陳浩文， 宋志彬， 和國磊， 李勝濤， 許本沖， 馬漢臣， 杜垚森， 殷國樂

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，化石能源日益短缺，生態(tài)環(huán)境不斷惡化。而地?zé)崮茉醋鳛橐环N綠色低碳的可再生清潔能源，受到了越來越多的關(guān)注。地?zé)崮茉丛诠┡?、發(fā)電、種植養(yǎng)殖、溫泉洗浴等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在人類的日常生活中扮演著越來越重要的角色。我國地?zé)岱植紡V泛，地?zé)豳Y源的開發(fā)在京津冀、山東、陜西等多地快速發(fā)展并逐漸形成產(chǎn)業(yè)化。天津地?zé)豳Y源豐富，目前開采的主要層位為薊縣系霧迷山三、四段，但部分地區(qū)開采潛力已達(dá)極限。為探測新的地?zé)醿?，提高可開采量，著力支撐京津冀重點地區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查工作，中國地質(zhì)調(diào)查局實施了天津東麗湖地?zé)峥茖W(xué)鉆探一井(CGSD-01井)鉆井工作，該工程隸屬于“全國地?zé)豳Y源調(diào)查評價與勘查示范工程”[1]。

洗井是地?zé)峋删に囍蟹浅Ｖ匾沫h(huán)節(jié)，其直接影響地?zé)峋漠a(chǎn)量。洗井工作后還需進(jìn)行抽水試驗，以更準(zhǔn)確地進(jìn)行地?zé)峋a(chǎn)量的評價。本文介紹CGSD-01井多工藝聯(lián)合洗井及抽水試驗實施工藝，可為今后類似的工程提供參考。

1 工程概況

CGSD-01井為地?zé)崽讲山Y(jié)合井，位于天津市東麗區(qū)麗湖西南角。工作區(qū)所處大地構(gòu)造位置為華北準(zhǔn)地臺(Ⅰ)-華北斷坳(Ⅱ)-滄縣隆起(Ⅲ)-潘莊凸起(Ⅳ)的中部東側(cè)。CGSD-01井為設(shè)計井深4000 m直井，覆蓋層以下定深取心，完鉆井深4051.68 m。其實際井身結(jié)構(gòu)(見圖1)如下[2]。

(1)一開井段：井徑444.5 mm，深度1469.84 m， 下入?339.7 mm套管；

(2)二開井段：井徑311.2 mm，深度2262.75 m， 下入?244.5 mm套管；

(3)三開井段：井徑215.9 mm，深度4051.68 m， 下入?177.8 mm套管，其中篩管長度320.34 m。

圖1 CGSD-01井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Casing program of well CGSD-01

潘莊凸起分布的地層由新至老分別為新生界、古生界和中、新元古界。CGSD-01井實際鉆探揭露揭層情況見表1。

表1 實際揭露地層特征[3]Table 1 Actual exposed strata characteristics

2 洗井工藝及流程

在鉆井作業(yè)中，采用泥漿作為循環(huán)介質(zhì)，含水層不可避免被泥漿、巖屑污染堵塞，影響后期抽水試驗的結(jié)果[4]。因此，在抽水試驗前，需先進(jìn)行洗井作業(yè)。目前常用的洗井方法很多，主要為機(jī)械洗井與化學(xué)藥劑洗井。機(jī)械洗井包括活塞洗井、二氧化碳洗井、壓縮空氣洗井等，化學(xué)藥劑洗井包括焦磷酸鈉洗井、鹽酸洗井等。一般地?zé)峋淳に嚵鞒倘鐖D2所示[5]，本井采用焦磷酸鈉洗井、壓縮空氣洗井與酸化洗井相結(jié)合的工藝，以求盡量清除井壁泥皮，達(dá)到增大含水層孔隙率的目的[6]。

