地热井成井井身结构优化设计分析

  随着我国市场经济的快速稳定发展,城市化程度加强,人民生活质量提高,地热作为一种环保、高效、可持续利用的能源,市场对它的需求非常强烈。尤其是在我国北方寒冷地区,急需开发大规模的中、低温地热来解决城镇供热的问题,而西北高原也急需开发热矿水来提高人民生活水平,改善人民生活条件。由于地热市场的推动使得地热能已经由开采中低温地热资源逐渐过渡为开采高温地热资源,而且地热井的勘探和地热井的成井深度也必然随之增加。而随着地热井成井深度的不断增加,致使揭露地层情况越来越复杂多变,特别是深潜山和潜山内幕为主体的隐蔽型潜山的地热勘察,虽然它们有着巨大的勘探效益,但同时也由于地形的影响致使地层可钻性急剧变差,有更大的几率产生如井壁垮塌、漏失及井斜等一系列的复杂情况,致使它有着高度的复杂性及风险性。

 

  1 定向井井身结构

 

  目前定向地热井也就是斜井主要应用于地热一采一灌(对井)钻凿,以此来解决回灌热储层段的水平距离受到井口位置限制的问题。

 

  1.1 第三系孔隙热储层二开定向井身结构

 

  第三系孔隙热储层定向井一般情况下为二开井身结构。一开井身结构用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,且管外全井段水泥 固井并封住定向井表层。二开井采用的是Φ311.2mm井眼,包括直井段、增斜段、造斜段以及稳斜段,下入Φ244.5mm进行套管,顶部与Φ339.7mm的套管重叠不得小于30mm,下部超过目的层不得小于30m,要采用“穿鞋带帽”的方法进行水泥固顶,下部水泥浆上返至目的层以上的距离不得少于150m。目的层段要采用射孔成井,可根据抽水地热水含沙量的情况来选择补挂Φ177.8mm滤水管。

 

  1.2 潜山裂隙热储层定向地热井井身结构

 

  深潜山定向井一般情况下采用四开井身结构。一开井身结构用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段用水泥固井封住表层;而二开井身结构采用Φ311.2mm井眼(包括直井段、增斜段、造斜段以及稳斜段)下入Φ244.5mm套管,顶部与339.7mm套管重叠距离不得小于30m,并采用“穿鞋带帽”的方法用水泥固井;三开井身结构采用Φ215.9mm井眼,下入Φ177.8mm尾管,顶部与Φ224.5mm套管重叠距离不得小于30m,并采用“穿鞋带帽”的方法用水泥固井;四开潜山目的层段采用Φ152.4mm钻头或Φ149.2mm钻头钻进,直接裸眼完井或根据基岩破碎情况来选择性下入Φ127mm衬管或Φ114.3mm衬管来完井。

 

  2 第三系孔隙热储层地热井井深结构 第三系孔隙型热储层一般情况下埋藏较浅,地层的岩性是由泥岩以及砂岩所组成,砂岩的泥质胶结而疏松,而泥岩的致密性较差。地热井成井的井身结构一般情况下为一次管串结构,泵室管段一般情况下为Φ444.5mm井眼或Φ375.0mm井眼下入Φ339.7mm套管或Φ273.0mm套管,通过变径来和下部Φ177.8mm套管连接,而下部为Φ244.5mm井眼。其中目的热储层段的开采,要对应含水砂岩层有选择性的下入滤水管,而目的热储层以上的开采套管外要采用胶伞黏土球止水,且粘土球的厚度要大于30m,而上部要回填粘土以止水。

 

  在第三系孔隙型热储层以上的第三系明化镇组热储层岩性结构是最松散的,所以为了防止地热井出砂,目前最常采用且最经济有效的方法是在滤水管外与井壁环隙中间用砾料进行充填要在Φ2mm到Φ4mm之间。Φ500.0mm井眼或Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管或Φ273.0mm套管,通过变径来和下部Φ177.8mm套管连接,而下部为Φ375.0mm井眼,且成井段以上套管外要采用粘土球止水,而上部要通过回填粘土来止水。

 

  而对于成井过深(成井深度大于2000m)的第三系孔隙型热储地热井,为了降低卡钻以及井壁垮塌等特殊情况的风险,可以采用二开井身结构,一开用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm+Φ273.0mm套管(一般情况下300m~500m),管外全孔段采用水泥固井封住表层;二开采用Φ244.5mm井眼下入Φ177.8mm套管,顶部采用变径和胶伞来与Φ273.0mm套管进行座封,下部和热储层段顶部则采用胶伞来止水。

