家溝組。通常來說，奧陶系巖溶裂隙發(fā)育，富水性強，巖石熱容較大、熱交換條件好，滿足“取熱不取水”工藝要求。

3.2 井深結構

該地熱井采用“取熱不取水”工藝，設計采取二開結構。一開設計井深為0～300 m，實際井深有一定的差異，井徑為444.5 mm，下入φ339.7 mm×8.38 mm 無縫鋼管至井深300.38 m；二開設計井深為300～3 200 m 左右，實際井深3 183.66 m，井徑為311.1 mm，下入φ244.5 mm×10.03 mm 無縫鋼管至井深3 166.4 m；全井段下入φ177.8 mm×8.05 mm 中心管。

3.3 問題成因分析

根據有關調查發(fā)現，鉆遇中生界三疊系延長組發(fā)育湖泊-三角洲沉積體系，泥頁巖較發(fā)育，山西組的沉積相通常是砂泥混積的潮坪相、湖濱相、含植物化石的泥巖沼澤相以及煤層，太原組潟湖-潮坪-障壁島沉積體系，泥巖和煤層較發(fā)育，具有生烴能力，使烴類氣體具有一個較好的生長存儲條件。而其斷裂裂隙的發(fā)育也更有利于較深地層內的烴類氣體逐漸往上運移，幫助氣體進入儲層聚集，在鉆探過程中可發(fā)現，氣測顯示異常且甲烷的含量也相對較高。一般情況下，在進行鉆井作業(yè)時，液柱壓力及地層壓力基本處于平衡狀態(tài)，氣體不易侵入井筒，少量儲存的氣體可能進入鉆井液中循環(huán)，隨著鉆井液緩慢平穩(wěn)的運移到地面且散發(fā)在空氣中，從而減少氣體的聚集現象[5]。但在靜井狀態(tài)下，井內的平衡狀態(tài)可能失穩(wěn)，氣體就可能緩慢地進入鉆井液中，并且在每個關鍵位置聚集。在二開結束、套管下放過程中，長時間靜井可能導致氣體在井內聚集，聚集的氣體壓力過大將會出現溢流、井涌及其他情況發(fā)生。常規(guī)的一次性固井，注水泥后含氣層氣體可能在環(huán)空形成較大范圍的氣竄現象，導致固井質量降低，影響地熱井最終的換熱效率。

在01 號地熱井施工過程中，在井深2 040.00 m、2 205.00 m、2 230.00 m、2 257.0 0m（三疊系劉家溝組地層），井深2 325 m、2 396 m、2 420.40 m、2 439.69 m、2 459 m、2 495 m、2 570 m、2 574 m、2 603.50 m、2 631 m、2 641 m、2 644 m、2 653.75 m（二疊系石千峰組地層），2 713 m、2 719 m、2 742 m、2 758.59 m、2 833.02 m、2 890 m、2 957.25 m（石盒子組地層），3 092.82 m（馬家溝組地層）均發(fā)生漏失，共計25 個漏點，初步統(tǒng)計總漏失量784 m3。錄井分析判斷為三疊系底部與二疊系上部屬于風化裂隙較發(fā)育地段，推斷地層破碎較嚴重，該漏失量遠遠超出了正常的滲透性漏失和鉆進正常消耗，漏失為地層裂縫或地層破碎發(fā)育所致。因此，運用常規(guī)的一次性固井工藝，一次注水泥量過大，地層無法承受液柱壓力，存在地層被壓漏的風險，可能導致水泥漿漏失或失返，固井質量不合格，使鉆孔喪失地熱開發(fā)利用的價值。

4 地熱井分級注水泥固井工藝流程

4.1 主要設備及套管串設計

固井主要設備包括了泵車、水泥罐車、水罐、分級注水泥器等。分級注水泥器安裝的位置一般在固井深度的1/2 處，01 號地熱井為井下距井口1 700～1 705 m 處。入井管串結構自下而上：φ244.5 mm 浮鞋+φ244.5 mm 短套管+φ244.5 mm 浮箍+φ244.5 mm 套管+φ244.5 mm 浮箍+φ244.5 mm 套管串+φ244.5 mm 分級箍+φ244.5 mm 套管串+φ244.5 mm 聯頂節(jié)，φ244.5 mm 套管下入至井深3 166.45 m 處，全井段下入φ177.8 mm 中心管。

