CN109826598A - 一种砂岩地热井分层开发的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种砂岩地热井分层开发的方法，包括如下步骤①：至少获取两个相邻地热井群开发区域砂地比值统计结果，并得到该区域的平均砂地比率；②：依据平均砂地比率，确定砂体性质，以及确定不同地热井群开发区域热储层非均质性比较结果；③：以非均质性比较结果最小的至少两个相邻地热井群开发区域为开发区域，分别进行垂直井群或定向井群开发。本发明的主要目的在于提升水热型地热资源的利用效率，提高开发能力，增加主力热储层的过流面积与热能补充，进而提升热能指标，提升采灌能效，使其开发从粗狂式开发逐步转为科学化。

Description

一种砂岩地热井分层开发的方法

技术领域

本发明涉及一种砂岩地热井开发技术，尤其是一种砂岩地热井分层开发的方法。

背景技术

陕西关中盆地中部包括宝鸡凸起的东部、西安凹陷、临蓝凸起的西北部、固市凹陷、咸礼凸起的南部和蒲城凸起的南部(由于宝鸡凸起和蒲城凸起内的地热井的资料较少且不全，因而未对其进行分析)。新生界沉积厚度普遍较大，尤其是凹陷地区，一般为3000-5000m，最厚可达7000m以上，多为河流相或河湖相沉积，岩性主要为砂岩、砂砾岩与泥岩互层，孔隙裂隙发育，为地热流体提供了良好的贮存空间。热水含水岩层的埋藏受基底构造的控制，不同部位差异很大，在基底隆起或凹陷边缘埋藏较浅，在基底凹陷埋藏较深。

盆地中部的地热水资源储量丰富，以孔隙裂隙水为主，主要分布在西安凹陷和固市凹陷的新生界热储层中，此外在一些比较大的断裂带(如渭河断裂)附近也有分布。凹陷内地热水的分布主要受其赋存地层的沉积环境和岩性的影响，呈现出一定的层控特点，而断裂带附近地热水的分布主要受断裂的控制，呈条带状分布。

砂岩热储层的分布受研究区内的断裂、地层岩性、沉积相影响，通对研究区的区域地质进行系统分析，将盆地形成与演化、断裂的分布、沉积相的展布与热储层物性综合分析，得出热储层地质特征，为地热勘探开发提供了有力的系统、完整的技术理论支持。而对地热井成井之后的动态运行数据进行汇总、统计、分析，使得单独的以单井为观测点，展开到以面为研究观测对象，增大的运行观测的范围，为科学、合理开发地热井起到了监测的作用。

长久以来，对地热井钻井工艺及其技术研究或参照石油钻井、或参照水文钻井，没有形成专门的地热钻井工艺及技术体系，通过本次对高温地热钻井液、高温地热井固井、完井及井口工具的研发，以及综合洗井工艺研究，基本覆盖了地热井钻井技术体系的关键步骤，对于科学化、标准化、正规化开发地热资源起到了规范的作用。目前该系列关键技术已经在全国260多口地热井施工过程中得到了应用，使用效果良好。

地热资源是一种储量巨大，可持续利用的绿色能源。随着全国范围内地热资源开发规模的不断扩大，地热水开采量迅速增长，且没有将尾水有效回灌，出现地下水位下降，有些地区甚至出现水位严重下降。地热水经综合利用后将地热尾水直接排放，造成的环境污染问题也日益突出，这种简单粗放式的地热尾水处理方式严重制约着地热资源的可持续利用和社会的和谐发展。

根据盆内钻井及周缘露头岩性观察及样品资料分析，渭河盆地新生界热储层由各类砾岩、砂砾岩、含砾砂岩及中-细砂岩组成，其储集结构等存在以下两个方面特点：

渭河盆地内新生界粗碎屑沉积物除结构成份复杂外，另一个明显特点为分选，磨圆度较差，岩石颗粒除少量粉细砂岩外，其它粒级岩石普遍分选较差，表现为大小混杂，粗细不分，次棱角状为主，少量为次圆状等特点。砂岩中除含有各种大小不等的砾石外，还可经常见到泥砾。此外，岩石中粒级组构的纵向变化较快，缺乏过渡阶段，如由砾岩、砂砾岩直接过渡为为泥岩的现象极普遍，反映沉积物搬运距离较近，结构成熟度及矿物成熟度较低。

据钻探和露头剖面揭露，渭河地堑新生界沉积成岩性普遍较差，如砂岩、砂砾岩结构较松散等。这一问题虽然在新近系地层中有所改善，但其成岩程度仍然较低，不能与中生界以下地层相提并论。这一现象的存在除了因缺少上覆层压实作用因素外，重要原因之一是埋藏时间不够长所致。以上原因导致新近系地层自下而上成岩性逐渐变差，至第四系下部三门组，砂岩、泥岩等已基本未成岩，多数只能称其砂砾岩、粘土、泥土层等。因而该类热储层原始孔隙大多得以保存，且储渗性能较强。

