地热井固结保温缺陷补救技术的探讨

赵华宣，王玉军，陈 浩

（贵州省地矿局114地质大队，贵州遵义563000）

地热井固结保温缺陷补救技术的探讨

赵华宣*，王玉军，陈 浩

（贵州省地矿局114地质大队，贵州遵义563000）

固结保温是地热钻井施工中的重要工艺，是在热储目的层以上井段植入井管和进行水泥固结，以封隔低温井段及防止低温水入井。在地热井的水泥固结保温施工过程中，常出现固结缺陷致尾管上部的低温水入井而影响地热资源参数录取的准确和地热井的使用，需对固结缺陷采取补救技术以彻底封隔阻止低温水入井，确保成井质量。通过施工实践，对此固结缺陷的补救技术进行了探讨，以期为类似工程参考。

固结保温；固结缺陷；低温水入井；补救技术

1 概述

贵州省地热地质条件及构造普遍复杂，大多数井段同时存在裂隙溶蚀发育的漏失井段及欠—不稳定地层，在水泥固结作业中，难免出现因漏失井段漏浆，形成尾管上部漏失井段未完全固结的固结缺陷，洗井、抽水试验时尾管上部的低温水入井导致抽水资料不准，影响了地热资源评价参数的准确和地热井的使用，需对入井的低温水进行有效封隔以保证资料获取的准确性和成井质量。

2 固结缺陷形成的原因及危害

2.1 固结缺陷形成的原因

固结缺陷导致低温水入井多发生在热储目的层以上的二开或三开井段尾管上部，且多发生在裂隙溶蚀发育、钻井中发生漏失的井段，主要是因水泥固结施工中对漏失井段估计不足、水泥量的计算上出现偏差，在水泥固结作业中，水泥浆经过漏失井段时因水泥浆的密度远大于堵漏后的钻井液密度而压漏原堵漏的漏失层，产生水泥浆漏失，导致漏失段未能全部固结；或因地质及其他方的要求对有一定温度的含水层暂时保留而未进行水泥固结。

2.2 固结缺陷的危害

固结缺陷使低温含水段未完全固结封隔，在钻进结束后的洗井、抽水试验，井内液面下降产生负压时，低温含水段的承压裂隙水顶开漏失通道进入井内，使得抽水试验时水温降低、水量增大，影响目的层的地热资源资料的准确性，甚至于使地热井达不到开发利用的目的。

3 固结缺陷的补救技术措施

从固结缺陷形成的原因分析，固结缺陷多发生二开或三开井段尾管上部，并在钻井结束后的洗井、抽水工作中，低温承压裂隙水顶开漏失通道进入井内，影响目的层的地热资源资料的准确性，甚至于使地热井无开发利用价值。为此需采取有效措施封隔该低温水入井段，以确保获取资料的准确性和成井质量。通常采用下管对接+水泥固结和管口球密封+水泥固结二类固结封隔止水措施。

3.1 下管对接+水泥固结封隔止水

下管+水泥固结封隔止水：在低温水入井处上部重新植入一段井管，井管插入原井管的上部导向喇叭短节内，在插入段加缠止浆物防浆入井，管接至井口，在井口从管间间隙压入水泥浆至涌（渗）水段并稳压待凝，水泥凝固后封隔涌水通道及上部管道缝隙而永久封隔固结缺陷段及上部井管间隙，达到固结保温的目的。如贵州省某地热井一开管上部固结保温缺陷补救技术措施：

（1）地层结构：某地热井钻井深度1934.62m，地层结构为：0～270m为龙潭组、270～1041m为茅口栖霞组（遇构造增厚）灰岩、1041～1223m为梁山—马平—湄潭的欠稳定碎屑岩、1223～1934.62m为桐梓红花园组—娄山关白云岩是本井热储目的层。

（2）钻井结构见图1：

图1 贵州某地热井结构图

①地表管孔段0～3.5m，孔径Ø450mm，在见基岩后下Ø440mm普管并水泥固结；

②一开孔段3.5～275.15m，孔径Ø406mm在揭穿龙谭组煤系地层并进入茅口灰岩5.15m，下Ø339.7mm石油套管并水泥固结封隔龙谭组煤系地层；

③二开孔段275.15～850m，孔径Ø311mm，371～375m段遇富水的裂隙（泥浆严重漏失、采用投水泥球堵漏、下部钻进未见漏失），钻至850m后再下Ø244.48mm石油套管（256～850m）及水泥固结，应地质设计及建设单位要求，暂将371～375m段的裂隙水保留，而只对380～850m段进行水泥固结；