4.2 固井準備

固井準備工作主要是按照套管設計深度在井口連接下入井內，下管時3150～2 900 m 目的層井段每1 根套管加裝1 個扶正器，在2 900～0 m 井段每2 根套管加裝1 個扶正器，扶正器下放組數可根據實際井深和井況適當調整，盡可能提高套管在井眼的居中度。按固井要求調整鉆井液性能，保證井眼不漏、不垮，使用的浮箍、浮鞋、分級箍應認真檢查連接質量和下入位置，保證套管能夠達到預期的位置，整個套管在作業(yè)時應全部處于密封的狀態(tài)，可在井口部位連接好固井管線，以準備完成固井。根據“取熱不取水”的工藝要求，按照4 種導熱水泥漿配方準備好各種調配材料。

4.3 固井施工

固井采取專用泵車及水泥罐車，泵車一般一用一備，使用的水泥總量可達到130 t，高密度導熱水泥漿平均密度為1.85g/cm3，低密度導熱水泥漿平均密度為1.45 g/cm3，在灌注時應先灌注低密度的水泥漿，隨后將高密度的水泥漿灌入，并嚴格按照固井的設計開展作業(yè)。一級固井作業(yè)：在循環(huán)正常后，注入前置液，注入量為8 m3，隨后需要注入水泥漿，一級導熱水泥漿1 注入的初始密度應控制在1.45 g/cm3，注入量大約在43 m3，一級導熱水泥漿2 密度增大到1.85 g/cm3，注入量大約在22 m3，注水泥的排量應控制在1.8～2.2 m3/min，一級導熱水泥漿灌注完成后，進行壓膠塞作業(yè)，替漿量大約124 m3，碰壓后，穩(wěn)壓3～5 min，正常放壓后，確認浮箍、浮鞋密封良好后，卸掉水泥頭上蓋，投重力塞打開分級箍，循環(huán)泥漿，候凝。二級固井作業(yè)：注入前置液8 m3，注入二級導熱水泥漿1 大約66 m3，密度應控制在1.45g/cm3，注水泥的排量應控制在1.8～2.2 m3/min，二級導熱水泥漿2 密度增大到1.85 g/cm3，注入量大約在8 m3，注水泥的排量應控制在1.0～1.4 m3/min，二級導熱水泥漿灌注完成后，進行壓膠塞作業(yè)，替清水量大約65 m3，碰壓正常后，候凝48 h。

4.4 鉆塞

在固井工作結束后將套管中預留的水泥塞、膠塞鉆穿，隨后完成成井作業(yè)。在鉆井過程中下鉆探水泥塞時應注意下放過程中控制鉆具下放速度，在臨近淤積水泥塞位置時可緩慢試探，遇到阻礙時應立即上提鉆具。在探遇水泥塞后可接好方鉆桿循環(huán)緩慢下放輕壓慢轉，開始鉆壓應為10 kN，并根據實際情況逐漸增大壓力，但壓力最大不超過30 kN，直至穿過水泥塞部位，遇到膠塞面時可提前減少鉆壓并緩慢下放，起始壓力設置在5 kN，最大壓力不超過10 kN。鉆塞需要在候凝24 h后開展，作業(yè)時間不超過72 h，避免由于水泥強度較大影響到鉆塞。在下鉆到預定的位置后，探測到水泥塞時應不加壓，預防水泥漿堵塞鉆頭水眼。

4.5 突出特點

分級固井技術是最常見的固井技術之一，在中深層大孔徑地熱井施工過程中，通過對套管進行分段固井，可以有效避免因一次性注入的水泥量過大，導致水泥液注壓力壓漏地層的情況發(fā)生。分級固井技術在地熱井施工中的應用可以防范較大范圍的環(huán)空氣竄現象。同時，在“取熱不取水”工藝條件下，也滿足了固井水泥導熱性分段調配的需求，通過分段注入，更好地提升換熱效能，提高地熱資源的利用率。

5 結語

綜上所述，分級固井技術能夠簡化液壓開口方式結構形式，以此保證分級固井技術的順利開展。通過在01 號地熱井固井作業(yè)過程中采用分級固井技術，有效避免了25 個漏點地層被壓漏的情況發(fā)生，保證了固井作業(yè)的順利完工，固井效果好，成井質量高，熱交換性能得到有效保障，“取熱不取水”工藝下，井口出水溫度完全滿足后續(xù)供熱工藝需求。

通過本次應用實踐，分級固井技術可以解決中深層大孔徑地熱井固井施工存在的問題，固井效果良好，為日后該技術在地熱井施工中的發(fā)展積累了經驗。