报废油井改造成地热井的方法

     大港油田位于我国中低温地热田集中分布区域上, 有丰富的中低温地热资源。自20世纪80年代开始开发利用地热资源以来, 至今已有逾20 a的历史, 是全国低温地热开发较早的地区之一, 主要开采层位为上第三系, 地热水主要用于油田职工洗浴及冬季供热。

 

  目前, 油田各居民区冬季以锅炉供热为主, 地热水直接供热为辅的供热方式, 成本较高, 供热效果不理想。为了降低供热成本, 我油田计划采用地热水加调峰锅炉的供热方式, 这就需要大量的地热水。

 

  依据经验, 打一口上第三系地热井的成本(不包括地面工程)为(150 ～ 200) ×104 元, 造价较高。为降低造价, 我们计划将油田内现有的大量报废油井改造成地热井使用, 这样不仅节约成本, 还可使报废资产得到再次利用。因此, 我们于2002年开始了将报废油井改造成地热井工艺的研究工作, 本文对此进行探讨。

 

  1 大港油田地区的地质及地热储体特征

 

  1. 1 地质特征

 

  大港油田处于黄骅坳陷中央隆起带及其两侧,位于黄骅坳陷的北大港构造带、南大港构造带及孔店构造带上, 由于所处构造带上的断裂发育并长期活动, 使不同程度的地热田和地热水层相继出现。

 

  这些断裂一方面成为主要的热通道, 另一方面为深部地热水的对流循环创造了有利条件。在黄骅坳陷的发育过程中, 沉积了下第三系孔店组、沙河街组、东营组及上第三系馆陶组、明化镇组和第四系地层。

 

  下第三系地层为近海内陆湖泊沉积层, 由三个次一级旋回(粗-细-粗的沉积物)组成, 厚度为4 000 ～ 4 600m, 是坳陷中主要生、储油岩系。

 

  上第三系地层为河湖相沉积层, 厚度为1 000m左右。经过多年的油气勘探和开发, 探明在北大港地区上第三系地层中有丰富的地热资源。

 

  1. 2 地热储体特征

 

  ① 下第三系地下高温热流体为一套近海内陆湖泊相沉积, 埋深为2 400 m 以下。由于泥岩压实和胶结程度高, 造成孔隙度小、渗透率低、水质较差,为高或较高矿化度的地热水, 温度可达100 ℃以上。

 

  ② 馆陶组地下中温热流体埋深为1 500 ～2 400 m, 单砂体厚度大, 以中粗粒砂岩为主, 细砂岩次之, 普遍含有砾石, 且胶结性较好, 不易破碎。地热水的最低温度为57 ℃, 最高达85 ℃。地层中有效孔隙度为32% ～ 35%, 渗透率为2 000 ×10-3μm2 , 储水性能较好。

 

  ③ 明化镇组地下低温热流体主要分布于明化镇组下段地层中, 埋深为800 ～ 1 600m, 富水岩段一般为粉细砂夹有少量中砂, 水温为39 ～ 50 ℃, 地层孔隙度平均值为25%, 渗透率为1 000 ×10- 3 μm2 ,单井涌水量为40 ～ 60m3 /h。

 

  2 大港油田地热开发概况

 

  大港油田自20世纪60年代开始进行勘探开发, 钻有上万口不同层位、不同用途、不同种类的油井, 且已成为集钻探、开采、冶炼齐行的现代化的石油生产基地, 拥有职工近20 ×104人。为了保障职工的生活需要, 提高生活质量, 我们充分利用多年勘探开发积累的丰富的地质资料, 大力开发利用清洁、无污染的地热资源。从1980年至今, 北大港地区已钻探地热井24口, 开采层位分别为上第三系馆陶组和明化镇组下段地层, 累积开采地热水约9 000 ×104 m3 。随着油田建设的不断发展, 人民生活水平不断提高, 地热能的应用也越来越广泛。大港油田主要将地热用于供热、洗浴、养殖, 特别是地热供热已成为人们首选的供热方式。但随着地热井开采时间的延长, 单井出水量在逐年减少, 目前的出水量远不能满足要求, 需要加大开采量。打一口上第三系馆陶组地热井的费用较高, 风险也较大, 而利用油田现有的报废油井改造成地热井不仅造价低, 风险也较小。

 

  3 报废油井改造成地热井的方法

 

  利用部分井身结构完好的报废油井, 可改造成地热井再次利用, 取得的效果与新开凿的地热井没有区别。

 

  大港油田油井大多采用二开或三开的成井方式。二开成井工艺为先下入?300以上的表层套管后, 后直接下入?139. 7油层套管至井底。三开成井工艺为先下入?339. 7 以上表层套管, 再下入?244. 5以下的技术套管, 最后下入?139. 7油层套管至井底。由于采用二开成井方式的报废油井内只有?139. 7的油层套管, 管径较细, 出水受限制, 因此选用三开成井方式的报废油井(以下简称三开井)改造成地热井, 改造前三开井的剖面见图1。

 

  3. 1 开天窗侧钻法

 

  这种方法主要适用于原油井没有钻穿馆陶组地层或地层结构较好, 井内有异物堵塞的三开井, 技术套管外径须大于或等于244. 5mm, 这种结构油井的技术套管下深及直径符合下潜水泵要求。改造后油井剖面见图2, 主要改造步骤如下:

 

  ① 用小钻杆在油层套管内通井, 以确定井下情况是否正常并循环稀释油层套管内泥浆, 确定井下情况正常后进行导爆作业施工。

 

