多工藝聯合洗井和抽水試驗在CGSD-01井中的應用

陳浩文， 宋志彬， 和國磊， 李勝濤， 許本沖， 馬漢臣， 杜垚森， 殷國樂

(1.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

0 引言

隨著社會經濟的高速發展，化石能源日益短缺，生態環境不斷惡化。而地熱能源作為一種綠色低碳的可再生清潔能源，受到了越來越多的關注。地熱能源在供暖、發電、種植養殖、溫泉洗浴等領域廣泛應用，在人類的日常生活中扮演著越來越重要的角色。我國地熱分布廣泛，地熱資源的開發在京津冀、山東、陜西等多地快速發展并逐漸形成產業化。天津地熱資源豐富，目前開采的主要層位為薊縣系霧迷山三、四段，但部分地區開采潛力已達極限。為探測新的地熱儲層，提高可開采量，著力支撐京津冀重點地區地熱資源調查工作，中國地質調查局實施了天津東麗湖地熱科學鉆探一井(CGSD-01井)鉆井工作，該工程隸屬于“全國地熱資源調查評價與勘查示范工程”[1]。

洗井是地熱井成井工藝中非常重要的環節，其直接影響地熱井的產量。洗井工作后還需進行抽水試驗，以更準確地進行地熱井產量的評價。本文介紹CGSD-01井多工藝聯合洗井及抽水試驗實施工藝，可為今后類似的工程提供參考。

1 工程概況

CGSD-01井為地熱探采結合井，位于天津市東麗區麗湖西南角。工作區所處大地構造位置為華北準地臺(Ⅰ)-華北斷坳(Ⅱ)-滄縣隆起(Ⅲ)-潘莊凸起(Ⅳ)的中部東側。CGSD-01井為設計井深4000 m直井，覆蓋層以下定深取心，完鉆井深4051.68 m。其實際井身結構(見圖1)如下[2]。

(1)一開井段：井徑444.5 mm，深度1469.84 m， 下入?339.7 mm套管；

(2)二開井段：井徑311.2 mm，深度2262.75 m， 下入?244.5 mm套管；

(3)三開井段：井徑215.9 mm，深度4051.68 m， 下入?177.8 mm套管，其中篩管長度320.34 m。

圖1 CGSD-01井井身結構Fig.1 Casing program of well CGSD-01

潘莊凸起分布的地層由新至老分別為新生界、古生界和中、新元古界。CGSD-01井實際鉆探揭露揭層情況見表1。

表1 實際揭露地層特征[3]Table 1 Actual exposed strata characteristics

2 洗井工藝及流程

在鉆井作業中，采用泥漿作為循環介質，含水層不可避免被泥漿、巖屑污染堵塞，影響后期抽水試驗的結果[4]。因此，在抽水試驗前，需先進行洗井作業。目前常用的洗井方法很多，主要為機械洗井與化學藥劑洗井。機械洗井包括活塞洗井、二氧化碳洗井、壓縮空氣洗井等，化學藥劑洗井包括焦磷酸鈉洗井、鹽酸洗井等。一般地熱井洗井工藝流程如圖2所示[5]，本井采用焦磷酸鈉洗井、壓縮空氣洗井與酸化洗井相結合的工藝，以求盡量清除井壁泥皮，達到增大含水層孔隙率的目的[6]。

圖2 地熱井一般洗井工藝流程Fig.2 Geothermal well purging process

2.1 焦磷酸鈉洗井

鉆井結束后首先進行焦磷酸鈉(Na4P4O7)洗井作業。焦磷酸鈉與粘土發生絡合作用，形成不易沉淀的水溶性絡離子，在壓縮空氣洗井過程中可排出孔外。同時磷酸根帶有強負電荷，可吸附粘土晶體含Ca2+、Al3+、Mg2+棱角部位，使粘土離子之間斥力增強；同時磷酸根離子產生吸附時帶進水化膜，增加了粘土顆粒的水化。通過以上分散作用，使井壁的泥皮被逐漸分解成泥糊狀，從而達到破壞泥皮的目的[7]。

焦磷酸鈉洗井溶液濃度一般為0.8%～1.2%，由于CGSD-01井出水層井段施工時間較短，泥漿對井壁的堵塞程度不嚴重，故選用0.8%濃度的焦磷酸鈉洗井溶液。CGSD-01井出水層位為霧迷山二段(3715～4051.68 m)，根據層位厚度，計算出管內及管外環空間隙體積，配置焦磷酸鈉溶液11.27 m3。施工前先將鉆桿下入井底，通過泥漿泵將焦磷酸鈉溶液注入井內，再注入泥漿將焦磷酸鈉溶液頂替至3715～4051.68 m井段。注入階段共替出泥漿21 m3，浸泡7 h后用清水替換焦磷酸鈉溶液。

