大港油田位于我國中低溫地熱田集中分布區(qū)域上, 有豐富的中低溫地熱資源。自20世紀80年代開始開發(fā)利用地熱資源以來, 至今已有逾20 a的歷史, 是全國低溫地熱開發(fā)較早的地區(qū)之一, 主要開采層位為上第三系, 地熱水主要用于油田職工洗浴及冬季供熱。

 

  目前, 油田各居民區(qū)冬季以鍋爐供熱為主, 地熱水直接供熱為輔的供熱方式, 成本較高, 供熱效果不理想。為了降低供熱成本, 我油田計劃采用地熱水加調峰鍋爐的供熱方式, 這就需要大量的地熱水。

 

  依據經驗, 打一口上第三系地熱井的成本(不包括地面工程)為(150 ～ 200) ×104 元, 造價較高。為降低造價, 我們計劃將油田內現有的大量報廢油井改造成地熱井使用, 這樣不僅節(jié)約成本, 還可使報廢資產得到再次利用。因此, 我們于2002年開始了將報廢油井改造成地熱井工藝的研究工作, 本文對此進行探討。

 

  1 大港油田地區(qū)的地質及地熱儲體特征

 

  1. 1 地質特征

 

  大港油田處于黃驊坳陷中央隆起帶及其兩側,位于黃驊坳陷的北大港構造帶、南大港構造帶及孔店構造帶上, 由于所處構造帶上的斷裂發(fā)育并長期活動, 使不同程度的地熱田和地熱水層相繼出現。

 

  這些斷裂一方面成為主要的熱通道, 另一方面為深部地熱水的對流循環(huán)創(chuàng)造了有利條件。在黃驊坳陷的發(fā)育過程中, 沉積了下第三系孔店組、沙河街組、東營組及上第三系館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系地層。

 

  下第三系地層為近海內陸湖泊沉積層, 由三個次一級旋回(粗-細-粗的沉積物)組成, 厚度為4 000 ～ 4 600m, 是坳陷中主要生、儲油巖系。

 

  上第三系地層為河湖相沉積層, 厚度為1 000m左右。經過多年的油氣勘探和開發(fā), 探明在北大港地區(qū)上第三系地層中有豐富的地熱資源。

 

  1. 2 地熱儲體特征

 

  ① 下第三系地下高溫熱流體為一套近海內陸湖泊相沉積, 埋深為2 400 m 以下。由于泥巖壓實和膠結程度高, 造成孔隙度小、滲透率低、水質較差,為高或較高礦化度的地熱水, 溫度可達100 ℃以上。

 

  ② 館陶組地下中溫熱流體埋深為1 500 ～2 400 m, 單砂體厚度大, 以中粗粒砂巖為主, 細砂巖次之, 普遍含有礫石, 且膠結性較好, 不易破碎。地熱水的最低溫度為57 ℃, 最高達85 ℃。地層中有效孔隙度為32% ～ 35%, 滲透率為2 000 ×10-3μm2 , 儲水性能較好。

 

  ③ 明化鎮(zhèn)組地下低溫熱流體主要分布于明化鎮(zhèn)組下段地層中, 埋深為800 ～ 1 600m, 富水巖段一般為粉細砂夾有少量中砂, 水溫為39 ～ 50 ℃, 地層孔隙度平均值為25%, 滲透率為1 000 ×10- 3 μm2 ,單井涌水量為40 ～ 60m3 /h。

 

  2 大港油田地熱開發(fā)概況

 

