[摘 要]河北省陽原縣三馬坊地區地熱資源條件優越,該地區多年來施工溫泉井較多,但成功者無幾,即使成井亦無法實現井口關閉,造成資源浪費。工程實踐中通過分析以往成井存在的問題,采用了三開成井的施工工藝。通過準確把握一開深度,將<273mm表層套管下入至高壓熱儲層上部的穩定隔水段后水泥封固,經試壓檢驗確保管外封閉牢固;二開通過加大泥漿比重力求平衡鉆進,鉆進后期以涌水限量為依據準確把握時機搶下<219mm技術套管;三開以安全鉆進為前提,以涌出顆粒大小為依據,采用清水鉆進適時完井,從而實現增產。最終本井順利完工,井口安全關閉。

 

  [關鍵詞]三馬坊 地熱資源 溫泉井 成井工藝。

 

  1 前言。

 

  河北省陽原縣三馬坊地區地熱資源條件優越,鉆深200m左右時水溫即可達40e左右。該泉水中含有人體所需的微量元素,對健身祛病有特殊療效。

 

  陽原泥河灣被譽為/人類的東方故鄉0,在泥河灣文化旅游大產業背景下,開發本區地熱資源,發展洗浴、種植、養殖產業具有廣闊的前景,這將更加有利于帶動地區經濟發展。

 

  由于成井工藝缺陷,該區以往成井自流不可關閉,資源浪費極大。90年代閉井壓力為+60m(高于地面)左右(陽原J007井?, 1991),到目前壓力降至+30m左右(陽原ZK1井?, 2009),下降速率達1. 5m /a。為此地方政府委托河北省地調院對該區進行全面的資源調查及規劃,并在此基礎上由我隊施工完成ZK1探采井,要求創新成井工藝,實現井口可開可閉,為后期資源合理開發提供技術支持。

 

  2 地質概況。

 

  2. 1 地質構造。

 

  陽原縣三馬坊地熱田位于馬市口-松枝口大斷裂和桑干河斷裂交匯處的西北側,屬四級構造單元天鎮臺穹內。根據地質分析,馬市口-松枝口大斷裂具有繼承性活動,斷層北端為實測,斷層面向北東傾,屬正斷層,其它部位被第四系沉積物覆蓋(圖1),根據多波段衛星像片資料判釋和推測(河北省地礦局, 1989),桑干河斷裂走向北東,屬祁呂系桑干河壓性斷裂帶,控制著陽原盆地的生成與發展,具有南側上升北側下降的活動特征,挽近顯張性,上覆第四系厚度一般在100~300m。

 

  2. 2 地層特征及水文地質條件。

 

  根據ZK1取心結果,施工地第四紀地層為:

 

  0~6m為粉質粘土;6~48m為砂卵礫石,局部夾泥礫石,為河流相沉積;1 Simplified structure map of Sanmafang area1 -大斷裂; 2 -一般斷裂及推測斷裂; 3 -斷陷盆地; 4 -溫泉井及編號; 5 -河流; F1 -馬市口-松枝口大斷裂; F21 -桑干河斷裂; F22 -蔚縣-延慶斷裂; F23 -下花園斷裂1 -major faul;t 2 -general faul,t observed and inferred; 3 -faulted-depression basin; 4 -hot-springwell and number; 5 -river; F1-Mashikou -Songzhikou faul;t F21 -Sangganhe faul;t F22 -Yucounty-Yanqing faul;t F23 -Xiahuayuan fault48~149m為淺灰綠色為主,局部淺棕色粉質粘土與淤泥質粘土互層,為典型的/泥河灣組0。149m以下為泥礫石、角礫石層,其成分主要為燧石塊、燧石條帶白云巖類以及經變質重結晶的燧石角礫巖類,一般碎塊大小25~60mm左右,大者達100@90@50mm,孔隙較大,可視為裂隙狀。角礫巖底界未揭穿,根據地震勘探,井位處底界埋深大于200m,基底為太古界片麻巖。該層為高壓承壓水,水溫40e左右,是本區利用熱儲,該區所成溫泉井均是在揭露本層自流后終孔,單井自流量均在100m3/h以上。

 