2.2 壓縮空氣洗井

本井在完成焦磷酸鈉洗井后，開始壓縮空氣洗井作業。通過向井內持續注入高壓空氣，使井內水柱上下震蕩破壞井壁泥皮；同時高壓空氣推動井內水柱間斷性噴出井口，隨著井噴，井內瞬時形成負壓，井壁裂隙堵塞物被吸入井內，有助于含水層的疏通出水[8]。

根據本井水位高度及壓縮空氣洗井所需氣量，選用壓力6 MPa，風量10 m3/min空壓機進行壓縮空氣洗井作業。本井利用?127 mm鉆桿將高壓空氣輸送至井內，鉆桿下入深度633 m，靜水位深度148 m。壓縮空氣洗井持續21 h，共上噴38次(圖3)，直至水清沙凈結束洗井，技術參數如表2所示。

表2 壓縮空氣洗井參數Table 2 Compressed-air well purging parameters

2.3 酸化洗井

酸化洗井是利用化學反應的手段來提高地熱井的出水量，對于巖溶不發育的白云巖十分有效。酸化洗井常用稀釋后的工業鹽酸，其與地層中的碳酸鹽巖和泥漿發生化學反應，使其溶解。酸化反應一方面鹽酸可以進入地層裂隙，與巖石反應達到增大間隙的目的；另一方面鹽酸可以和堵塞在孔隙中的巖屑和泥漿等污染物反應，達到疏通孔隙的目的[9]。對于非碳酸鹽地層(如砂巖，礫巖、火山巖等)，可采用土酸(氫氟酸與鹽酸混合液)洗井，氫氟酸能有效溶解石英、硅酸鹽類，鹽酸能有效溶解方解石及碳酸鹽巖膠結物，其原理與鹽酸洗井相似[10]。本井在進行完焦磷酸鈉洗井與壓縮空氣洗井作業后，進行了第一次抽水試驗，根據抽水試驗結果，經過專家研討認為本井產量仍有提升的空間，為改善儲層滲流能力，決定增加酸化洗井。

圖3 壓縮空氣洗井Fig.3 Compressed-air well purging

酸化前根據物探測井解釋成果(表3)，選取霧迷山二段中一類及二類裂隙層位巖屑進行室內物理化學性質的試驗分析，盡可能模擬井下壓力和溫度條件來選擇合理配比的酸化液壓材料，對儲層進行有效改造，增加盡可能多的產量[11]。經室內試驗，本井采用18%鹽酸溶液并配以一定量的緩蝕劑、助排劑、鐵離子穩定劑、防膨劑等。這些添加劑的作用如下[12]：

(1)緩蝕劑：減輕套管受鹽酸的腐蝕作用。

(2)助排劑：有利于酸液的排返。

(3)鐵離子穩定劑：防止游離鐵離子以氫氧化鐵形式沉淀，造成二次堵塞污染。

(4)防膨劑：防止水敏性地層膨脹。

現場進行酸化洗井作業，酸化洗井主要設備如圖4所示，施工程序如下：

(1)下管：下入?89 mm油管至3500 m，封隔器下深2350 m，打壓座封封隔器。

(2)井口安裝：井口安裝250型采油樹。

(3)配液：現場配置酸液，稀釋酸液需用清水。

(4)地面管線試壓：接好地面施工管線,高壓管匯清水試壓10 MPa,不刺不漏為合格。

表3 CGSD-01地熱井物探測井熱水儲層解釋成果Table 3 Interpretation results of hot water reservoir geophysical logging in Well CGSD-01

圖4 酸化洗井作業主要設備Fig.4 Main equipment for acidizing operation

(5)平衡：井口環空灌滿清水。

(6)泵酸：采用雙壓裂車同時泵酸，泵注程序如表4所示。

表4 泵注程序Table 4 Pump injection schedule

(7)排酸：氣舉洗井排酸至pH值為7結束。

(8)撤場：將排出酸液用罐車拉走處理；酸洗設備收好撤場。

3 抽水試驗工藝及流程

在洗井結束后進行抽水試驗，目的是獲得地熱井的實際出水量和水位的動態變化[13]，評價含水層的富水性，為評價合理開發地下水提供可靠的依據[14]。抽水試驗按水位穩定性可分為穩定流抽水和非穩定流抽水[15]。按抽水井與觀測孔關系可分為單孔抽水和多孔抽水。本井所取水層為霧迷山組二段，未揭穿整個含水層，在此選用單孔穩定流抽水試驗。

CGSD-01井對霧迷山組二段(3715～4051.68 m井段)共進行2次抽水試驗。在完成焦磷酸鈉洗井與壓縮空氣洗井后，進行第1次抽水試驗；在完成酸化洗井后，進行第2次抽水試驗。2次抽水試驗步驟相同，所用設備如圖5所示，規格參數如表5所示。