④三开孔段850～1468.07m，孔径Ø216mm（进入娄山关层43m），下Ø177.8mm石油管(出水段下筛管、其它段下盲管)；

⑤四开孔段1468.07～1934.62m，孔径Ø152mm。

（3）低温水入井情况及原因分析：在钻井结束洗井后的第一次抽水试验中，抽水6h后，水量从270m3/d增至1002m3/d，水温从37℃降至28℃。分析为二开井段上部的371～375m的裂隙水从256m的管口间隙进入井内，即在钻井结束后，采用31%的浓盐酸洗井，盐酸与上部灰岩反应产生大量气体，形成井喷产生负压及在抽水试验中水位下降形成负压，371～375m段的低温裂隙承压水顶开前堵漏物入井，使抽水试验时水量增加而水温从37℃降至28℃，达不到建设方要求，也未能了解该区域的地热资源特性。

为准确了解该井及其区域的地热资源特性，采用临时止水及试抽水试验，在临时止水后，水温从25℃上升44℃，但需要时间长（52h）。分析为上部低温水包裹钻杆（扬水管），下部温度较高的水在该段降温致钻杆周边水温逐渐上升，导致出口水温上升较慢，为更准确获取下部地热资源相关资料和确保成井质量，采取下管结接+水泥固结的永久性封隔措施。

（4）下管结接+水泥固结封隔措施：由于该入井低温水为承压水且水量大，采用简便又较低费用的管口架桥封隔+水泥固结的封隔措施风险大，压入管井间隙的水泥浆易稀释而降低质量且256m以下孔段水泥浆固结深度难以确定，封隔止水保温质量不能得到保障，甚至失败。为此采用下管对接+水泥浆固结的永久性封隔措施。

图2 下管对接+水泥固结止水

下管对接+水泥固结封隔止水结构（如图2所示），在上部管（Ø244.48mm）底部插入焊接一节长600mm的Ø219mm管（外露300mm），并在Ø244.48mm管底焊一托盘，外露管外套2层厚10mm胶皮及下部缠麻绳，下至下部Ø244.48mm顶端，座入导向口内，通过胶皮和麻绳将该处密封防止压水泥浆时，水泥浆进入井内；在井口用钢板将Ø244.48mm管与Ø339.7mm管焊接封闭并焊好注浆管，通过注浆管压入水泥浆16.5m3，注浆压力4～6MPa，封闭固结孔段0～370m。

（5）封隔保温止水效果：下管水泥固5d后，进行为期50h的抽水试验，水温从25℃上升44℃只用2.5h。最终流量450m3/d、水温46℃，达到了封隔保温的目的。

（6）技术措施及适用条件：

①该方法在低温水入井管口距井口深度较浅时适用，且效果易保证，对于管口距井口深度较大时，井管费用高，固结封隔止水保温费用大；

②下管对接+水泥固结需接管至井口，其管径必须满足后续工作（下钻通井、抽水试验泵径等）的要求，即只能适用于管径不小于Ø244.48mm的井管；

③该方法在下管对接座封后应作对接处临时止水（浆）效果试验，以确保对接处的密封完好有效，以防水泥浆从该处入井且下行进入目的层而造成堵塞来水通道；

④从井口管间隙压入水泥浆，因间隙通道较小，入浆压力较大，应做好安全防护措施；

⑤注浆量要有余量，一搬应在理论容积的110%以上，确保水泥浆能完全固结来水段的以上段；

⑥注浆结束后应憋压候凝。

3.2 管口球密封+水泥固结封隔止水

管口球密封+水泥固结封隔止水：在需封隔井管管口投密封球封闭井管，在密封球上部2～3m压水泥浆进入管井间隙及低温含水层，水泥凝固后封隔涌水通道及上部管道而永久封隔固结缺陷段及上部井管间隙，实现固结保温的目的。如贵州省某地热井的二开管上部固结保温缺陷补救技术措施：

（1）二开井段地层结构：贵州省某地热井井的二开井段（851.81～2014.74m）下管水泥固结，该井二开井段井径216mm，地层结构：851.81～1193.34m为茅口栖霞灰岩、1193.34～1228.77m为梁山组的泥页岩含煤、1228.77～1458.29m为马坪黄龙组的白云岩/灰岩、1458.29～1673.05m为摆佐的白云岩、1673.05～1919.27m为大塘组的泥页岩、1919.27～2001.44m为岩关组的泥页岩、2001.44～2014.74m为尧梭组的白云岩夹页岩。

（2）钻井情况：该井层钻遇地层多、岩性复杂，采用泥浆正循环牙轮钻进，851.81～1193.34m段的灰岩间民裂隙发育（漏失量20～30L/min，用高粘堵漏剂堵漏，下部钻进未再发现漏失）；1193.34～1228.77m段的梁山组泥页岩含煤和1673.05～2001.44m段的泥页岩，缩径、垮塌现象较严重（引发一次严重的井内事故），在钻至2014.74m后进行了冲孔排碴及后续的测井工作。

（3）下管水泥固结情况：

①下管前的准备工作：由于该井段在钻进过程中，出现多段位的缩径、垮塌掉块，为确保下管施工的顺利，在正式下管前，连接3根Ø177.8mm的石油套管（固结用套管），用钻杆送至井内探井，下到底用原护壁泥浆循环护壁起钻、套管；