  在桑干河斷裂的控制下,于北西向的馬市口-松枝口大斷裂交匯處的長城系燧石條帶白云巖內裂隙發育、巖石破碎,形成熱水上涌通道(魏洪章,2006)。西北部山區接受的大氣降水沿斷裂破碎帶緩慢深循環加熱,溢出基巖后賦存于第四系泥河灣期砂礫石層及斷裂接觸帶的角礫巖堆積物中。由于上部隔水覆蓋層厚度大,封閉了基巖熱水的上移,形成了高承壓水,承壓水頭可達數十米。上部隔水層底板一旦揭穿,井水自流不可控,可將井底直徑100mm的角礫沖出井外。

 

  3 以往成井工藝分析。

 

  3. 1 以往成井情況。

 

  該區現有4眼溫泉自流井,總涌水量在500m3/h左右。由于成井工藝不完善,井口無法關閉。

 

  施工區有廢棄井3眼(J007井、J008井、J010井),雖不能合理使用,但仍具有一定的自流量。當時, J008井鉆進出現大量涌水時方下管,下管不到百米,水流沖蝕井口坍塌使鉆機沉陷形成直徑43m的水坑。J007井成井自流幾年后關閉井口時,水從管外急速流出,將管周圍泥砂沖出,瞬時井口成坑而被廢棄。目前成坑的廢棄井成為當地的安全隱患。

 

  3. 2 以往成井工藝分析。

 

  根據筆者調查,以往井施工的基本程序為:當鉆進至含水角礫石層自流時,再將井壁管下入(多數采用鑄鐵管),管外投入大徑骨料固定,上部采用粘土球封填至井口。這種施工方法主要存在以下問題:

 

  (1)外部大徑骨料封填,形成下部承壓水在管外環隙中流動的過水通道。一旦閉井,底部承壓水便會順管外流出,涌水沖蝕圍填粘土及上部25m處砂卵礫石層,造成井周圍垮塌(J007井因此損壞)。

 

  (2)施工風險較大。鉆進至底部角礫石層必然發生井涌,且涌水量會逐漸增大而不可控。在涌水狀態下特別是瞬時涌水增大時水流沖出大量地層角礫,極易造成施工事故;同時涌水沖蝕上部地層,容易沖蝕井壁坍塌。

 

  (3)以往施工只下一級套管,只能形成井底進水通道,單井涌水量受限,且流量有降低之勢。

 

  (4)采用該種井結構,水井一旦毀壞,井口不能封閉,井周圍必然被沖蝕塌方形成水坑。

 

  4 改進后的成井施工實踐。

 

  4. 1 施工設計。

 

  4. 1. 1 成井結構設計。

 

  總結以往該區成井經驗和失敗教訓,亦參考類同地質特征條件下一些兄弟單位施工經驗,采用三級孔徑成井(常璐, 1987;張曉延等, 2004;王偉,2008)、表套水泥封固(高振東, 2003)、井口三通控制(林化嶺, 1984)的井身結構。

 

  該井結構的可行性在于:采用水泥將上部表套管與地層固結,保證安全關閉井口且管外密封不涌水;上部井管護壁,在底部承壓層鉆進更安全;井一旦報廢井口穩定不塌陷成坑。

 

  4. 1. 2 施工工序設計。

 

  施工工藝流程:小徑取心至角礫層y測井y<380mm擴孔(確定表套管下入位置)y下入<273mm表套管固井y候凝、井口處理y試壓y調整泥漿y二開<245mm全面鉆進y搶下入<219mm技術管(底部開窗)y采用<152mm鉆頭清水三開完井。

 

  施工關鍵技術:一開套管下入位置是關鍵,保證在揭穿熱儲前將表層套管下入并固井,同時要試壓檢驗;二開必須調整泥漿性能(常永生, 2000;秦沛等, 2005;魏文忠等, 2006),在施工現有條件下力求平衡鉆進,同時適時觀察井口涌水變化掌握適當時機搶下技術套管;根據涌水大小合理控制三開進尺,保證安全完井。

 

  4. 2 施工實踐及主要技術措施。

 

  4. 2. 1 表套管的下入及封固。

 