圖2 地?zé)峋话阆淳に嚵鞒蘁ig.2 Geothermal well purging process

2.1 焦磷酸鈉洗井

鉆井結(jié)束后首先進(jìn)行焦磷酸鈉(Na4P4O7)洗井作業(yè)。焦磷酸鈉與粘土發(fā)生絡(luò)合作用，形成不易沉淀的水溶性絡(luò)離子，在壓縮空氣洗井過程中可排出孔外。同時磷酸根帶有強(qiáng)負(fù)電荷，可吸附粘土晶體含Ca2+、Al3+、Mg2+棱角部位，使粘土離子之間斥力增強(qiáng)；同時磷酸根離子產(chǎn)生吸附時帶進(jìn)水化膜，增加了粘土顆粒的水化。通過以上分散作用，使井壁的泥皮被逐漸分解成泥糊狀，從而達(dá)到破壞泥皮的目的[7]。

焦磷酸鈉洗井溶液濃度一般為0.8%～1.2%，由于CGSD-01井出水層井段施工時間較短，泥漿對井壁的堵塞程度不嚴(yán)重，故選用0.8%濃度的焦磷酸鈉洗井溶液。CGSD-01井出水層位為霧迷山二段(3715～4051.68 m)，根據(jù)層位厚度，計算出管內(nèi)及管外環(huán)空間隙體積，配置焦磷酸鈉溶液11.27 m3。施工前先將鉆桿下入井底，通過泥漿泵將焦磷酸鈉溶液注入井內(nèi)，再注入泥漿將焦磷酸鈉溶液頂替至3715～4051.68 m井段。注入階段共替出泥漿21 m3，浸泡7 h后用清水替換焦磷酸鈉溶液。

2.2 壓縮空氣洗井

本井在完成焦磷酸鈉洗井后，開始壓縮空氣洗井作業(yè)。通過向井內(nèi)持續(xù)注入高壓空氣，使井內(nèi)水柱上下震蕩破壞井壁泥皮；同時高壓空氣推動井內(nèi)水柱間斷性噴出井口，隨著井噴，井內(nèi)瞬時形成負(fù)壓，井壁裂隙堵塞物被吸入井內(nèi)，有助于含水層的疏通出水[8]。

根據(jù)本井水位高度及壓縮空氣洗井所需氣量，選用壓力6 MPa，風(fēng)量10 m3/min空壓機(jī)進(jìn)行壓縮空氣洗井作業(yè)。本井利用?127 mm鉆桿將高壓空氣輸送至井內(nèi)，鉆桿下入深度633 m，靜水位深度148 m。壓縮空氣洗井持續(xù)21 h，共上噴38次(圖3)，直至水清沙凈結(jié)束洗井，技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 壓縮空氣洗井參數(shù)Table 2 Compressed-air well purging parameters

2.3 酸化洗井

酸化洗井是利用化學(xué)反應(yīng)的手段來提高地?zé)峋某鏊?，對于巖溶不發(fā)育的白云巖十分有效。酸化洗井常用稀釋后的工業(yè)鹽酸，其與地層中的碳酸鹽巖和泥漿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其溶解。酸化反應(yīng)一方面鹽酸可以進(jìn)入地層裂隙，與巖石反應(yīng)達(dá)到增大間隙的目的；另一方面鹽酸可以和堵塞在孔隙中的巖屑和泥漿等污染物反應(yīng)，達(dá)到疏通孔隙的目的[9]。對于非碳酸鹽地層(如砂巖，礫巖、火山巖等)，可采用土酸(氫氟酸與鹽酸混合液)洗井，氫氟酸能有效溶解石英、硅酸鹽類，鹽酸能有效溶解方解石及碳酸鹽巖膠結(jié)物，其原理與鹽酸洗井相似[10]。本井在進(jìn)行完焦磷酸鈉洗井與壓縮空氣洗井作業(yè)后，進(jìn)行了第一次抽水試驗，根據(jù)抽水試驗結(jié)果，經(jīng)過專家研討認(rèn)為本井產(chǎn)量仍有提升的空間，為改善儲層滲流能力，決定增加酸化洗井。

圖3 壓縮空氣洗井Fig.3 Compressed-air well purging

酸化前根據(jù)物探測井解釋成果(表3)，選取霧迷山二段中一類及二類裂隙層位巖屑進(jìn)行室內(nèi)物理化學(xué)性質(zhì)的試驗分析，盡可能模擬井下壓力和溫度條件來選擇合理配比的酸化液壓材料，對儲層進(jìn)行有效改造，增加盡可能多的產(chǎn)量[11]。經(jīng)室內(nèi)試驗，本井采用18%鹽酸溶液并配以一定量的緩蝕劑、助排劑、鐵離子穩(wěn)定劑、防膨劑等。這些添加劑的作用如下[12]：