 

  3 潜山裂隙热储层地热井井身结构 通过利用基岩裂隙型热储层成井,一般情况下开采目的热储层为古生界奥陶系和寒武系府君山组以及元古界长城系岩溶裂隙热储层来分析不同类型的潜山井,根据实地情况分别给出不同类型的井身结构方案。 3.1 超过4500m的深潜山井 超过4500m的深潜山井可采用四开井身结构。一开用Φ444.5mm 井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段利用水泥固井封住表层;二开用Φ311.2mm井眼下入Φ244.5mm套管,顶部和Φ339.7mm套管重叠距离不得小于30m,并采用“穿鞋带帽”的方法利用水泥固井。而对于地层较稳定且下部地层压力体系正常的井,二开套管可以封住陶组易漏的地层,下井深度2000m左右;而对于下部钻遇地层复杂且坍塌压力高的区块,二开套管则需要坐入沙河街组地层,下井深度在3000m至3500m之间,可以有效地降低上部地层垮塌和漏失的风险;三开用Φ215.9mm井眼下入Φ177.8mm尾管,顶部和Φ244.5mm套管重叠距离不得小于30m,并且采用“穿鞋带帽”的方法利用水泥固井。

 

  当非开采目的基岩热储层的潜山泥岩地区薄,井壁垮塌情况不严重,可以采用Φ177.8mm套管直接坐入潜山顶,同时封隔上部易垮塌地层,在一个开次中直接钻进潜山内幕地层;四开潜山目的层段采用Φ152.4mm钻头或Φ149.2mm钻头钻进,裸眼直接完井或者根据基岩破碎的情况选择性的下入Φ127mm衬管或Φ114.3mm衬管完井。 若古近系地层垮塌严重,且潜山泥岩地层垮漏同层,此时为了安全钻进,可以将四开井身结构更改为五开井身结构:用Φ177.8mm套管下至潜山顶,四开潜山泥岩易垮塌地层井段采用Φ152.4mm钻头或Φ149.2mm钻头钻进,同时下入Φ127mm尾管,五开井身结构针对一般情况下为元古界长城系的目的热储层的易漏地层采用Φ105mm小钻头钻进。 3.2 潜山目的层段较浅的井 潜山目的层段较浅的井,一般在2000m左右,采用三开井身结 构。一开用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段采用水泥固井封住表层;二开则采用Φ311.2mm井眼下入Φ244.5mm套管坐入完整基岩的潜山3～5m,顶部和Φ339.7mm套管重叠距离不小于30m,并且采用“穿鞋带帽”的方法利用水泥固井。这种结构的潜山段钻井参数和钻头选择具有更大的灵活性,而且机械钻速能有更大的提升空间,同时处理井下突发紧急情况也更加方便。在探井钻探的过程中,该结构如果多预留一层套管,则可以更好的实现钻井 目的。

 

  3.3 潜山目的层埋深在3500m~4000m之间的潜山井

 

  潜山目的层埋深在3500m~4000m之间的潜山井一般采用三开井身结构。一开用Φ444.5mm井眼下入Φ339.7mm套管,管外全井段采用水泥固井封住表层;二层一般采用Φ241.3mm井眼下入Φ177.8mm套管坐进潜山3m至5m,顶部与Φ339.7mm套管重叠距离不得小于30m,并且采用“穿鞋带帽”的方法来利用水泥固井。这种结构与二开采用Φ311.2mm井眼的结构相比,可节约大量的钻井成本。

 

  4 结语

 

  (1)第三系孔隙型热储层埋藏深度较浅,井身结构一般情况下为一次管串结构,开采目的热储层段是要根据对应含水砂岩层的情况全部或有选择性的下入滤水管;而泥质胶结疏松的地层为了有效地防止地热井出砂,需要在滤水管外和井壁环隙之间进行砾料填充。

 

  (2)在勘察和开发潜山岩溶裂隙热储层时井身结构多数情况下为三开或者四开井身结构,三开或四开套管多数情况下入基岩顶部3m~5m,三开或四开为裸眼完井或根据情况尾管固井完井,这种结构为潜山地热的勘察发挥了重要作用。

 

  (3)目前斜井(定向地热井)主要应用与地热一采一灌对井钻凿,已解决开采回灌的热储层段水平距离收到井口限制的问题。第三系孔隙热储定向井多数情况下以二开为主,包括稳斜段、造斜段和增斜段以及直井段,开采目的层段时要采用射孔成井;深潜山定向井一般情况下采用三开或者四开结构并且裸眼完井。