  表層套管的安全下入及有效封固是成井的關鍵,該工序的主要目的是封固上部地層,為后續施工做準備。

 

  我們在下入表套管之前進行了鉆探取心,小徑揭露出含水角礫層頂界(149m)后停鉆,通過巖性對比,在含水層上部選擇座管地層在145m~149m段,該段為穩定完整的粘土層,致密結構。然后采用<380mm鉆頭擴孔至145m下管。

 

  井管安全到位后進行了全井段水泥固井,候凝期間完成井口法蘭焊接工作。3天后鉆穿水泥塞試壓達到2MPa不降,可以確定固井合格,從而可保證成井后期安全封閉井口。

 

  4. 2. 2 二開鉆進及下管。

 

  在地層與井眼之間的壓力系統中,有地層壓力Pp,同時井內鉆井液柱對地層有井底壓力Pb(謝南屏,1997)。二開鉆進如果Pp增大時,就會出現涌水破壞泥漿體系,當Pp>>Pb時,甚至出現井壁坍塌以致無法下管成井。因此須在鉆進中控制泥漿比重,力求實現平衡鉆進,保證安全施工。

 

  (1)井壁平衡計算。

 

  相關井壁平衡的計算如下:

 

  Pp=Pd+9.81QmH (1)Qml=Pp/(9.81H) (2)式中:

 

  Pp-地層壓力;2010年Pd-閉井井口壓力;Qml-井筒中液體密度;H-井深(m),按150m計;Qml-平衡地層所需鉆井液密度,經計算泥漿比重至少達到1. 25方可達到平衡鉆進。

 

  現場采用了重晶石粉及纖維素加重泥漿比重(黃伯皋, 1994;鄢捷年, 2001)實現平衡鉆進。

 

  (2)下管時機確定。

 

  依據現場條件,井內涌水狀態下確保泥漿比重達到1. 25以上是很困難的。普通水井裝備沒有井控設備。施工現場只能利用現有條件增大泥漿比重,減少涌水量,在安全涌水量內將井管下入到位。

 

  因此掌握下管時機是二開施工的關鍵。

 

  下管時機的確定:可以使地層在二開鉆進時具有一定的涌水量,只要涌水攜帶出的角礫、巖屑不致引起坍塌,保證開窗濾水管進入主要涌水段即可。

 

  顯然決定上述施工隱患的即為井內自涌量大小。涌水層內巖性為斷層角礫巖碎塊,鉆進中形成的井壁是由大小級配的角礫石/堆砌0而成,其中要保證井壁穩定實際是保證/堆砌體0的骨架顆粒不發生位移。骨架顆粒在井底的受力是十分復雜的,可以進行簡易判定:以井內涌水量不足以攜帶出骨架顆粒的流速為涌水控制限量。涌水量增大時,水流攜帶的顆粒增大增多,井壁容易失穩。由此可見,涌水限量的確定是二開下管的關鍵。根據式(3)靜止液體中巖屑顆粒下沉速度及式(4)計算如下(王世光等,1987):

 

  v =K#[d1(Q1-Q) /Q]0.5(3)式中:

 

  v-巖屑顆粒在液體中的下沉速度(m /s);K-顆粒的形狀系數,球形取5.11,不規則形取2.5~4,由于多數顆粒呈不規則狀,按3.5~4計取;d1-巖屑顆粒直徑(骨架顆粒粒徑),根據地層結構,以大于0. 01m的顆粒為骨架顆粒;式中:

 

  Q1-巖屑密度(為2650kg /m3);Q-液體密度(比重以1.05計)。

 

  Q =v#S (4)式中:

 

  Q-井內涌水限量;S-過水截面積。

 

  經計算0. 01m的最小骨架顆粒在靜水中的下沉速度為0. 43m /s,即當涌水流速大于此限量時骨架顆粒即開始被水攜帶上涌。由(4)式計算,當井內穩定涌水量達到73m3/h時必須停鉆下管。

 

  (3)井管設置二開技術管是在鉆進涌水達到下管限量時及時搶下,因此井管須達到安全護壁、下入快捷可靠的要求。目的層的斷層角礫碎塊個體粒徑較大,因此現場采用條縫式濾水管,條縫孔隙率控制在16%左右,縫口寬度控制以可阻擋地層骨架顆粒為宜,選擇縫寬為10?2mm。同時保證表套管(<273mm)與技術套管(<219mm)重疊不小于10m,重疊段橡膠止水封閉。