  ② 导爆成功后取出油层套管为开窗断铣做准备, 在设计开窗位置以下打高度为50 m 的水泥塞,作为人工井底, 防止井内残余油气及污水上窜。

 

  ③ 在设计开窗段进行断铣作业, 断铣井段按井深、结构和实际情况确定。

 

  ④ 在断铣位置进行开窗作业, 并严格按照设计方位和斜度进行作业。如果周围无其他油气井也可不设计方位和斜度, 从而降低施工成本。侧钻至设计深度后进行扩孔作业, 以保证有足够的环形空间确保填砂作业, 扩孔后进行对比电测, 确定水层位置。

 

  ⑤ 下筛管(地热井取水防砂装置)至设计位置, 再进行向井壁与筛管之间的环形空间填砂作业,砂量根据具体情况而定。

 

  ⑥ 封堵下管后与原技术套管形成的环形空间。

 

  ⑦ 进行冲砂洗井和气举作业, 并进行试水验收及取样分析。

 

  这种改造方法的工期一般为65 d, 其优点在于改造成的地热井防砂效果好。

 

  3. 2 改造泵室射孔法

 

  这种方法主要适用于原油井已钻穿馆陶组地层且技术套管外径小于244. 5 mm 的三开井, 这种井内的技术套管直径不符合下潜水泵要求。改造后油井剖面见图3, 主要改造步骤如下:

 

  ① 收集油井测井、修井、射孔及各类有关资料, 分析后选好取水层段。

 

  ② 下钻杆在油层套管内通井, 通井深度至设计水层位置下100 m后进行声波测井, 以确定井下情况是否正常。

 

  ③ 如通井深度范围内没有异常, 在设计水层底界以下50 ～ 100m 打高度为50m 的水泥塞, 作为人工井底, 防止井内残余油气及污水上窜。

 

  ④ 割断井内人工井底以上部分油层套管并提出, 再次通井至人工井底。对人工井底以上井筒在油气开发时曾射过孔的层位进行挤水泥封堵。

 

  ⑤ 对设计取水层段进行射孔, 一般情况下, 高度为1m 的环形井壁内不少于20 个射孔。根据砂层的富水状况, 射孔层厚不等。

 

  ⑥ 对不符合下泵要求的技术套管进行泵室改造, 从深度为300m 处割断原技术套管并提出, 套入符合下泵要求的新技术套管, 高度为320 m, 并封堵两管之间的环形空间。

 

  ⑦ 对施工后的井进行冲砂洗井, 必要时可进行化学洗井, 完洗后取样分析并验收。

 

  3. 3 直接射孔法

 

  这种方法应用于原油井已钻穿馆陶组地层, 符合下潜水泵要求的三开井, 这种改造方法与改造泵室射孔法基本相同, 只是在泵室的改造方法上有所区别。

 

  对于表层套管下深在300 m 以上或技术套管外径大于244. 5mm的三开井, 在射孔完成后, 只需将表层套管内的油层套管及技术套管割断提出, 并对技术套管与表层套管之间的环形空间进行封堵即可, 改造后的油井剖面见图4a。

 

  对于表层套管下深不足300 m 的三开井, 在射孔完成后, 只需将技术套管内的油层套管割断提出即可, 改造后的油井剖面见图4b。

 

  这种改造方法的工期一般为35 d, 如果人工井底以上没有试油层位射孔, 工期会缩短。这种改造方法的优点在于改造工艺简单, 工期短, 造价低。

 

  射孔利用聚能射孔原理, 即利用射孔弹爆炸后,由聚能效应产生的高温高压爆轰波冲击套管完成射孔。由于上第三系馆陶组成岩性普遍好于明化镇组, 加之射孔弹对孔道的烧结作用, 可有效解决地层大量出砂的问题。

 

  4 改造后的地热井的应用情况

 

  自1996年开始, 我们对3口报废油井进行了改造试验。

 

  ① GS43井, 改造工期为70 d, 改造方法为开

 

  天窗侧钻法。完钻井深为2 184 m, 下入?177. 8、长度为84m的割缝筛管, 下入深度为2 170. 13m。试水求产量为1 500 m3 /d, 井口水温高于80 ℃, 主要用于附近居民小区的冬季供热。

 

  ② GX307井, 改造工期为68 d, 改造方法为

 

  开天窗侧钻法。开窗位置为1 711. 54 ～ 1 715. 28m, 完钻井深为1 872. 64 m。洗井求产量为1 000m3 /d, 井口水温高于65 ℃, 主要用于居民洗浴。

 

  ③ XH24 - 28井, 改造工期为64 d, 改造方法为开天窗侧钻法。完钻井深2 096 m, 下入?177. 8、长度为57 m的割缝筛管。试水求产量为1 000m3 /d, 井口水温为66 ℃, 主要用于冬季供热。

 

  华北油田的报废油井改造成地热井的工艺也处

 

  于领先地位, 改造数量较多, 以下是两口具有代表性的油井。

 

  ① 辛集市改造报废油井, 改造方法为改造泵室射孔法。井深2 900 m, 做深度为200 m 的泵室。

 

  洗井求产量为100m3 /h, 出水温度为64 ℃。

 

  ② 改造报废油井B9井, 改造方法为改造泵室射孔法。井深3 000 m, 做深度为200 m 的泵室。

 

  洗井求产量为100m3 /h, 出水温度为95 ℃。以上报废油井通过改造使用后, 用于当地的生产和生活, 使用情况良好, 均取得良好的社会效益和经济效益。