表5 抽水試驗設備參數Table 5 Pumping test equipment parmeters

抽水試驗過程主要分為以下幾個步驟。

3.1 止水檢測

對?177.8 mm套管與?244.5 mm套管重疊段進行止水，防止在對霧迷山組二段進行抽水試驗時，霧迷山組三、四段含水層中的地下水經套管重疊位置進入井內；對霧迷山組三段與二段地層分界線附近套管外進行止水，防止在對霧迷山組二段進行抽水試驗時，霧迷山組三、四段含水層中的地下水經篩管外進入井內。

圖5 抽水試驗設備Fig.5 Pumping test equipment

本井采用電測井的方式進行止水檢測。電測井結果顯示?177.8 mm套管與?244.5 mm套管重疊段(2111～2170 m井段)與霧迷山組二段、三段分界處(3695～3605 m井段)固井質量優，止水效果滿足要求。

3.2 試抽水

在進行正式抽水試驗前，以抽水設備能力作一次最大降深試驗抽水，時間要求延續24 h，或達到最大降深后的持續時間≮2 h。通過試抽水，全面檢查抽水設備的運轉情況和工作效果，初步了解水位降深值與涌水量的關系，以便正式抽水時合理選擇水位的降深。本井共進行了4次試抽水，最終確認采用揚程190 m、水量140 m3/h的潛熱水泵，泵下入深度190 m。本井在試抽水時，根據以往經驗選用?127 mm鉆桿下入井內作為泵管，但本井所用的潛水泵流量大，經常出現泵超載停機故障，后改用?140 mm套管作為泵管后，再無停泵現象。試抽水達到最大降深3 h后結束，整個過程共持續9.5 h。結束后靜候觀察靜水位變化，每隔1 h記錄動水位及溫度值。最后連續6 h，水位雖呈鋸齒狀輕微波動(圖6)，但每小時升降最大差值≯10 cm，符合規范要求，可進行正式抽水試驗，靜候觀察時間總計52 h。

圖6試抽水靜水位恢復曲線
Fig.6Static water level recovery chart for test pumping

3.3 抽水試驗

抽水試驗共進行3次降深的穩定流抽水試驗，降深順序先深后淺。第1次依抽水設備能力進行最大降壓抽水，其余2次流量值分別為最大流量的2/3和1/3進行。最大降深抽水試驗延續時間≮48 h，穩定延續時間≮24 h；中、小降深穩定延續時間分別不少于12 h、8 h。各次降壓抽水的水泵吸水管口的安裝深度應該相同。抽水試驗時，動水位、出水量和出口溫度在抽水后的第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min的時間順序觀測，以后每隔30 min觀測一次，直至抽水結束。動水位采用測繩測量，精度至毫米；流量采用三角堰箱測量，精度至毫米；溫度采用電子溫度計測量，精度至0.1 ℃。

大、中降深抽水試驗結束后立即觀測恢復水位。觀測時間按1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min的時間順序觀測，以后每隔30 min觀測一次，直到穩定，持續時間≮8 h?；謴退粦謴偷匠跏妓?，若恢復不到初始水位且總觀測時間>72 h，可停止觀測。

兩組抽水試驗結果見表6、表7。

表6 第一組抽水試驗(酸化洗井前)結果Table 6 The first set results of pumping tests (before acidizing)

表7 第二組抽水試驗(酸化洗井后)結果Table 7 The second set results of pumping tests (after acidizing)

4 結語

(1)通過多工藝聯合洗井，可明顯改善地熱井產能。特別是酸化洗井，通過2組抽水試驗數據可看出其出水量以及動水位數值的明顯變化，經計算CGSD-01井每天涌水量從酸化洗井前3120 m3提升至4800 m3。

(2)在進行洗井作業前，需制定標準的施工規范并貫徹實施。特別是在酸化洗井過程中，由于酸液需高壓注入且有強腐蝕性，現場安全管理必須重視。酸洗后排出酸液需用罐車運輸處理，不能隨意排放，造成環境污染。

(3)本井開始進行抽水試驗時，由于泵管口徑與潛水泵流量不匹配造成多次停機故障，因此，在今后類似工程中，應根據潛水泵流量選取合理通徑的泵管，統籌考慮兩者的匹配性。

(4)抽水試驗時，出口流量采用三角堰箱計量，在用鋼板尺測量水位高度時存在一定誤差。特別在冬天進行抽水試驗時，高溫地熱水遇到冷空氣產生大量水霧，使讀數更為困難。在今后施工中，建議采用電子流量計，用多種方法進行計量，以提高測量精度，消除讀數誤差，保證抽水試驗準確性。