洗井作业
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物探测试、下管、固井作业结束后(或大口径填砾止水)就应立即开展洗井工作,这一环节在地热井成井中尤为重要。常用的洗井方法有机械洗井和化学洗井。机械洗井方法主要有活塞洗井法、高压喷射洗井法、气举法、水力震荡法、气水混合洗井法和潜水泵洗井法。化学洗井方法主要有盐酸洗井法、二氧化碳洗井法、多磷酸盐洗井法和氢氟酸洗井法。
(一)机械洗井法
1.活塞洗井法
活塞洗井法是在水文水井中常用的一种方法。活塞常用小径抽筒制作,下入深度一般为300～600m(视井身结构和储层情况调整),一般用0.65～1.5m/s速度上下提拉,促使井内产生瞬时真空和形成水力冲击,将孔壁泥皮、环空中的泥饼破坏并将含水层中的细小颗粒携入井中,从而疏通含水通道使井达到正常的出水量的目的。这种方法因操作简单,成本低,有一定的效果,一般在较浅的水井中应用。活塞洗井的不利之处在于因巨大的抽吸力会把地层中的细小颗粒大量引向井的四周,以致引起严重的涌砂或堵塞井壁进水通道,甚至损伤井管等。
在地热井洗井作业中一般很少采用活塞洗井,因地热井较深,钻机设备无捞砂滚筒,钻机提升系统多为8～10股钢丝绳,提升速度慢,很难在储层中形成压力激动。
2.高压喷射洗井
高压喷射法是最有效的洗井方法之一,国内外普遍采用这种方法。它能够使过滤器得到全部有效的吹洗,射流扰动附近含水层,造成一定的压力波动,能得到很好的效果,是地热钻井洗井工艺中必不可少的工艺措施。但高压喷射的喷嘴应为近似钻头喷嘴,优化喷射流型,以提高射流的喷射速度,提高洗井效率。
3.气举洗井法
气举洗井法是地热井施工中常用的一种洗井方法,一般采用7m3/min或9m3/min的空压机,通过下入井内300～600m深的风管向井内压入压缩气体,压缩空气与水混合形成密度较小的气水混合液喷出,造成井管内外的压力差,井底压力剧烈激荡,冲击破坏井壁泥皮,诱导地层水涌入井内,携带岩屑颗粒连续悬浮,同时可将孔底沉淀物排出地面,从而达到洗井的目的。
气举洗井法对粉细砂含水层或者含水层颗粒级配虽粗,但内含大量细颗粒及粉细砂夹层,洗井效果明显。关键一点是风管下入深度非常重要,风管如果下的过深,对地层形成过大的压差,极易造成地层砂的紊乱,过滤器外部的钻井液、泥饼等有害物质被地层砂挤牢而无法洗出,增加洗井难度和时间,天津塘沽地热井洗井时就曾经发生过类似情况。建议采取渐进、疏导式洗井。
4.水力振荡洗井解堵技术
该工艺是把水力振荡器对准目的层,在地面将液体泵入井内并通过水力振荡器产生高频水力脉冲波。水力脉冲波可在流体内建立起振动场,以强烈的交变压力用于目的层,在目的层内产生周期性的张应力和压应力。对岩石孔隙介质产生剪切作用,使岩石孔隙表面的粘土胶结物被振动脱落,解除孔眼的堵塞。对堵塞于近井地层孔隙中的杂质,在脉冲振荡波的作用下,杂质与孔隙间的结合力将在疲劳应力下遭到破坏,使其振荡脱落,并在洗井时被排出,解除目的层杂质堵塞,恢复近井带地层渗透率,达到水井正常产水量或回灌量的目的。
国内常用的赫姆霍尔兹(Helmholtz)腔形水力振荡器在油田广泛应用。同时得到启发,使用这项工艺将有助于在将来回灌井施工过程中采用这项新技术解决地层的堵塞问题。
通过近年来工作实践,分析、对比各种洗井方法的实际效果,并进行筛选使其得到优化和规范。如天津地区新近系馆陶组地热井主要洗井步骤如下:
1)首先用清水将井内泥浆置换干净;
2)打入10～15m3浓度为1%的三聚磷酸钠浸泡过滤器部位24小时(对该溶液按1%,1.5%、2%浓度进行溶解试验,结果1%浓度效果最好);