  大港油田自20世紀60年代開始進行勘探開發(fā), 鉆有上萬口不同層位、不同用途、不同種類的油井, 且已成為集鉆探、開采、冶煉齊行的現代化的石油生產基地, 擁有職工近20 ×104人。為了保障職工的生活需要, 提高生活質量, 我們充分利用多年勘探開發(fā)積累的豐富的地質資料, 大力開發(fā)利用清潔、無污染的地熱資源。從1980年至今, 北大港地區(qū)已鉆探地熱井24口, 開采層位分別為上第三系館陶組和明化鎮(zhèn)組下段地層, 累積開采地熱水約9 000 ×104 m3 。隨著油田建設的不斷發(fā)展, 人民生活水平不斷提高, 地熱能的應用也越來越廣泛。大港油田主要將地熱用于供熱、洗浴、養(yǎng)殖, 特別是地熱供熱已成為人們首選的供熱方式。但隨著地熱井開采時間的延長, 單井出水量在逐年減少, 目前的出水量遠不能滿足要求, 需要加大開采量。打一口上第三系館陶組地熱井的費用較高, 風險也較大, 而利用油田現有的報廢油井改造成地熱井不僅造價低, 風險也較小。

 

  3 報廢油井改造成地熱井的方法

 

  利用部分井身結構完好的報廢油井, 可改造成地熱井再次利用, 取得的效果與新開鑿的地熱井沒有區(qū)別。

 

  大港油田油井大多采用二開或三開的成井方式。二開成井工藝為先下入?300以上的表層套管后, 后直接下入?139. 7油層套管至井底。三開成井工藝為先下入?339. 7 以上表層套管, 再下入?244. 5以下的技術套管, 最后下入?139. 7油層套管至井底。由于采用二開成井方式的報廢油井內只有?139. 7的油層套管, 管徑較細, 出水受限制, 因此選用三開成井方式的報廢油井(以下簡稱三開井)改造成地熱井, 改造前三開井的剖面見圖1。

 

  3. 1 開天窗側鉆法

 

  這種方法主要適用于原油井沒有鉆穿館陶組地層或地層結構較好, 井內有異物堵塞的三開井, 技術套管外徑須大于或等于244. 5mm, 這種結構油井的技術套管下深及直徑符合下潛水泵要求。改造后油井剖面見圖2, 主要改造步驟如下:

 

  ① 用小鉆桿在油層套管內通井, 以確定井下情況是否正常并循環(huán)稀釋油層套管內泥漿, 確定井下情況正常后進行導爆作業(yè)施工。

 

  ② 導爆成功后取出油層套管為開窗斷銑做準備, 在設計開窗位置以下打高度為50 m 的水泥塞,作為人工井底, 防止井內殘余油氣及污水上竄。

 

  ③ 在設計開窗段進行斷銑作業(yè), 斷銑井段按井深、結構和實際情況確定。

 

  ④ 在斷銑位置進行開窗作業(yè), 并嚴格按照設計方位和斜度進行作業(yè)。如果周圍無其他油氣井也可不設計方位和斜度, 從而降低施工成本。側鉆至設計深度后進行擴孔作業(yè), 以保證有足夠的環(huán)形空間確保填砂作業(yè), 擴孔后進行對比電測, 確定水層位置。

 

  ⑤ 下篩管(地熱井取水防砂裝置)至設計位置, 再進行向井壁與篩管之間的環(huán)形空間填砂作業(yè),砂量根據具體情況而定。

 

  ⑥ 封堵下管后與原技術套管形成的環(huán)形空間。

 

  ⑦ 進行沖砂洗井和氣舉作業(yè), 并進行試水驗收及取樣分析。

 

  這種改造方法的工期一般為65 d, 其優(yōu)點在于改造成的地熱井防砂效果好。

 

  3. 2 改造泵室射孔法

 

  這種方法主要適用于原油井已鉆穿館陶組地層且技術套管外徑小于244. 5 mm 的三開井, 這種井內的技術套管直徑不符合下潛水泵要求。改造后油井剖面見圖3, 主要改造步驟如下:

 

  ① 收集油井測井、修井、射孔及各類有關資料, 分析后選好取水層段。

 

  ② 下鉆桿在油層套管內通井, 通井深度至設計水層位置下100 m后進行聲波測井, 以確定井下情況是否正常。

 

  ③ 如通井深度范圍內沒有異常, 在設計水層底界以下50 ～ 100m 打高度為50m 的水泥塞, 作為人工井底, 防止井內殘余油氣及污水上竄。

 

