咸阳地热 WH1井砂岩地层回灌试验研究与应用.pdf

2 0 1 4年第 4 l 卷第 7期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 5 成阳地热 WH 1 井砂岩地层回灌试验研究与应用 徐胜强 ，陆 斌 ， 崔世波 ， 薛亚斐 ， 段 凯 ， 周林波 ( 1 中石化石油工程技术研究院储改所， 北京 1 0 0 1 0 1 ； 2 中石油长城钻探公司， 北京 1 0 0 1 0 1 ； 3 中石化新星石油公 司， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 4 中石油长庆油田公司， 陕西 西安 7 1 0 0 1 8 ； 5 中石油川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业 公司， 陕西 西安 7 1 0 0 1 8 ) 摘要： 地热是一种新型绿色能源 ， 我国地热资源丰富， 部分区域地热开发 已经形成一定规模， 具有一定的研究基 础， 地热尾水回灌形成可持续循环利用技术是 目前遇到的突出难题， 在砂岩地层回灌尤为困难。汾渭盆地的地热 能源较为丰富， 已经形成了规模开发 ， 咸阳地热 WH1 井首次进行了砂岩 回灌尝试 ， 获得了施工及回灌等相关数据。 对砂岩地层尾水回灌进行了试验 ， 积累了施工经验， 为后继施工打下了基础。 关键词： 地热； 水力喷射； 砂岩热储； 尾水回灌 中图分类号： T E 2 4 9 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 1 4 ) 0 7 0 0 0 5 0 4 Ex p e r ime n t a l S t u d y o n Ge o t h e r m a l W e l l Re c h a r g e T e s t in S a n d s t o n e Fo r ma t io n XU S h e n g q ia n g ，L U B in ，CU I S h i b o ， XU E Y a -f e i ， DU A N K a i ，Z H O U L in b o ( 1 S I N O P E C R e s e a r c h I n s t i t u t e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ，B e r in g 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a ； 2 C N P C G r e a t w a l l D r i l l in g C o m p a n y ，B e i j i n g 1 0 0 1 0 1 ，C h in a ；3 S I N O P E C S t a r P e t r o l e u m C o ， L t d ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h in a ； 4 C N P C C h a n g q in g O i l fie l d C o m p a n y ， X i a n S h a a n x i 7 1 0 0 1 8 ， C h i n a ； 5 C C D C C h a n g q i n g D o w n h o l e T e c h n o l o g y C o m p a n y o f C N P C ，X i a n S h a a n x i 7 1 0 0 1 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：G e o t h e r ma l e n e r gy is a n e w k in d o f g r e e n e n e r gy a n d it s d e v e l o p me n t h a s f o r me d a c e r t a in s c a l e in s o me r e g io n s in C h in a T h e g e o t