在对研究区内36眼地热井的地质录井和地球物理测井相关资料的统计与分析的基础上，并编绘了咸阳市区地热井Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′、A-A′地层柱状对比图，通过东西向、南北向全方位对地层的埋深、分布特征及岩性特征进行了深入分析研究。区内地热井钻遇的地层依次为第四系上更新统秦川群、下更新统三门组；新近系上新统张家坡组、蓝田-灞河组、中新统高陵群；下第三系甘河组(未穿)。

总的来说，各地层东西向厚度变化平缓，岩性基本一致，而南北向厚度由北向南逐渐增大，但岩性变化不大。第四系、新近系地层发育较厚的粘土层和泥岩层，起到保温和隔水的作用，形成良好的盖层，以张家坡组发育欠压实泥岩和高陵群中部发育的厚层泥岩较为典型，各地热井的开采层段有所差别。本技术专利主要针对目前盆地内100多口开发井与10多口回灌井3500m以浅热储层进行了分层研究分析，最终确定以砂岩储集层最好、岩性稳定性较好、富水性较好等方面优势主要开发以蓝田-灞河组和高陵群为主的两套热储层，其特点是蓝田-灞河组为主富水、砂岩均质性较好、孔渗好，高陵群主要以补热为主，取其优点来进行开发利用。具体见下：蓝田-灞河组是盆地中心地热水最重要的储层，几乎所有井都以蓝田-灞河组为主要取水层，蓝田-灞河组地层厚度一般在845—1211m之间，主要为河流相沉积。该组地层分布范围广，厚度大，砂体发育，单砂体厚度大，砂岩纯度高含泥少，埋深适中。根据测井资料和野外地质观察表明，蓝田-灞河组热储层砂岩主要为灰白色、灰黄白色细—中、粗砂岩，部分井在该层可见含砾粗砂岩。砂岩成分主要为石英、长石和少量岩屑，泥质胶结。蓝田-灞河组砂岩厚度一般在142—530m之间，砂岩厚度占地层厚度的19.3—49.6％。蓝田-灞河组砂岩孔隙度平均值一般为10—44.18％。蓝田-灞河组热储渗透率平均值一般为13.8—615.7md，最高4174.9md，该热储层为低渗透热储层。蓝田-灞河组砂岩孔隙度相对集中，主要在10-25％之间，占总统计数据的91.3％。最高频率位于15-20％之间(见图1-3-10)。而渗透率数值变化大，数值相对分散，主要集中于10-50md、大于200md两个区间内，占总统计数字的63.7％。最高频率位于10-50md之间，如图1、图2所示。

参照图3，蓝田-灞河组中砂岩渗透率和孔隙度基本呈正相关关系，随着孔隙度的增大，渗透率相应增高。

蓝田-灞河组热储层是盆地地热水开发水量最大的热储层段，总体来说，蓝田灞河组热储层虽然结构较复杂，但分布面广、层位稳定，砂岩厚度大、孔隙度、渗透率大，是区内最主要的热水赋存热储层。

高陵群厚度一般在402—695m之间，其中砂岩厚度为68.9-130.1m，砂地比14.9—41.0％，主要为河流相沉积。岩性下粗上细，砂层比较发育，单层厚度多在0.5m以上，最厚可达18m。根据测井资料统计结合野外观察，高陵群储层砂岩主要为杂色细、中粒砂岩及砂砾岩。砂砾岩成分以石英为主，泥质胶结。高陵群砂岩孔隙度平均值一般为13.12％—36.57％。高陵群热储渗透率平均值一般为9.0—329.8md，最高达1167.91md，该储层属低渗透热储层。高陵群热储层砂岩孔隙度变化较小，数值相对分散，主要集中于10—25％之间，占总统计的93％，最高频率位于15—20％之间(见图4)。渗透率数值变化更大，数值更加分散，主要集中于8—50md之间，占到总统计数字的50％。最高频率位于10—50md之间(见图5)。

高陵群砂岩渗透率和孔隙度基本呈正相关关系(图6)，随着孔隙度的增大，渗透率相应增高。

本专利的主要目的在于设计一套涵盖砂岩热储分层开采技术体系、提高关中盆地砂岩地热井热能效率，以提高地热尾水的回灌效率，保证砂岩地区地热开发的良性循环及可持续科学高效发展。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的就在于提供一种砂岩地热井分层开发的方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种砂岩地热井分层开发的方法，包括如下步骤

