地热井洗井、增产工艺

地热井洗井、增产工艺一、洗井工艺技术洗井目的：成井工艺是指钻井、换浆、安装井管、填砾、封闭以及洗井、抽水试验、采集水样等工序的总称，因此，洗井是成井工艺的一个承前启后的关键工序。地热井有裸眼和滤水管两种过滤器完井方式。为了最大限度地获取地热水，地热井一般都要经过简单或复杂的洗井工艺，并采用多种洗井方法。特殊的情况下一种洗井方法多次重复使用，使地热井的水量、水温达到设计或合同指标的要求，同时尽量达到最佳水量及水温，工程项目质量合格，最后经抽水试验和采集水样化验，通过水量和水质检验。经调研资料，可查到的方法大致有以下几种：1、喷射洗井，通过花管孔眼清除井壁泥皮，疏通裂隙；2、压缩空气洗井（正、反循环），震荡、抽吸井内冲洗液，疏通裂隙并排除沉沙；3、水泵抽水洗井，清除井底沉沙；4、酸洗井，将盐酸压入碳酸盐类岩层的裂缝中，扩大地下水出水通道；5、多磷酸盐洗井，与井内泥皮发生化学反应，使其沉淀，辅以其他方法使其排除孔外；6、液态CO2洗井；7、活塞洗井，清除井壁泥皮，抽吸裂缝泥沙；8、压水洗井；9、爆破洗井、增水。一）、喷射洗井地热井完井工序结束后，要连续进行喷射洗井，用泥浆泵注清水稀释置换泥浆。有些地热井由于各种原因，停待很长时间没有及时换浆，给后续洗井工作带来较大的困难。换浆过程中，要用侧喷冲井器喷射井壁，扰动解除在钻探过程中孔壁上粘结的泥皮，主要含水层井段要增加喷射次数。一般换浆和喷射洗井从下向上进行，取水井段喷射洗井结束后，将侧喷冲井器下至井底继续清水换浆，直到井口返液较清和基本不含泥砂为止。喷射洗井结束后连续进行多磷酸盐洗井；岩溶裂隙很发育的地热井，可接着进行压缩空气洗井。二）、压缩空气洗井法地热井压缩空气洗井一般采用石油钻井行业的高压高排量的空气压缩机，常用空气压缩机的能力为10m3／150kg。采用反冲洗的作业方法，风管采用钻杆，下入深度一般500～1000m。压缩空气洗井产生间断喷流的出水方式(水量大时连续出水)，喷流高度可达几米至十几米，井中的水柱上下振荡幅度几百米，几百米水柱压力的瞬间释放有助于含水层的疏通出水。根据出水持续时间和间断时间的比例可估算地热井的出水能力。压缩空气洗井结束后，一般采用水泵抽水洗井和试水。1台四级加压、流量l0m3／min、最大压力25MPa的高压空压机能把2000多米深的水柱顶出地面，在井内瞬间形成负压，使地层里的水自然冲出，可有效提高洗井速度。高压空气压缩机负压洗井的原理是利用高压空气压缩机把气体压缩产生压力，在一定的深度利用压缩空气的膨胀性产生气举，将井内液体带出，使井筒内瞬间形成负压，在地层压力下，使热储层中的地热水快速流出，疏通地下热水通道，达到快速洗井之目的。高压空气压缩机洗井方便快捷、工序简单、省时、省力、成本低廉。采用高压空气压缩机负压洗井一般只需2～3天，最快仅用1天；既节约时间，又减少泥浆对储层污染，使成井后的地热水温、水量均有大幅提高。1、正循环洗井如图1所示，将Φ73mm风管（钻杆）下到井内一定深度，压缩空气冲出风管时，迅速与井内液体混合形成气泡，使得三相混合液的比重降低，在风管出口处形成低压区。气泡在上升过程中，由于井内压力的作用逐渐减小，继而继续膨胀，其膨胀功能转化为动能而使井内液柱向上运动，从而携带井内岩屑至井外，达到洗井的目的。2、反循环洗井洗井机具由风管和出水管组成，采用并列式安装方式(图2)。压缩空气经风管下行到达出水管一定深度时，与出水管内的液体混合，在出水管内形成负压，使得出水管内的液体向上运动，下部的泥砂及岩屑随即进入出水管内，形成气、液、固三相混合物，一同排出井外。其洗井机理与正循环相似。在相同的井内，由于洗井方法不同(洗井液上返通道不同)，其相同直径的岩屑的自由悬浮速度也不同，用相同的空压机洗井，反循环的排岩屑能力比正循环要强，排出的岩屑颗粒比正循环要大。冲洗液上返速度与供风量成正比，与冲洗液上返通道直径平方成反比。要取得好的排渣效果，必须增大冲洗液上返速度。