h e rm a l t a il w a t e r r e c h a r g e a s a s u s t a in a b l e r e c y c l in g t e c h n o l o g y c u r r e n t l y b e c o me s a p r o min e n t p r o b l e m ： e s p e c ia l l y w h e n it is a p p l ie d in s a n d s t o n e l a y e r T h e r e is a b u n d a n t g e o t h e rm al e n e r gy in F e n W e i b a s in wh e r e t h e s c ale d e v e l o p me n t h a s f o rm e d T h e s a n d s t o n e r e c h a r g e wa s t r ie d in W H1 g e o t h e rm a l we l l in Xia n y a n g f o r t h e f ir s t t ime wit h t h e r e l a t e d d a t a o f c o n s t r u c t io n a n d r e c h a r g e T a il wa t e r r e c h a r g e t e s t w a s ma d e t o a c c u mu l a t e t h e c o n s t ru c t io n e x p e r ie n c e ，w h ic h l a y s t he f o u nd a t io n f o r s ub s e qu e n t c o n s t ruc t io n Ke y w o r d s ： g e o t h e r ma l e n e r gy；h y d r a u l i c j e t ；s a n d s t o n e g e o t h e r ma l r e s e r v o i r s ； t a i l w a t e r r e c h a r g e 0 引言 地热资源是一种清洁能源 ， 并且具备储量大、 可 再生和不污染环境等特点。我 国地热资源丰 富， 开 发利用地热资源对于缓解我国能源紧张形势， 改善 能源结构 ， 节能减排 ， 保护环境具有重要意义。汾渭 盆地面积 1 8 X1 0 k m ， 地热分布约 8 7 1 9 k m ， 预计 地热资源总量为( I 3一i 7 4 )X 1 0 m 。咸 阳地 区 属于汾渭盆地地热资源重点的开发 区块 ， 预测储量 49 5 2 8 1 0 m。 ，可采储量 7 4 2 X 1 0 。 m 。目前地热 开发面临的突出问题是地热尾水 回灌难题 ， WH1井 首次进行 了砂岩热储地层 的增产增注措施 ， 将传统 的水力喷射技术运用到地热新能源开发领域 ， 获得 了一定的技术成果和施工经验。 1 WH 1井储层条件 咸阳地热田属中 低温地热田， 热储为第四系 下更新统和新近系中、 上新统 ， 包括 4个热储层 ， 自 上而下依次为 ： 第 四系下更新统三门组 ( Q ) 、 新近 系上新统张 家坡组 ( N 。 ) 、 新 近系上新统蓝 田灞河 组( N + b ) 、 新近系中新统高陵群( N ) ， 热储类型 为中低温传导型砂岩孔隙裂隙型热储。 咸阳城 区蓝 田灞 河组 砂岩 孔 隙度一 般 为 1 1 5 3 0 8 ， 主要在 1 0 2 5 之间， 平均值 2 0 ， 渗透率一般为 1 0 73 3 7 3 m D ， 平均值为 7 9 7 m D， 为中孔 、 低渗型储层。 蓝 田灞河组砂岩孔隙度相对集 中， 主要在 1 0 3 0 之问， 占总统计数据的 9 6 ， 渗透率数值变 化大 ， 相对分散 ， 主要集中于 01 0 0 mD之间， 占总 统计数据的 8 2 ， 最高频率位于 0 5 0 m D之间。 蓝 田灞河组是咸阳城区地热水开发水量最大的储层 段， 储层砂体单层厚度一般为 1 0 1 5 I n 之间， 最大 厚度为 2 3 3 m， 由若干层砂 岩上下叠 置， 部分储层 中的砂岩体之间夹厚度不等的灰黄色泥岩及粉砂 岩。 