①：至少获取两个相邻地热井群开发区域砂地比值统计结果，并得到该区域的平均砂地比率；

②：依据平均砂地比率，确定砂体性质，以及确定不同地热井群开发区域热储层非均质性比较结果；

③：以非均质性比较结果最小的至少两个相邻地热井群开发区域为开发区域，分别进行垂直井群或定向井群开发，其具体的步骤为：

A：一开分别采用Ф444.5mm钻头钻至井深450m，然后下Ф339.7mm表层套管至449m，以满足封隔表层松散地层和下入水泵的要求，水泥返至地面；

B：二开采用Ф241.3mm钻头钻至井深3500m，依次由上至下下包网缠丝筛管或桥式筛管复合管柱、注水泥装置及Ф177.8mm套管至3500m，封固3500m之上的至少两个相邻地热井群组及以上地层；

C：利用步骤B中的至少两个相邻地热井群组的井身结构，钻井至3500m完钻后下完177.8mm技术套管后进行固井封固二开井段；

在平均砂地比率较大的地热井群组2500m井段下入152.4mm开窗钻头，进行水平开窗侧钻位移500m至平均砂地比率较小的地热井群组同层位同井深，然后下入139.7mm桥式筛管对接至平均砂地比率较小的地热井群组；

然后平均砂地比率较小的地热井群组3000m井段下入152.4mm开窗钻头进行水平开窗侧钻位移500m至平均砂地比率较大的地热井群组同层位同井深，然后下入139.7mm桥式筛管对接至平均砂地比率较大的地热井群组。

在步骤A中，水泥返至地面的工艺包括在井底构筑好悬挂底座；由表层套管与井身之间下放液压分级注水泥器，由下至上分级段进行水泥固封，并在井口进行水泥固封。

在步骤C中，所述桥式筛管外包桥式滤网。

所述桥式筛管的直径为φ139.7mm，壁厚9.17mm，钢级不低于N80的无缝石油钢管上进行打眼，其孔隙率为11％。

所述桥式滤网每米滤水管包含不低于738个桥缝，桥缝规格为8mm×11mm，其孔隙率约为5％。

在步骤B中，所述套管预留30m上塞，用于二开井水泥封固时与一开井形成对接段。

本发明的有益效果为：提升水热型地热资源的利用效率，提高开发能力，增加主力热储层的过流面积与热能补充，进而提升热能指标，提升采灌能效，使其开发从粗狂式开发逐步转为科学化。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1蓝田-灞河组热储层砂岩孔隙度频率分布图；

图2蓝田-灞河组热储层砂岩渗透率频率分布图；

图3蓝田-灞河组热储层砂岩孔隙度与渗透率关系图；

图4高陵群热储层砂岩孔隙度频率分布图；

图5高陵群热储层砂岩渗透率频率分布图；

图6高陵群热储层砂岩孔隙度与渗透率关系图；

图7为各热储层砂地比率图；

图8为垂直井的开发示意图；

图9为定向井的开发示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

释义：热储层的非均质性是指热储层的基本性质在三维空间分布的不一致性或各向异性，热储层的非均质性决定了热储层中流体的流动、分布特点。热储层的非均质性包括平面非均质性和垂向非均质性，平面非均质性是指热储层砂体的几何形态、规模、连续性以及砂体内孔隙度、渗透率等参数在平面空间分布特征。

热储层垂向非均质性分为层内非均质性和层间非均质性。层内非均质性是指单层砂体层内部垂向上热储层物性的变化。层间非均质性是指砂岩与泥岩组成的层系中，由于储集层与非储集层交替出现而具有的非均质性。在此我们主要研究层间非均质性，层间非均质性属于层系规模的热储层描述，一般地，也常用砂地比研究热储层非均质性。

砂地比是指垂向剖面上的砂岩累计总厚度与地层总厚度之比，以％表示。当砂岩的砂地比大于50％时，表明砂体厚度大、分布面积广，而且砂体的连通性也一般好，垂向上砂体连续叠置；当砂体密度为30～50％时，为局部连通的带状分布砂体；小于30％时为连通性差的孤立性砂体。

参照图8至图9，本发明提供了一种砂岩地热井分层开发的方法，包括如下步骤

①：至少获取两个相邻地热井群开发区域砂地比值统计结果，并得到该区域的平均砂地比率；

②：依据平均砂地比率，确定砂体性质，以及确定不同地热井群开发区域热储层非均质性比较结果；

③：以非均质性比较结果最小的至少两个相邻地热井群开发区域为开发区域，分别进行垂直井群或定向井群开发，其具体的步骤为：

A：一开分别采用Ф444.5mm钻头钻至井深450m，然后下Ф339.7mm表层套管至449m，以满足封隔表层松散地层和下入水泵的要求，水泥返至地面；

B：二开采用Ф241.3mm钻头钻至井深3500m，依次由上至下下包网缠丝筛管或桥式筛管复合管柱、注水泥装置及Ф177.8mm套管至3500m，封固3500m之上的至少两个相邻地热井群组及以上地层；