(1)緩蝕劑：減輕套管受鹽酸的腐蝕作用。

(2)助排劑：有利于酸液的排返。

(3)鐵離子穩(wěn)定劑：防止游離鐵離子以氫氧化鐵形式沉淀，造成二次堵塞污染。

(4)防膨劑：防止水敏性地層膨脹。

現(xiàn)場進(jìn)行酸化洗井作業(yè)，酸化洗井主要設(shè)備如圖4所示，施工程序如下：

(1)下管：下入?89 mm油管至3500 m，封隔器下深2350 m，打壓座封封隔器。

(2)井口安裝：井口安裝250型采油樹。

(3)配液：現(xiàn)場配置酸液，稀釋酸液需用清水。

(4)地面管線試壓：接好地面施工管線,高壓管匯清水試壓10 MPa,不刺不漏為合格。

表3 CGSD-01地?zé)峋锾綔y井熱水儲層解釋成果Table 3 Interpretation results of hot water reservoir geophysical logging in Well CGSD-01

圖4 酸化洗井作業(yè)主要設(shè)備Fig.4 Main equipment for acidizing operation

(5)平衡：井口環(huán)空灌滿清水。

(6)泵酸：采用雙壓裂車同時泵酸，泵注程序如表4所示。

表4 泵注程序Table 4 Pump injection schedule

(7)排酸：氣舉洗井排酸至pH值為7結(jié)束。

(8)撤場：將排出酸液用罐車?yán)咛幚?；酸洗設(shè)備收好撤場。

3 抽水試驗工藝及流程

在洗井結(jié)束后進(jìn)行抽水試驗，目的是獲得地?zé)峋膶嶋H出水量和水位的動態(tài)變化[13]，評價含水層的富水性，為評價合理開發(fā)地下水提供可靠的依據(jù)[14]。抽水試驗按水位穩(wěn)定性可分為穩(wěn)定流抽水和非穩(wěn)定流抽水[15]。按抽水井與觀測孔關(guān)系可分為單孔抽水和多孔抽水。本井所取水層為霧迷山組二段，未揭穿整個含水層，在此選用單孔穩(wěn)定流抽水試驗。

CGSD-01井對霧迷山組二段(3715～4051.68 m井段)共進(jìn)行2次抽水試驗。在完成焦磷酸鈉洗井與壓縮空氣洗井后，進(jìn)行第1次抽水試驗；在完成酸化洗井后，進(jìn)行第2次抽水試驗。2次抽水試驗步驟相同，所用設(shè)備如圖5所示，規(guī)格參數(shù)如表5所示。

表5 抽水試驗設(shè)備參數(shù)Table 5 Pumping test equipment parmeters

抽水試驗過程主要分為以下幾個步驟。

3.1 止水檢測

對?177.8 mm套管與?244.5 mm套管重疊段進(jìn)行止水，防止在對霧迷山組二段進(jìn)行抽水試驗時，霧迷山組三、四段含水層中的地下水經(jīng)套管重疊位置進(jìn)入井內(nèi)；對霧迷山組三段與二段地層分界線附近套管外進(jìn)行止水，防止在對霧迷山組二段進(jìn)行抽水試驗時，霧迷山組三、四段含水層中的地下水經(jīng)篩管外進(jìn)入井內(nèi)。

圖5 抽水試驗設(shè)備Fig.5 Pumping test equipment

本井采用電測井的方式進(jìn)行止水檢測。電測井結(jié)果顯示?177.8 mm套管與?244.5 mm套管重疊段(2111～2170 m井段)與霧迷山組二段、三段分界處(3695～3605 m井段)固井質(zhì)量優(yōu)，止水效果滿足要求。

