中深層砂巖回灌井成井工藝優化及效果分析
——以天津市明化鎮組為例

趙艷婷，沈健，趙蘇民，聞爽，張森

（天津地熱勘查開發設計院，天津 300250）

地熱資源是一種無污染、可再生清潔能源，其開發利用是調整能源結構[1-2]、完成“雙碳目標”的有效手段。然而，砂巖儲層普遍存在回灌困難的情況[3-4]，這是制約其可持續開發的關鍵問題[5-6]。天津地區地處華北盆地中北部，砂巖儲層地熱資源豐富，其主力開采層為新近系明化鎮組和館陶組。與館陶組相比，明化鎮組熱儲可開發潛力巨大，但其回灌能力與出水能力不相適應。館陶組的回灌能力介于60~80 m3/h，單位回灌量普遍介于1.0 ~ 1.5 m3/（h·m），明化鎮組回灌能力普遍低于30 m3/h，單位回灌量一般在0.4 m3/（h·m）以下，回灌效果差異較大。迄今為止，前人對天津孔隙型砂巖熱儲，尤其是館陶組熱儲回灌方面進行了大量研究，并逐漸總結出回灌流體運移機理[7-8]、成井工藝[9-10]、回灌堵塞[11]以及回灌量衰減的影響因素[12-13]，提出了回灌評價體系[14]，并對不同完井工藝的回灌效果進行了研究[15]。但有關明化鎮組回灌研究，特別是不同成井工藝之間的對比分析鮮見報道。將濾水管和大口徑填礫成井工藝在明化鎮組熱儲回灌井的應用效果進行了對比分析，提出了明化鎮組熱儲回灌的改進方向。

1 地熱地質條件

天津市地區明化鎮組廣泛分布于寧河—寶坻斷裂以南區域[16]（圖1），滄縣隆起區內底板埋深介于700~1 200 m，南淺北深，沉積厚度介于230~1 100 m。按巖性組合特征分為上、下2段：上段為砂巖、含礫砂巖與泥巖不等厚互層[17]；下段以砂巖、泥巖、砂質泥巖為主，鈣質團塊較多。富水段巖性為半膠結的中、細砂巖、粉砂巖[18]，屬典型的弱—中等水流強度下的曲流河沉積。

圖1 天津市地區構造分區（據參考文獻[16]修改）Fig.1 Tectonic division map of Tianjin area（modified accarding to reference[16]）

單井涌水量為40 ~ 80 m3/h，單位涌水量為0.76~5.45 m3/（h·m），井口穩定流溫為34~78 ℃，地熱流體化學類型以HCO3—Na 型、HCO3Cl—Na 型和SO4·Cl—Na型為主，總礦化度介于400~3 600 mg/L?？紫抖冉橛?1.6 % ~ 39.1 %，滲透系數介于0.48 ~3.50 m/d，滲透率介于（140~2 410）×10-3μm2。

2 濾水管填礫成井工藝應用情況

濾水管填礫成井是指在濾水管與含水層孔壁間，填入比含水層砂礫直徑更大的礫石材料而形成人工的過濾層[19]，增大出水量，有效預防松散粉細砂巖地層出砂，阻止含水層中的砂礫進入濾水管內[20]，井筒和地層之間有礫料的支撐，可以保持地層的穩定性和過水效果，提高回灌效果，但其回灌效果還有待改善。

2.1 濾水管填礫井NM-01井回灌能力

NM-01 井采用了一開濾水管填礫成井方式，濾水管段對應井徑400.05 mm，濾水管管徑177.8 mm，濾水管下入長度63.77 m，對應取水層有效厚度53.54 m，單位涌水量為1.96 m3/（h·m），熱儲溫度為59 ℃，取水段中點埋深為1 045.3 m。因動水位埋深最終穩定到井口附近，故試驗僅進行了1 組，回灌量為9.2 m3/h，對應動水位埋深12.55 m，回灌流體溫度46 ℃（回灌流體為地熱流體，未經換熱器），持續時間24 h，穩定時間9 h（圖2），校正到25 ℃后，靜水位埋深為11.275 m，動水位為20.21 m，水位回開值為92.54 m。

圖2 天津市明化鎮組NM-01井回灌試驗歷時曲線Fig.2 Reinjection test curve of well NM-01 in Minghuazhen Formation,Tianjin

2.2 NM-02井回灌試驗

NM-02 井采用一開濾水管填礫成井方式，濾水管段對應井徑550 mm，濾水管管徑177.8 mm，濾水管下入長度118.49 m，對應取水層有效厚度為67 m。NM-02井回灌試驗中最小回灌量只能控制在30 m3/h，但動水位埋深最終漲至井口，未獲取穩定動水位埋深（回灌試驗回灌流體為地熱流體，未經換熱器）持續時間15 h（圖3），校正到25 ℃后，靜水位埋深為93.61 m，動水位為7.19 m，水位回升值為86.42 m。

圖3 天津市明化鎮組NM-02井回灌試驗歷時曲線Fig.3 Reinjection test curve of well NM-02 in Minghuazhen Formation,Tianjin