一是要增大空压机风量，二是要减小冲洗液上返通道。用同样的空压机，正循环洗井时，由于用井眼作冲洗液上返通道，其直径较大，上返流速低；而且地热井井眼经过几次变径，下小上大，冲洗液越往上其流速越慢，大颗径岩屑容易在变径处因流速变缓而悬浮停滞，当供风停止后即下沉至井底，很难将其排出。反循环洗井时，冲洗液上返通道较小，而且上下口径一致，其流速均匀，则能有效避免大颗粒岩屑悬浮停滞，其洗井效果比正循环好。三）、水泵抽水洗井水泵抽水洗井选用流量和扬程合适的潜水泵。通过水泵大排量抽水洗井，有助于快速排净井中的泥浆和细岩粉，达到水清砂净(符合含砂量标准)。同时水泵抽水还能准确知道地热井的出水量和温度，为下一步制定洗井方案或进行抽水试验提供依据。水泵抽水洗井只能达到水清砂净的目的，对增加出水量影响很小，但长时间抽水可提高一定的出水温度。如果出水量达不到要求，下一步洗井一般采用酸化洗井或进行多磷酸盐洗井。四）、酸化洗井对碳酸岩盐含水层，尤其是岩溶不很发育的白云岩，酸化洗井对地热井的增产是十分有效的，地热井几乎都要进行酸化洗井。洗井一般采用浓度31％左右的工业盐酸，盐酸与碳酸岩盐、泥浆反应剧烈。盐酸洗井一方面酸液进入孔隙或裂隙与岩石反应，使空隙得以增大，提高水流渗透条件；另一方面盐酸还能与孔隙或裂隙中的岩屑和泥浆等污染物反应，疏通空隙流道，恢复含水层的原始渗透能力。实践中一般注酸井段方案为：①当为了提高出水量，在没有强漏井段时，可采用一次全部含水层井段充满酸液；②当为了提高出水量，在有强漏井段时，可采用分段对全部含水层充满酸液；③当出水量已达到满意要求，想要提高温度，采用深部高温含水层井段充满酸液。为了提高洗井效果，盐酸洗井一般与液态二氧化碳洗井、压缩空气洗井联合使用；对于非碳酸岩盐(如砂岩、砾岩、火山岩等)含水层，可采用土酸(盐酸、氢氟酸(7：3))洗井，氢氟酸能有效溶解石英、硅酸岩类，盐酸能溶解岩石中的方解石脉及碳酸岩盐胶结物，其机理与盐酸洗井相似。五）、多磷酸盐洗井多磷酸盐洗井的原理就是泥浆中的钙(Ca2+)镁(Mg2+)离子与多磷酸钠盐发生络合作用，形成水性络离子，破坏泥皮的固体结构成为液体泥浆状态，使井壁的泥皮得以清除。生产中常用的多磷酸盐有焦磷酸钠(Na4P4O7)、六偏磷酸钠(Na(PO2)6)和三聚磷酸钠(Na5P3O10)。洗井液的配制浓度一般不小于1％，钻进周期长、泥浆密度大及固相含量高时，应选用较高浓度的洗井液。洗井液注入一般从井底上返置换取水井段中的浆液。洗井液一般在井中浸泡24小时。24小时后应进行喷射洗井，返出的洗井液要再用泥浆泵打回井中，反复喷射三遍以上，最后从井底用清水置换全部药液，直至井口返液基本不合砂、岩屑为止。多磷酸盐洗井结束后应进行压缩空气洗井。六）、液态二氧化碳洗井对于几千米深的地热井，液态二氧化碳不能凭借自身的液压(7MPa)自动压进深部井中，需要配合泥浆泵的高压水流同步携带液态二氧化碳。液态二氧化碳在注入井中的过程中，形成的高压混合流对井壁泥皮和孔隙裂隙中的堵塞物有冲刷扰动作用，井喷后液态二氧化碳瞬间气化，将携带的泥浆、岩屑(块)等污染物喷出井口，疏通了孔隙裂隙的通道。同时井内形成负压，含水层内的水快速流入井中，将通道中的堵塞物冲刷干净。地热井液态二氧化碳注入后需要空气压缩机气举引喷。目前，随着空气压缩机能力的提高，地热井一般用压缩空气洗井替代液态二氧化碳洗井，工艺简单，成本低、效率高。七）、活塞洗井活塞洗井在地热井洗井中应用较少。由于地热井深度大，一般认为活塞引起的井水振荡作用对深部含水层的影响能力较弱。活塞洗井主要应用于地层富水性较差的地热井，十余眼地热井活塞洗井的经验表明，水量一般能增加20％～30％。受钻机设备的提升能力限制，活塞洗井主要实施在“一开”井段(北京300m±)，活塞最深下到过“二开”井段深度1000m。活塞与钻杆连接，行程受钻机高度限制，一般20m左右。为了增加活塞的行程，提高振荡幅度，个别地热井活塞与钢丝绳连接，但改装工艺较复杂，钻机负荷和磨损很大。