收稿 日期 ： 2 0 1 31 2 0 3 ；修 回日期 ： 2 0 1 4 0 62 0 基金项 目： 中石化科技部项 目“ 汾渭盆地地热尾水 回灌 工艺技术研究 ” 部分 内容 作者简介 ： 徐胜强 ( 1 9 7 4一) ， 男 ( 汉族)， 河 南南 阳人 ， 中石化石油工程技术研究 院储改所高级工程师 ， 石油工程专业 ， 从事油气 田储层 改造及 增产作业理论研究和现场施工工作 ， 北京市朝阳区安慧桥北辰时代大厦 6 1 0 ， x s q q s x _ 9 4 1 6 3 c o n 。 2 0 1 4年第 4 1卷第 7期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 7 选用弹型为 1 2 7深穿透射孔弹 ， 孔密 2 0孔 m， 现场 实际发射率 1 0 0 。射孔后采用了通井措施， 压裂最 高泵压3 5 M P a ， 地层吸水少， 无法压开地层。经调整 钻具位置打压验证原钻具位置卡准了射孔段， 恢复 原钻具位置继续坐封后反复试挤无效 ， 地层不能破 裂 ， 吸收量逐渐减小 ， 起 钻检查封隔器 及油管完好。 施工 曲线如图 3所示。 l 0 8 。 罂 号 了 2 ( ) 6( ) 量 ： 纠 是 l 2 0 时间 m i n 图 3 张家坡组第一次施工压裂 曲线 分析地层不能压开的原 因为 ： ( 1 ) 套管在钻井和 固井过程 中， 因为储层渗透性 好 ， 导致泥浆大量滤失至地层 ， 形成较大深度的滤饼 ； ( 2 ) 因为9 5 8 i n 套管和 1 0 2 枪之间间隙较大， 聚 能射孔弹能量衰减 ， 射孔效果不理想 ； ( 3 ) 施工前孔密 已调整至 2 0孔 m， 原枪弹型增 加射孔意义不大。 改变 原 来射 孔加 砂 压裂 工艺 ， 在张 家坡 优 选 1 1 8 0 5 、 1 2 6 9 9 、 1 3 4 8 0 m三个砂体进行喷砂射孔加 砂 ， 第 一喷点 1 3 4 8 0 m， 泵 注压力 2 5 1 M P a ， 排 量 2 5 m ra i n ， ， 环空以 2 0 0 IMmi n注入清水 ， 加砂 4 m ； 第二喷点 1 2 6 9 9 m， 泵注压力 2 5 1 MP a ， 排 量 2 5 m mi n ， 环空以 2 0 0 L mi n注入清水 ， 加砂 4 m ， 平 均砂 比 8 2 ； 第三喷点 1 1 8 0 5 m， 泵注压力 2 6 2 7 MP a ， 排量 3 m 。 m i n ， 加砂砂量 6 m。 ， 平均砂 比8 6 。 4 压 后 处理 考虑到施工中可能存在井底沉砂， 压裂措施后 采用捞砂泵技术捞砂， 捞砂泵依靠抽吸作用将沉砂 抽人储砂管中， 起钻捞出砂子 ， 捞砂过程 中异常情况 较多 ， 经常 出现地层 出砂掉块导致 的无进尺。为适 应井下砂面情况多次改进了捞砂工具 ， 累计捞砂 l 6 次 ， 捞出压裂砂及地层 出砂 2 5 6 0 L 。因起 下管柱扰 动砂面恢复、 砂泥胶结遇阻等原因， 砂面未能顺利捞 下。尝试大排量反循环冲砂， 但井筒漏失严重， 无法 建立循环。采用 5 0 m h左右排量可持续灌入， 液 面始终不能恢复至井口， 累计灌人 7 0 9 8 m 无返出。 采用泡沫流体冲砂， 利用负压平衡进行冲砂， 利用泡 沫洗井液冲砂施工， 虽建立了冲砂循环， 冲出了部分 地层砂 ， 但井筒内的平衡难 以调适 ， 且容易受外界条 件及砂子上返过程的干扰， 最终仍未能成功将 井筒 砂子冲到地面， 泡沫洗井液冲砂未能见效。 5 施工小结 WH1 井热储改造实际施工情 况表 明： 经过 2个 供 暖季采水后 ， 钻井期间形成 的泥浆滤饼屏蔽作用 已经消失 ， 地层漏失严重 ， 采用交联胍胶不能建立循 环 ， 相反石英砂在水射流的带动下直接破开地层 ， 进 入 了裂缝中。