綜上所述，兩眼井濾水管填礫回灌井的回灌能力在30 m3/h以下，NM-1井的回灌量更小，僅為9.2 m3/h。

3 大口徑填礫成井工藝回灌效果分析

3.1 大口徑填礫成井工藝原理

明化鎮組熱儲層的總厚度大，孔隙度較高，滲透率較大，為回灌流體在儲層中的運移提供了基礎條件[21]，但相對于館陶組熱儲層，其砂層單層厚度薄，泥質含量高，成巖性差、膠結疏松、易出砂，儲層敏感性高，需要成井工藝在減少鉆井液污染的前提下，具備良好的擋砂和支撐效果。盡管采用濾水管填礫成井對明化鎮組回灌效果有一定的提升，但是可以通過擴大成井口徑或增加地熱井取水段的滲流通道等措施進一步改善回灌效果。鉆井過程中對鉆井組合和鉆井液進行優化，避免污染儲層，并采用聯合洗井方式防止成井過程中熱儲的孔隙通道被堵塞。

3.1.1 成井直徑

成井直徑能直接影響成井后的過流面積。目前填礫成井一般采用?177.8 mm的井徑，當地質及工程條件允許時，可以選用?244.5 mm的井徑。

3.1.2 鉆具組合

選擇鉆具組合需要考慮在確保安全的前提下，盡可能快地提高鉆進速度，減小鉆井液對地層的影響時間。采用螺桿和PDC鉆頭（圖4）復合鉆進，能有效加快鉆進速度，縮短鉆井液對地層的影響時間，減小影響程度。

圖4 PDC鉆頭Fig.4 PDC drilling bit

3.1.3 鉆井液

地熱井常用的鉆井液類型有細分散鉆井液、聚合物鉆井液、堵漏鉆井液、泡沫鉆井液和清水等。其中堵漏鉆井液與泡沫鉆井液是在易發生嚴重漏失的地層鉆井中所用的，清水一般用于地層穩定的基巖層，均不適用于明化鎮組地熱井所鉆遇的地層。聚合物鉆井液中需大量添加高分子聚合物，形成的濾餅破壁后容易堵塞地層中的過水通道，且不易通過洗井的方式疏通排除，從而影響回灌效果。因此，以細分散鉆井液為主，同時降低黏土含量，少使用或不使用聚合物。選用的鉆井液密度介于1.05~1.10 g/m3，馬氏黏度介于30 ~ 40 s，失水量小于10 mL/30 min，pH值為9，含砂量小于0.5%。

3.1.4 洗井方式

洗井是解決成井工藝中鉆井液殘留影響的唯一途徑，其效果能直接影響明化鎮組回灌井的成井效果。多種洗井方式均有其獨特的作用。因此，明化鎮組回灌井宜采用多種洗井方式并舉的洗井組合方案。先進行磷酸鹽洗井，破壞鉆井液殘留濾餅。再進行高壓噴射洗井，對近套管段進行徹底清理。然后通過拉活塞洗井，逐段疏通含水層。最后通過氣舉洗井，全面疏通全井。各洗井方式相輔相成，聯合洗井才能達到最佳效果。

3.2 NM-01B井回灌井

NM-01B井井深1 201.48 m，為一開直井，采用大口徑填礫成井工藝，揭露明化鎮組熱儲厚度為871.48 m，發育砂巖段（水層）共有17層103.7 m，濾水管段對應井徑為590 mm，濾水管管徑為244.5 mm，濾水管下入長度為123.38 m，對應取水層有效厚度81.56 m，孔隙度介于26.98%~34.08%，滲透率介于（425.73~1 211.10）×10-3μm2，泥質含量介于3.33%~9.54%，單位涌水量為4.40 m3/（h·m）。

3.2.1 NM-01B井回灌試驗

NM-01B 井進行了3 組回灌試驗，各組持續時間分別為26、43、72 h，穩定時間分別達11、27、54 h，回灌流體為地熱流體，供暖初期未換熱至較低溫度（圖5）。

圖5 天津市明化鎮組NM-01B井回灌試驗歷時曲線Fig.5 Reinjection test curves of well NM-01B in Minghuazhen Formation,Tianjin

3.2.2 回灌能力對比

最接近NM-01B 井的同構造單元同層位地熱井是NM-01 井。兩眼井的地質條件幾乎相同，井底距離為360 m。圖6 為兩眼井的井身結構對比，分別采用濾水管填礫和大口徑填礫2 種工藝。從現場回灌試驗可以看出，NM-01B 井的試驗最大回灌量為32 m3/h，對應動水位埋深為17.35 m，回灌流體溫度37 ℃。表1 列出了兩眼井的回灌試驗計算結果，從實際回灌的最大值來看，NM-01B井回灌能力遠高于NM-01 井。但由于NM-01B 井成井井徑和取水段有效厚度均大于NM-01 井，因此兩眼井在最大穩定回灌量下所對應的回灌流體溫度、動水位埋深也存在差異，為了便于對比分析，利用水位校正等相關推算公式將回灌流體溫度統一校正至25 ℃、動水位埋深統一按10 m，對最大回灌量進行了重新計算，引入注水面積A注、單位注水面積回灌量q注物理量：