 

  二開技術管由井壁管和條縫濾水管組成,整體長度18m焊接下入。由于技術管重量較輕,采用反絲接頭連接不易脫扣,借鑒兄弟單位的施工經驗(劉文新等, 2008)應用掛管結構完成二開套管的下入。

 

  (4)施工過程。

 

  二開配置泥漿(比重1. 10,粘度38s)掃水泥塞鉆進至150m時便有涌水現象,提鉆測閉井壓力為0.1MPa,自流涌水3m3/h左右。增大泥漿比重重新調整泥漿性能(比重為1. 30、粘度42s)進行循環。

 

  由于現場條件,泥漿循環后比重只能達到1. 15,基本可以平衡鉆進。當鉆進至153. 25m時自流量增大,現場通過簡易方法(楊德壽等, 2007)測定涌水量可達到84m3/h,已超出流速限量。此時已無法再平衡鉆進,現場立即提鉆搶下井管,在2h內井管順利到位。

 

  4. 2. 3 三開增產鉆進。

 

  二開順利下入技術管后流量不足100m3/h,為滿足地方使用要求,施工中采用<152mm牙輪鉆頭三開鉆進增產。三開鉆進可以使涌水層中的/堆砌體0重新分選,將小顆粒的礫石及泥砂排除,將大顆粒角礫進一步磨圓,形成一個井底反濾層而增大涌水量。但三開在破碎帶鉆進亦存在較高風險。

 

  由前所述,涌水增大帶動地層角礫上涌,在二開下管完畢后,從井中沖出大量的角礫石及巖屑即驗證了該現象。根據鉆頭、鉆鋌與上部井管的級配,形成的間隙最大不足84mm,因此控制上返角礫顆粒大小不能超過80mm是三開安全鉆進的關鍵。

 

  實際鉆進至154. 25m時涌水量增大至150m3/h,當時涌水攜帶的角礫明顯增大,大者顆粒大小接近70mm。將鉆頭提離孔底10m穩定30min后再次下鉆探井底,鉆頭已無法下入。再行鉆進憋跳鉆劇烈,向下鉆進難度明顯增大。此時水量未減,可以判斷井底反濾層已形成,具備終孔條件。將鉆具全部提出,井內涌水量再次增大。

 

  4. 3 成井效果。

 

  三開提鉆后涌水渾濁,水中攜帶出大量的碎石塊,均呈棱角狀。6h以后涌水漸清,自流24h后變清澈,未見大顆粒角礫,一般攜帶10mm以下的巖屑及細礫, 48h后水清砂凈,水流穩定在290m3/h。

 

  水清砂凈后安裝井口裝置,按照設計進行了放水試驗,最終安全封閉井口,測得閉井壓力為0. 33MPa。

 

  5 結論。

 

  ZK1井的施工工藝克服了該區高壓自流熱儲條件下成井難題,同時實現了井口的有效關閉,可見采用二開及三開的成井結構是可行的。由此可以總結三馬坊地區溫泉井的成井要點:

 

  (1)根據該區的地質條件,成井時必須在揭穿高壓層之前將表套管下入,利用水泥將管外封固,同時及時完成井口處理(井口法蘭焊接等工作);經試壓檢驗固井合格后才能進行二開,由此保證關閉井口時管外密封牢固。

 

  (2)二開必須保證技術套管安全、快速下入至斷層角礫巖內。鉆進時要合理控制泥漿比重,力求平衡鉆進;當平衡鉆進難以維持時,需以涌水限量(宜為70 m3/h)為指標把握下管時機,及時搶下技術套管;技術管底部應開窗,保證進水面積,設置便捷的掛管結構使井管快速脫開也是成井的關鍵。

 

  (3)三開的目的是增產,鉆進必須保證施工安全。施工時要充分考慮井管與鉆具的級配間隙,以涌出碎石顆粒大小不至卡鉆為依據判斷鉆進的安全性,同時要合理控制進尺、勤提鉆,確保安全完井。