张家坡组原计划进行水力压裂 ， 选用 的双封选压钻具 ， 但是 多次 限压保护下微量吸收但 不能压开地层 ， 表现为射孔不完善， 但 目前与 9 i n 套管配套 的最大枪型为 1 0 2枪 ， 最大深穿透 弹为深 穿透 1 2 7射孔弹 ， 射孔前将孔 密已加密至 2 0孔 m， 在未能压开地层的情况下 ， 调整 为水力喷射射孔加 砂 ， 整个水力喷射施工过程顺利 ， 1 0段累计完成加砂 2 5 m ， 压后第一次探砂面位置在 1 9 5 5 8 7 m， 井筒沉 砂 6 0 m ， 近 1 9 m。 支撑剂进入地层 ， 实现了造缝和 改造 目的。正常的循环顶替工艺程序在地热井改造 过程 中未能进行 ， 砂岩热储显示 了其异于常规油气 藏的施工特性。改造后 的持续返吐支撑剂及地层出 砂， 捞砂遇到支撑剂与地层出砂混合胶结导致无进 尺 ， 循环冲砂因大量漏失无法建立流程 ， 砂岩地热储 层的改造尝试显示了其特有 的技术难点。 6 改造后注水效果 水力喷射改造后 ， 形成了有效的高导流通道 ， 提 高了地层的回灌能力， 由原来的 2 0 m h迅速灌满 井筒变得基本灌不满井筒。将裂缝参数输入到原地 质模型中， 重新评价其地层 回灌能力， 模拟结果表 明， 改造后回灌能力大幅度提高， 在回灌速度4 0 m h 下平均回灌压力降低 4 5 ( 见图4 ) ， 即回灌能力 约提高 1 倍， 且回灌速度越高， 回灌能力增加幅度越 大 ( 见图 5 ) 。 回灌速度 ( h ) 图 4 改造前后回灌压力对比 8 探矿工程 ( 岩土钻掘工程 ) 2 0 1 4年第 4 1卷第 7期 图 5 回灌压力模 拟图 喷射改造措施后 ， 对 WH1井进行排液作业 ， 排 量 5 0 0 L ra in ， 折 算排 量 3 0 m h ， 累计 排 液 时 间 1 3 9 5 h ， 排 出液量 4 1 8 5 m。 ， 排 液初期 液体 比较浑 浊 ， 后期变得清澈 ， 排液结束 1 0 ra in内测排液管内液 面高度 2 0 7 m， 排液前测液面 1 3 0 m。 为进行井筒 冲砂 ， 采用 8 0 m h左右排量灌水 可暂时将液面恢复至井口， 但稍做停泵液面就会迅 速下降， 需灌水 0 5 2 h才能再次灌满井筒。采用 5 0 m。 h左右排量可持续灌入 ， 液面始终不能恢复至 井 口， 累计灌入 7 0 9 8 m 无返出。考虑到地层 的强 吸水能力， 采用水泥车正冲砂疏松胶结， 用排量 4 0 0 1 0 0 0 L m i n的排量进行正冲， 冲砂至1 8 8 5 m， 累计 1 h始终无返出。 WH 1井第二次灌水累计灌水 9 4 8 6 3 m ， 液 面 在 2 2 41 3 5 m， 井 口始终未返水 ， 停灌后液面迅速 回落。供暖期后进行的第三次灌水历时 2 1 0 5 h ， 排 量 3 1 16 8 2 m h ， 平 均 5 4 9 7 m h ， 累计 灌 人 2 4 9 6 1 m ， 液面 1 3 8 1 3 5 m， 未灌满井口， 改造后 3次回灌 ， 累计回灌量达到 4 1 5 4 4 4 m ， 见 图6 、 图7 。 7 O 60 5 0 4 0 磷 3 0 2 O 1 0 删 划 叮 删 蟮 0 0 0 0 9 0 0 0 8 o 0 0 7 0 0 0 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 30 00 2 0 0 0 1 0 0 0 7结论与认识 砂岩地层地热井的尾水回灌持续利用是个世界性 2 0 0 0 0 1 50 00 删 器 l 0 0 【】(】 5 00 0 0 第三次 第二次 第一次 图 7 回灌水量柱状图 难题 ， 成阳 WH1 井的实施在汾渭盆地砂岩地层进行 了首次尝试 ， 取得了一定 的认识 ， 积累了施工经验 和 数据 ， 首次录取了大量施工及回灌数据 ， 对进一步探 索砂岩回灌措施打下了坚实的基础。实际施工中部 分过程虽未能按原计划进行 ， 但为将来施工积累了 经验教训。 ( 1 ) 首次在汾渭盆地砂岩地层进行了地热储层 的增产增注改造措施 ， 将 油气层储层改造技术应用 于地热资源开发领域 ， 积累了相关施工经验和数据。 钻井技术应用于地热资源开发领域 ， 积累了相关施 工经验和数据 。 ( 2 ) 地热井的出砂 问题在本次施工 中尤其是 改 造后显现尤为突出 ， 极大地干扰 了后期施工 ， 延误了 施工进程 ， 影响了施工效果 ， 地热井出砂问题值得 以 后关注和重点研究。 ( 3 ) 砂岩热储层的首次水