  ④ 割斷井內人工井底以上部分油層套管并提出, 再次通井至人工井底。對人工井底以上井筒在油氣開發(fā)時曾射過孔的層位進行擠水泥封堵。

 

  ⑤ 對設計取水層段進行射孔, 一般情況下, 高度為1m 的環(huán)形井壁內不少于20 個射孔。根據砂層的富水狀況, 射孔層厚不等。

 

  ⑥ 對不符合下泵要求的技術套管進行泵室改造, 從深度為300m 處割斷原技術套管并提出, 套入符合下泵要求的新技術套管, 高度為320 m, 并封堵兩管之間的環(huán)形空間。

 

  ⑦ 對施工后的井進行沖砂洗井, 必要時可進行化學洗井, 完洗后取樣分析并驗收。

 

  3. 3 直接射孔法

 

  這種方法應用于原油井已鉆穿館陶組地層, 符合下潛水泵要求的三開井, 這種改造方法與改造泵室射孔法基本相同, 只是在泵室的改造方法上有所區(qū)別。

 

  對于表層套管下深在300 m 以上或技術套管外徑大于244. 5mm的三開井, 在射孔完成后, 只需將表層套管內的油層套管及技術套管割斷提出, 并對技術套管與表層套管之間的環(huán)形空間進行封堵即可, 改造后的油井剖面見圖4a。

 

  對于表層套管下深不足300 m 的三開井, 在射孔完成后, 只需將技術套管內的油層套管割斷提出即可, 改造后的油井剖面見圖4b。

 

  這種改造方法的工期一般為35 d, 如果人工井底以上沒有試油層位射孔, 工期會縮短。這種改造方法的優(yōu)點在于改造工藝簡單, 工期短, 造價低。

 

  射孔利用聚能射孔原理, 即利用射孔彈爆炸后,由聚能效應產生的高溫高壓爆轟波沖擊套管完成射孔。由于上第三系館陶組成巖性普遍好于明化鎮(zhèn)組, 加之射孔彈對孔道的燒結作用, 可有效解決地層大量出砂的問題。

 

  4 改造后的地熱井的應用情況

 

  自1996年開始, 我們對3口報廢油井進行了改造試驗。

 

  ① GS43井, 改造工期為70 d, 改造方法為開

 

  天窗側鉆法。完鉆井深為2 184 m, 下入?177. 8、長度為84m的割縫篩管, 下入深度為2 170. 13m。試水求產量為1 500 m3 /d, 井口水溫高于80 ℃, 主要用于附近居民小區(qū)的冬季供熱。

 

  ② GX307井, 改造工期為68 d, 改造方法為

 

  開天窗側鉆法。開窗位置為1 711. 54 ～ 1 715. 28m, 完鉆井深為1 872. 64 m。洗井求產量為1 000m3 /d, 井口水溫高于65 ℃, 主要用于居民洗浴。

 

  ③ XH24 - 28井, 改造工期為64 d, 改造方法為開天窗側鉆法。完鉆井深2 096 m, 下入?177. 8、長度為57 m的割縫篩管。試水求產量為1 000m3 /d, 井口水溫為66 ℃, 主要用于冬季供熱。

 

  華北油田的報廢油井改造成地熱井的工藝也處

 

  于領先地位, 改造數量較多, 以下是兩口具有代表性的油井。

 

  ① 辛集市改造報廢油井, 改造方法為改造泵室射孔法。井深2 900 m, 做深度為200 m 的泵室。

 

  洗井求產量為100m3 /h, 出水溫度為64 ℃。

 

  ② 改造報廢油井B9井, 改造方法為改造泵室射孔法。井深3 000 m, 做深度為200 m 的泵室。

 

  洗井求產量為100m3 /h, 出水溫度為95 ℃。以上報廢油井通過改造使用后, 用于當地的生產和生活, 使用情況良好, 均取得良好的社會效益和經濟效益。