211112471_关于高温高压地热井水温及水量降低的试验研究

关于高温高压地热井水温及水量降低的试验研究
田少雄,吴治南,刘仕娟
(河北省煤田地质局第二地质队(河北省干热岩研究中心),河北邢台 054001
)摘 要:地热井进入生产阶段后,井内高温流体与外界通道会逐步打开,经过高压清水洗井㊁自流涌水洗井和振荡
抽水洗井3种方法,致使含水层压力释放,水温㊁水量逐渐降低㊂本文通过试验研究了甘肃张掖已投入生
产的高温高压地热井使用情况,自流水量由287.41m 3/h 减少到150m 3
/h ,水温由76ħ降低至73ħ㊂经
过通井出砂㊁抽拉洗井㊁高压喷射洗井,井口自流水温㊁水量并没有增加㊂通过采用填砾滤水管和回灌开采方式可有效延长地热井的使用年限,实现地热开发的可持续性㊂
关键词:地热井;水温;水量;试验研究
中图分类号:P 634;P 314 文献标识码:A 文章编号:1009282X (2023)02001604
E x p e r i m e n t a l S t u d y o n t h e R e d u c t i o n o f W a t e r T e m p
e r a t u r e a n d V o l u m e i n H i g h T e m p e r a t u r e a n d H i g
h P r e s s u r e G e o t h e r m a l W e l l s T I A N S h a o x i o n g WU Z h i n a n L I U S h i j
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e r i m e n t s T h e a r t e s i a n w a t e r v o l u m e r e d u c e s
f r o m 287.41m 3
h t o 150m 3
h a n d t h e w a t e r t e m p e r a t u r e d e c r e a s e s f r o m 76ħt o 73ħ T h e r e i s n o i n c r e a s e i n t h e a r t e s i a n w a t e r t e m p
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w o r d s g e o t h e r m a l w e l l w a t e r t e m p e r a t u r e w a t e r v o l u m e e x p e r i m e n t a l s t u d y 收稿日期:20220820
作者简介:田少雄(1991-),男,工程师,主要从事钻探技术研究,E -m a i l :913659171@q q
.c o m ㊂ 通信作者:吴治南(1989-),男,工程师,硕士研究生,主要从事钻探机械研究,E -m a i l :602199014@q q
.c o m ㊂1 甘肃张掖地热井概况
甘肃张掖地热井成井时自流量突破6000m 3/d ,自流温度78ħ,承压水水头压力1.5M P a ㊂2021年
5月3日终孔,
随后进行抽放水工作㊂井身结构见表1,二开套管与上层套管重叠33.88m ,
套管下入井段为366.66~2174.03m (
含滤水管);滤水管为缠丝包网,双80目,0.5m m 间隙;在1692~1717.28m 之间
放置2组止水胶套,入井第一根套管放置1组止水
胶套㊂
表1 井身结构T a b l e 1 W e l l b o r e s t r u c t u r e
开次井段/m 井径/m m 套管/(m mˑm m )护壁段0~58.04
600.0426.00ˑ6.00一开0~400.54
346.1273.10ˑ8.89二开
400.54~2174.03
241.3
177.80ˑ8.05
2 洗井及抽水试验
2.1 洗井
根据实际情况和设计要求,本井采用高压清水洗井㊁自流涌水洗井和振荡抽水洗井3种方法联合
清洗,以达到彻底去除泥皮和疏通水道的目的[1
]㊂(1)高压清水洗井㊂2021年5月8日13时将
钻具下入井底开始高压清水洗井,用清水替换孔内钻井液,经过13h 冲洗后,
井内开始自流涌水㊂本次高压清水洗井的目的是将井内钻井液全部替出,
并初步破坏井壁上的泥饼㊂由于井内地层压力较
大,在清水洗井后地层水会直接涌出地表[
2
]㊂(2)自流涌水洗井㊂2021年5月9日2时井内
开始自流涌水,井内水质由浑浊变清澈,最终观测水
质清澈无砂㊂水温㊁水量随时间增加而增加,最终稳
定在水温76ħ,水量287.41m 3
/h
㊂(3
)抽水振荡洗井㊂为确定井内自流涌水量是否已达最大值,再次疏通井内流水通道,2021年5
月12日19时将泵量为400m 3/h ㊁扬程50m 的离心泵下入深度4.80m ,
开始进行抽水振荡洗井㊂经过3次振荡抽水后,5月16日8时20分结束,
最终水温76ħ,水量289.67m 3/h ,动水位+0.10m ㊂(4
)抽水洗井结束后,安装井口装置,并对井口压力进行观测,最终井口压力稳定在1.46M P a
㊂井口装置高1.00m ,
经数据转换后,水头高度在地面+147.00m [3]
㊂
2.2 抽水试验
由于本井自流涌水量较大,且用泵抽水与自流涌水量相差不大,故洗井工作结束后,抽水试验改为放水试验,抽水试验共进行了3个降次的稳定流放水,3个降次的稳定出水量分别为