3)下入高压喷射喷头,高压冲洗过滤器部位并产生振荡和压力波动达到破坏过滤器部位的堵塞物或泥饼等吸附杂质,达到清洗的目的;
4)按照空压机洗井程序,先下入钻杆450m,用气举产生负压的方法,诱导地下热储层水进入井内排出井外而达到洗井的目的。然后下入钻杆600～700m依次气举洗井,待水清砂净后,洗井工作结束。
(二)化学洗井法
1)盐酸洗井原理是盐酸与含水层(段)孔(裂)隙内及井内的碳酸岩屑、岩块、含钙质成分的其他杂质发生反应,生成可溶性盐类、气体或其他可溶于水的物质,从而疏通渗水通道。
2)二氧化碳洗井是将二氧化碳液体送入井中,化学反应原理除和盐酸洗井法相同外,还有物理作用,由于压力降低及其增温后迅速气化膨胀,在短时间内其体积增大数十倍至数百倍,这时二氧化碳以强大的高压气流喷出井口,使井产生强大的内向激流和外向激流(前者发生之后的瞬间),使堵塞于孔(裂)隙中的物质在外向激流的作用下随二氧化碳气流冲出,被携带出地表。
3)多磷酸盐洗井法常用的试剂有:六偏磷酸钠[(NaPO3)6]、三聚磷酸钠[Na5P3O10](又称五钠)、焦磷酸钠(Na4P3O7)(又称四焦磷酸钠)和磷酸三钠(Na3PO4)等。多磷酸盐是配合物的一种,多磷酸根阴离子配合泥浆中的Ca2+,Mg2+,使其转化成惰性离子不再与别的离子化合沉淀,本身亦不会聚结沉淀,因而它可破坏泥浆中的网状结构,降低表面张力,加速井壁泥皮活化,使其呈分散和悬浮状态。
4)氢氟酸(土酸)洗井法是利用氢氟酸与孔(裂)隙中的硅质岩屑发生反应,生成可溶性盐类物质及气体,从而达到解除孔(裂)隙堵塞、扩大渗水空间的目的。
总之,化学洗井法是应用化学成分同冲洗液中的成分进行化学反应(也包括综合反应),以达到破坏钻井施工中形成的假孔壁及孔壁外的泥浆,使泥皮与泥浆脱离井管及含水层。有利于在洗井中排出井外。优点是选用易溶于水的化学试剂物质成分,与孔壁及泥浆反应均匀,可使整个受侵害的含水层段都被清洗。它了钻探中冲洗液的*,无论什么样的冲洗液,只要选用相应的化学试剂都可以达到破坏的目的,这样有利于复杂水文地质条件下钻孔的施工。同时,化学试剂洗井不破坏含水层的原始结构,能保持含水岩层原始的渗透系数。但化学试剂洗井的不足之处是洗井前需做试验,试剂投放困难以及成本较高。
(三)联合洗井法
为了做好洗井改进工作,在成井工艺上应采取一些技术措施。首先在钻进过程中改进钻井液性能,减少对热储层的渗入和堵塞伤害;然后在下管前采取通井破壁措施,人为去除滤管与储层之间的泥皮;在洗井之前,需用清水将井内钻井液替换干净,以降低对地层造成的压差;最后采用联合洗井方法。联合洗井方法有两种方式。方式一是用两种或两种以上不同的机械洗井法组合,同时或先后相互配合,彼此可以扬长补短,从而克服某个单独洗井方法的不足,明显提高洗井工作效果。如孔隙型较浅的地热井(小于1000m)一般采用拉活塞和气举洗井法;较深的地热井(1000～2000m)一般采用高压喷射和气举法洗井。如岩溶裂隙型地热井一般采用气举法洗井,必要时再采用盐酸或二氧化碳洗井法。方式二是用化学试剂洗井与机械洗井结合,化学试剂首先破坏井壁及泥皮,再用气举等机械方式冲洗,这是目前洗井中较好的方法。
地热井一般比较深,井径小,过滤管相对较长,洗井时激动压力影响到储层时衰减较大,如果洗井方式或洗井强度没有增大、变化,会造成部分过滤通道没有完全打开。这时抽水虽然达到水清砂净,但是一种假象,其表现在降深大,水温低,水位恢复慢,单位涌水量偏小。确定洗井是否彻底,应与周围同层地热井水温、水量、水位动态情况进行比较,上下浮动范围很小即可,且没有持续上升或下降趋势(供水水文地质勘查规范,2001)。