3.2 試抽水

在進(jìn)行正式抽水試驗前，以抽水設(shè)備能力作一次最大降深試驗抽水，時間要求延續(xù)24 h，或達(dá)到最大降深后的持續(xù)時間≮2 h。通過試抽水，全面檢查抽水設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和工作效果，初步了解水位降深值與涌水量的關(guān)系，以便正式抽水時合理選擇水位的降深。本井共進(jìn)行了4次試抽水，最終確認(rèn)采用揚(yáng)程190 m、水量140 m3/h的潛熱水泵，泵下入深度190 m。本井在試抽水時，根據(jù)以往經(jīng)驗選用?127 mm鉆桿下入井內(nèi)作為泵管，但本井所用的潛水泵流量大，經(jīng)常出現(xiàn)泵超載停機(jī)故障，后改用?140 mm套管作為泵管后，再無停泵現(xiàn)象。試抽水達(dá)到最大降深3 h后結(jié)束，整個過程共持續(xù)9.5 h。結(jié)束后靜候觀察靜水位變化，每隔1 h記錄動水位及溫度值。最后連續(xù)6 h，水位雖呈鋸齒狀輕微波動(圖6)，但每小時升降最大差值≯10 cm，符合規(guī)范要求，可進(jìn)行正式抽水試驗，靜候觀察時間總計52 h。

圖6試抽水靜水位恢復(fù)曲線
Fig.6Static water level recovery chart for test pumping

3.3 抽水試驗

抽水試驗共進(jìn)行3次降深的穩(wěn)定流抽水試驗，降深順序先深后淺。第1次依抽水設(shè)備能力進(jìn)行最大降壓抽水，其余2次流量值分別為最大流量的2/3和1/3進(jìn)行。最大降深抽水試驗延續(xù)時間≮48 h，穩(wěn)定延續(xù)時間≮24 h；中、小降深穩(wěn)定延續(xù)時間分別不少于12 h、8 h。各次降壓抽水的水泵吸水管口的安裝深度應(yīng)該相同。抽水試驗時，動水位、出水量和出口溫度在抽水后的第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min的時間順序觀測，以后每隔30 min觀測一次，直至抽水結(jié)束。動水位采用測繩測量，精度至毫米；流量采用三角堰箱測量，精度至毫米；溫度采用電子溫度計測量，精度至0.1 ℃。

大、中降深抽水試驗結(jié)束后立即觀測恢復(fù)水位。觀測時間按1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min的時間順序觀測，以后每隔30 min觀測一次，直到穩(wěn)定，持續(xù)時間≮8 h?；謴?fù)水位應(yīng)恢復(fù)到初始水位，若恢復(fù)不到初始水位且總觀測時間>72 h，可停止觀測。

兩組抽水試驗結(jié)果見表6、表7。

表6 第一組抽水試驗(酸化洗井前)結(jié)果Table 6 The first set results of pumping tests (before acidizing)

表7 第二組抽水試驗(酸化洗井后)結(jié)果Table 7 The second set results of pumping tests (after acidizing)

4 結(jié)語

(1)通過多工藝聯(lián)合洗井，可明顯改善地?zé)峋a(chǎn)能。特別是酸化洗井，通過2組抽水試驗數(shù)據(jù)可看出其出水量以及動水位數(shù)值的明顯變化，經(jīng)計算CGSD-01井每天涌水量從酸化洗井前3120 m3提升至4800 m3。

(2)在進(jìn)行洗井作業(yè)前，需制定標(biāo)準(zhǔn)的施工規(guī)范并貫徹實施。特別是在酸化洗井過程中，由于酸液需高壓注入且有強(qiáng)腐蝕性，現(xiàn)場安全管理必須重視。酸洗后排出酸液需用罐車運(yùn)輸處理，不能隨意排放，造成環(huán)境污染。

(3)本井開始進(jìn)行抽水試驗時，由于泵管口徑與潛水泵流量不匹配造成多次停機(jī)故障，因此，在今后類似工程中，應(yīng)根據(jù)潛水泵流量選取合理通徑的泵管，統(tǒng)籌考慮兩者的匹配性。

(4)抽水試驗時，出口流量采用三角堰箱計量，在用鋼板尺測量水位高度時存在一定誤差。特別在冬天進(jìn)行抽水試驗時，高溫地?zé)崴龅嚼淇諝猱a(chǎn)生大量水霧，使讀數(shù)更為困難。在今后施工中，建議采用電子流量計，用多種方法進(jìn)行計量，以提高測量精度，消除讀數(shù)誤差，保證抽水試驗準(zhǔn)確性。