79.835L /s ㊁53.032L /s ㊁26.639L /s
,井口出水水温依次为76.0ħ㊁75.0ħ㊁74.5ħ㊂每个降次的抽水试验在其稳定时间内水量㊁水位跳动误差均符合有关规程和规范要求,可作为总体规划和开
采利用的依据[4
]㊂抽水试验成果见表2,Q -s 关系曲线图见图1,q
-s 关系曲线图见图2㊂表2 抽水试验结果
T a b l e 2 P u m p i n g
t e s t r e s u l t s 降次静水位埋深/m
动水位埋深/m 水位降深s /m
出水量
Q /(m 3∙d
-1)单位出水量q
/[L /(s ㊃m )]井口出水温度
/ħ
抽水延续时间/h
稳定时间/h
1+147.0+1.0
146.06897.840.54776.048.5482+147.0+51.096.04581.840.55275.024.5243
+147.0+99.0
48.02301.60
0.555
74.516.51
6
图1 Q
-s 关系曲线图F i g .1 Q -s r e l a t i o n s h i p c
u r v
e 图2 q
-s 关系曲线图F i g .2 q -s r e l a t i o n s h i p c
u r v e 按承压完整井考虑,
依据抽水试验成果,该地热井的渗透系数K 和影响半径R 可依据裘布衣公
式[5]求得:
K =0.366
Q (l g R -l g r 0)
M s
(1
)R =10s K (2
)式中:K 为渗透系数,m /d ;Q 为涌水量,m 3
/d ;R 为
影响半径,m ;r 0为抽水段孔径,m ;M 为含水层厚度,m ;s 为水位降深,m ㊂
其中,涌水量Q 选用抽水试验结果中最大降深
出水量6897.84m 3
/d
,含水层厚度M 选择含水层累计厚度186.82m ,
水位降深s 选用抽水试验结果中最大降深146.0m ,
最后计算得到渗透系数K =0.357m /d ,影响半径R =872.34m ㊂3 出砂及水温、
水量降低情况及原因分析3.1 出砂及水温、
水量降低情况在进行放喷抽水过程中发现水量较成井初有所
减小,并有少量出砂现象,出砂现象持续约一个小时,出砂量15~20m3㊂自流水量下降至150m3/h 左右,水温无较大变化㊂测井仪器在距井底17m 处遇阻,判断井内有17m沉砂[5]㊂
2022年5月14日拆除井口装置,在自流约1h 持续出砂10~15m3后水变清,井口自流90m3/h,温度73ħ㊂开始下钻通井,通井至2162.54m遇阻,判断井内有11.5m沉砂㊂开泵将井内沉砂清除,疏通水道㊁清理井壁杂质,使滤水管水道畅通,通井至井底,水温水量无变化,判断井内沉砂没有阻碍出水通道[6]㊂
5月16日开始在1717.00~2174.04m进行抽拉洗井疏通井内流水通道,在井底上提钻具,每5m 进行开泵抽拉洗井,保证井内受影响的水被全部抽出,抽拉洗井过程中持续几分钟出砂,出砂量较少,洗井结束后井口自流90~100m3/h,温度73ħ[7]㊂5月18日为确定本井自流涌水量是否已达最大值,再次疏通井内流水通道,开始高压喷射洗井㊂钻具下端带1m封闭短节,短节上钻10个直径为0.7m m的孔作为高压喷射装置㊂高压水使滤水管外的砾石发生漩涡移动,从而使砾石重新排列,达到洗井目的㊂在井下滤水管井段每1m持续洗井10m i n以上,洗井结束后井口自流90~100m3/h,温度73ħ,洗井结束[8]㊂
经过通井出砂㊁抽拉洗井㊁高压喷射洗井井口自流水温㊁水量并无增加[9]㊂
3.2出砂现象原因分析
(1)因多次抽放水,形成振荡式洗井,致使出水层因孔隙压力释放,岩层应力不平衡导致岩层垮塌,造成局部出砂㊁水量减小的现象[10];
(2)由于憋压时间长㊁井底压力过高,以及放压产生瞬时激荡压力,可能会对滤水管中滤网等造成局部变形,引起出砂[11];
(3)粒选分析样是在实验室正常压力下人工筛选,而本井地下压力较大,远超地表检测压力(1.46M P a),分析认为滤网存在一定弹性空间,砂粒在较大压力冲击下有可能穿过滤网[12]㊂
3.3水温、水量降低原因分析
(1)停止放压情况下,井底产生沉砂,沉砂面升高对滤水管部分井段造成封堵;
(2)放压开采过程中,存在地下承压水压力释放,造成井口压力回升放缓,使自流水量降低; (3)根据之前在山东㊁陕西㊁贵州等地施工的自流井情况来看,区域地下水储量随大量开采而减少,也是造成自流流量下降的原因之一㊂
4解决方法
(1)采用填砾滤水管㊂填砾的目的是在滤水管与井壁之间形成人工过滤层,增大滤水管四周的孔隙率和透水性,减小进水时的水头损失,增加单井出水量,同时可以起滤水挡砂作用,以防止含水层中的细小砂粒涌进滤水管内,延长水井使用寿命[13]㊂(2)回灌开采㊂将使用过已降温的热水重新注入到砂岩含水层中,解决地热井水位下降问题,延长地热井使用寿命㊂地下热能资源非常丰富,水只是作为热能载体,要充分利用地热资源,采取回灌开采,通过回灌形成良性循环状态㊂在循环过程中,地热水不断将地球深部热能带到地表,从而使地热能得到持续利用[15]㊂
5结语
本文介绍了甘肃张掖地热井成井过程,探讨地热井在洗井㊁抽水㊁除砂治理施工中遇到的技术难题,并进行原因分析和研究㊂只有科学合理地开采地热井,才能使地热井水温㊁水量处于可控状态,延长地热井使用年限,实现地热开发的可持续性㊂
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