地热井单次活塞洗井一般持续2～3天，钻机刹车片太热时要停待降温或更换，因活塞磨损严重要及时更换胶皮。活塞洗井对井壁坚固程度较差的岩石(如砾岩、薄互层岩层)有一定的破坏作用，裸眼过滤器完井造成井壁掉块堵塞井孔，一般不会造成井壁岩层的坍塌。活塞洗井后可进行压缩空气洗井或水泵抽水洗井检验洗井效果。八）、压水洗井压水洗井在地热井洗井中的应用较成功的案例很少。其机理是密封井口(或分隔器密封)，用泥浆泵及钻杆向含水层高压注入清水，水流冲动裂隙中的堵塞物，同时对裂隙和岩石有一定的破裂作用。例如北京地区某地热井，在应用多种常规洗井方法反复洗井几个月效果不明显情况下，最后采用压水洗井方法进行洗井，在压水过程中，发现压力突然降低，连续注水量约500t，再配合盐酸洗井，日出水量由180t增加到600t，最终水量达到了合同要求。分析原因是漏失的泥浆和岩屑严重堵塞了裂隙通道。综合洗井地热井洗井实践中，上述各种洗井方法基本不单独使用，一项洗井工艺流程只有几种洗井方法组合在一起使用，才能形成一个完整的洗井作业程序。每个程序水泵抽水洗井结束获得准确的水量和水温结果，为制定下一个洗井程序或进入抽水试验阶段提供依据。如喷射——多磷酸盐——压缩空气——水泵联合洗井；多磷酸盐——喷射——压缩空气——水泵联合洗井；压缩空气——水泵联合洗井；酸化——液态二氧化碳——压缩空气——水泵联合洗井；酸化——压缩空气——水泵联合洗井；活塞——压缩空气——水泵联合洗井；活塞——水泵联合洗井；压水——酸化——压缩空气——水泵联合洗井等。九）、爆破洗井、增水1、梯恩梯（TNT）炸药与黑索金（RDX）炸药根据井深按一定比例均匀混合。2、雷管选用防水好的尼龙导爆管雷管。在超深地热水井中采用高能混合炸药，提高炸药的爆速、猛度，减少水深带来的炸药猛度降低，从而达到理想的爆破效果。同时，采用线型聚能装药，使装药量在受到空间限制的情况下将有限的能量集中释放，从而最大程度地发挥爆轰作用总之，该方法可以成功解决超深水下的高压防水难题，有效完成超深水井的洗井和增水爆破。二、水层改造增产工艺技术水层改造工艺技术是借助人工外力使岩层产生新的孔隙、裂缝或增加天然裂隙的规模。地热井已应用的水层改造工艺技术有压裂改造技术和射孔改造技术。一）压裂改造技术压裂改造技术就是依靠机械设备和一定的技术工艺对岩体施加强大的外力，使岩体沿一定方向产生人工裂缝。岩体经过压裂改造，致密岩体产生了新生裂缝，原有裂缝增加了规模，提高了含水层的裂隙率(孔隙度)和渗透率，有助于提高地热井的产水量。据美国洛斯阿拉莫斯国家实验EE-3号井水力压裂试验资料，压裂井段3474～3584m，注入压力41MPa，注入水量75903m3，岩体产生破裂南北700m，东西120m，深度方向500m。由于压裂改造技术工艺技术复杂，实施成本昂贵，同时一般地热井的成井工艺难以达到压裂工艺要求，目前在地热井高压压裂方面应用很少。即使有些地热井实施了该项技术，但由于工艺简化、压力较低，增产效果不大。地热井压裂改造技术常与酸化洗井联合使用——酸化压裂。压裂改造技术对油层改造的成功经验表明，该项技术对地热井方面的应用将会越来越好。二）射孔改造技术射孔改造技术作为石油钻井的一项主要完井手段，已得到广泛的普及和应用。近年来，射孔改造技术已引进应用到地热钻井领域。地热井应用射孔技术基本选择在非设计目的层的技术套管井段。当设计含水层水量难以达到要求时，一般选择对地热井浅部技术套管井段的含水层射孔补水。地热井射孔技术与油井相同，在地层条件相同条件下，射孔效果取决于射孔密度、孔径及射孔器的穿深能力。大部分地热井在经一次或几次射孔补水后出水量都有较大的提高，达到了设计或合同的要求。射孔改造技术在水泥污染方面也得到了非常成功的应用。北京某地热井，井深3349m，含水层岩性为灰岩和白云岩，裸眼过滤器完井，取水2383～3349m。洗井过程中发270m处套管重叠段水泥封固失效且出少量黑水。实施水泥“戴帽”封固过程中，分隔塞不慎失效，水泥浆(1.90