②下管顺序：导向塞（带Ø60mm中心孔）+2根Ø177.8mm管+单向逆止阀+Ø177.8mm套管窜+带喇叭口的导向短管+正反接头+Ø89mm钻杆若干+主动钻杆。

③原护壁泥浆循环中排下管时刮入井底的泥皮及护壁；

④水泥浆配制：通过计算需水泥浆16.5m3（理论容积：14.88 m3、放大1.1倍）,由商品砼公司配制，水泥浆密度1.76g/cm3，通过泵车送至现场；

⑤注水泥浆：在水泥浆车至现场后，先注入1.5m3清水作前置液，后接着泵入水泥浆，水泥注完后注入1.0m3清水作后置液后送泥浆顶替浆，预计顶浆量26m3（含后置液及管汇容积），顶浆过程中，泵压从5MPa慢升至12MPa，顶浆结束后反扣起出上部钻杆待凝（图3）。

图3 某井二开井段固结

（4）低温水入井情况及原因分析。水泥固结后的下一井段钻井施工中，未出现井管固结不良产生的异常现象，在钻至2316.5m后的洗井/抽水水位下降（至300m后）时，未固结段在裂隙承压水的作用下，顶开原钻进中的堵漏物进入井内，使抽水试验时的水温降低，不能达到目的。

原因分析：固结施工时对漏失井段估计不足、水泥量的计算上出现偏差（放大量不足），在水泥固结作业中，水泥浆经过漏失井段时因水泥浆的密度远大于堵漏后的钻井液密度而压漏原堵漏的漏失层，产生水泥浆漏失，导致漏失段未能全部固结的固结缺陷。在钻井结束后洗井/抽水水位下降时，低温水入井致水温低（30℃），需对其固结缺陷进行重新固结封隔的补救措施，由于该二开井管管口埋深大（830m），采用管口球密封+水泥固结止水措施（如图4所示）。

图4 管口球密封+水泥固结止水

（5）管口球密封+水泥固结封隔止水术措施：

①固结封隔止水技术措施：

a.向井内投一直径为Ø180mm（小于井管喇叭口内径Ø190mm、大于井管内径Ø158mm）胶球，胶球内充水泥、平均密度在1.2～1.3g/cm3,投入井内后缓慢下行至井管喇叭口处，密封下部井管，防止压入水泥浆过程中，水泥浆进入下部管内渗入目的层来水通道；

b.下入钻杆至胶球顶部，施压2t左右的重量，使胶球与井管喇叭口紧密接触封闭管口；

c.上提钻杆2～3m，注入配置好的水泥浆，水泥浆的密度大于1.75g/cm3，在满足泵入条件下，水泥浆密度尽可能大，以增加水泥浆的液柱压力；

d.水泥浆量应大于胶球以下需固结段的容积和胶球以上50m的上层井管内容积之和（本井配密度为1.78g/cm3的水泥浆6.0m3—理论容积5.62m3）；

e.送入配置好的水泥浆及顶替量（钻杆内留置水泥浆大于60m），上提钻杆120m以上封闭顶浆，使水泥浆从管井间隙顶至需固结的低温裂隙段（固结缺陷段）；

f.稳压待凝，在水泥浆终凝后约4h左右起钻，起钻过程中，向井内补浆防裂隙承压水在水泥固结体强度不高时顶坏固结体；

②注意事项：

a.如不采用井口封闭压力顶浆，即利用水泥浆大于水的密度而产生的液柱压力差，将水泥浆压力需固结井段，只能用于裂隙水承压力不大的井，且胶球上部的水泥量不得小于80m，以增加水泥浆的液柱压力；

b.对裂隙水的承压力较高的井，必须采用井口封闭压力顶浆，其顶浆压力要大于裂隙水的承压力1MPa以上，以防承压水顶破固结体；

c.若裂隙段在钻进施工时，漏失量较小，即裂缝小时，顶浆应用小泵量、高压力的设备，以避免顶浆时因裂缝渗浆量小而蹩泵等异常现象。

③封隔保温止水效果：经强压水泥固结后的加深钻井及钻至2500.16m后的洗井、抽水，未再出现管口低温水入井，达到固结保温的目的。

4 体会

贵州省地热地质条件极为复杂，水泥固结保温施工中因各类因素产生固结缺陷致低温水入井而影响地热井地热资源参数的采集和评价的现象较多，通过补救技术措施能将固结缺陷段完全封隔而达到固结保温的目的，确保了成井质量。

TK529

A

1004-5716(2015)10-0031-04

2014-11-03

项目来源：贵州省地矿局地质科研项目：贵州复杂地层地热钻井技术应用研究。

赵华宣（1968-），男（苗族），贵州思南人，高级工程师，现从事地热钻探技术工作。