表1 天津市明化鎮組NM-01井、NM-01B井回灌試驗計算結果對比Table 1 Comparison between calculation results of re-injection tests between well NM-01and well NM-01B in Minghuazhen Formation,Tianjin

圖6 天津市明化鎮組NM-01井、NM-01B井井身結構對比示意圖Fig.6 Schematic diagram comparing the well structure of Well-NM-01 and Well-NM-01B in Minghuazhen Formation,Tianjin in Minghuazhen Formation,Tianjin

式中：A注為注水面積，單位m2；r為井半徑，單位m；h為取水段有效厚度，單位m。

式中：q注為單位注水面積回灌量，單位m3/h；A注為注水面積，單位m2；Q注為回灌量，單位m3/h。

根據對比結果可知，消除濾水管對應井徑、取水段有效厚度差異的影響，NM-01B 井回灌能力是NM-01井的1.5倍；在此之上，消除回灌水溫、動水位埋深差異的影響，NM-01B 井回灌能力是NM-01 井的1.87倍。

3.3 NM-02B回灌井

回灌井NM-02B和開采井NM-02組成采灌系統，兩眼井的井底距離大于656 m。NM-02B井井深955 m，為一開直井，采用大口徑填礫成井工藝。揭露明化鎮組熱儲厚度673 m，發育砂巖段（水層）25 層145.7 m。濾水管段對應井徑444.5 mm，濾水管管徑244.5 mm，濾水管下入長度114.09 m，對應取水層有效厚度為65.74 m?？紫抖冉橛?3.11%~39.12%，滲透率介于（342~2 413）×10-3μm2，泥質含量4.41%~14.96%。

3.3.1 NM-02B回灌試驗

NM-02B 井進行了3 組回灌試驗，各組持續時間分別為23、47、73 h，穩定時間分別達到22、20、48 h，回灌流體為地熱流體，供暖初期未換熱至較低溫度。歷時曲線見圖7。

圖7 天津市明化鎮組NM-02B井回灌試驗歷時曲線Fig.7 Re-injection test curves of well NM-02B in Minghuazhen Formation,Tianjin

3.3.2 回灌能力對比

距NM-02B 井距離最近的同一構造單元同層地熱井為NM-02 井。圖8 為兩眼井的井身結構比較，可見兩眼井分別采用濾水管填礫和大口徑濾水管填礫工藝，從表2 可以看出，NM-02B 井最大穩定回灌量是58.0 m3/h，對應動水位埋深17.63 m，回灌流體溫度36.5 ℃。從實際回灌的最大值來看，NM-02B井回灌能力遠好于NM-02井。

表2 天津市明化鎮組NM-02井、NM-02B井參數對比Table 2 Comparison Comparison of parameters for Well-NM-02 and Well-NM-02B in Minghuazhen Formation,Tianjin

圖8 天津市明化鎮組NM-02、NM-02B井井身結構對比示意圖Fig.8 Schematic diagram comparing the structure of wells NM-02 and NM-02B in Minghuazhen Formation,Tianjin

根據對比結果可知，消除濾水管對應井徑、取水段有效厚度差異的影響，NM-02B 井回灌能力是NM-02井的2倍以上。

4 原因分析

明化鎮組具有砂巖粒徑小、砂巖膠結差、砂層薄和泥質含量高的特點。濾水管填礫成井工藝具有良好的擋砂效果，阻止了地層中游離砂進入井筒，避免在井筒內沉積，淤埋過水通道，減小過流面積，從而造成回灌能力下降。大口徑填礫工藝在具備濾水管填礫成井工藝擋砂優點的基礎上，擴大成井直徑，增大了地熱井成井后的過流面積。此外，鉆井施工過程中，鉆井液會在井壁形成濾餅，破壁后不能將濾餅完全清除出井內，對地層造成堵塞，降低滲透系數，鉆井液配方優化和鉆具組合優化減小了施工時鉆井液的影響，減小堵塞，在鉆井施工結束后，通過聯合洗井的方式，將部分堵塞成分從地層中帶出，疏通地層。這些共同作用下，實現了明化鎮組儲層回灌能力的提升。

5 結論

1）天津明化鎮組儲層成巖性差、膠結疏松、易出砂，采用濾水管填礫成井工藝，可有效保持地層穩定性并預防出砂，但回灌能力有待提升。

2）相比濾水管填礫成井工藝，大口徑填礫成井工藝中成井套管直徑增至244.5 mm，優化了鉆具組合、鉆井液和洗井方式，在預防出砂和保持儲層穩定性的同時，降低了儲層污染，增加了滲流通道。

3）兩眼井應用了大口徑填礫成井工藝，回灌能力分別提升了1.5倍、2倍以上，效果明顯。