C：利用步骤B中的至少两个相邻地热井群组的井身结构，钻井至3500m完钻后下完177.8mm技术套管后进行固井封固二开井段；

在平均砂地比率较大的地热井群组2500m井段下入152.4mm开窗钻头，进行水平开窗侧钻位移500m至平均砂地比率较小的地热井群组同层位同井深，然后下入139.7mm桥式筛管对接至平均砂地比率较小的地热井群组；

然后平均砂地比率较小的地热井群组3000m井段下入152.4mm开窗钻头进行水平开窗侧钻位移500m至平均砂地比率较大的地热井群组同层位同井深，然后下入139.7mm桥式筛管对接至平均砂地比率较大的地热井群组。

在步骤A中，水泥返至地面的工艺包括在井底构筑好悬挂底座；由表层套管与井身之间下放液压分级注水泥器，由下至上分级段进行水泥固封，并在井口进行水泥固封，其具体的技术方案已经记载在公开号为：“CN105804654A”技术文献中。

在步骤C中，所述桥式筛管外包桥式滤网。

所述桥式筛管的直径为φ139.7mm，壁厚9.17mm，钢级不低于N80的无缝石油钢管上进行打眼，其孔隙率为11％。

所述桥式滤网每米滤水管包含不低于738个桥缝，桥缝规格为8mm×11mm，其孔隙率约为5％。

在步骤B中，所述套管预留30m上塞，用于二开井水泥封固时与一开井形成对接段。

下表1为二开钻柱强度分析数据表；

注：按钢级G105，壁厚9.19mm新钻杆数据计算。

表2为井身结构设计系数

抽吸压力系数(Sb)	0.036	g/cm<sup>3</sup>	激动压力系数(Sg)	0.036	g/cm<sup>3</sup>
						井涌条件系数(Sk)	0.05	g/cm<sup>3</sup>	安全附加系数(Sf)	0.07	g/cm<sup>3</sup>
正常压差允值	12～15	MPa	异常压差允值	15～20	MPa

表3为套管柱设计：

表3套管数据强度表

表4为套管数据强度表

实施例

本发明以蓝田-灞河组以及高陵群为例，对本发明进行详细的描述。

通过对不同地热井的砂地比值统计，获得蓝田-灞河组平均砂地比32.82％，高陵群的平均砂地比25.46％(见图7)。从图中可以看出，张家坡组和高陵群砂地比均小于30％，说明它们的砂体为孤立砂体；蓝田-灞河组的砂体密度在30～50％之间，说明蓝田-灞河组的砂体为局部连通的带状分布砂体。对比这2个热储层，蓝田-灞河组的热储层非均质性相对较小，高陵群次之，张家坡组最大。

首先是利用原二开井身结构钻井至3500m完钻后下完177.8mm技术套管后进行固井封固二开井段，然后在新近系蓝田-灞河组2500m井段下入152.4mm开窗钻头进行水平开窗侧钻位移500m至连通井同层位同井深，然后下入139.7mm桥式筛管对接至连通井；然后在新近系高陵群3000m井段下入152.4mm开窗钻头进行水平开窗侧钻位移500m至连通井同层位同井深，然后下入139.7mm桥式筛管对接至连通井；两套储层进行不同层位不同井深进行开发，而两种井身结构设计的开发技术理念是相同的，不同在于定向井技术，拉大井间距；该两种技术理念中的井组在一个平台内可互换使用，进而提高了砂岩地热井的开发效率和产能同时确保了真正意义上的取热不耗水，符合国家相关政策要求，提升了新能源开发的安全、环保、科学、高效等性能。

上述的井身结构设计如下表5。

井身结构数据及设计说明

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种砂岩地热井分层开发的方法，其特征在于，包括如下步骤

①：至少获取两个相邻地热井群开发区域砂地比值统计结果，并得到该区域的平均砂地比率；

②：依据平均砂地比率，确定砂体性质，以及确定不同地热井群开发区域热储层非均质性比较结果；

③：以非均质性比较结果最小的至少两个相邻地热井群开发区域为开发区域，分别进行垂直井群或定向井群开发，其具体的步骤为：

A：一开分别采用Ф444.5mm钻头钻至井深450m，然后下Ф339.7mm表层套管至449m，以满足封隔表层松散地层和下入水泵的要求，水泥返至地面；

B：二开采用Ф241.3mm钻头钻至井深3500m，依次由上至下下包网缠丝筛管或桥式筛管复合管柱、注水泥装置及Ф177.8mm套管至3500m，封固3500m之上的至少两个相邻地热井群组及以上地层；

C：利用步骤B中的至少两个相邻地热井群组的井身结构，钻井至3500m完钻后下完177.8mm技术套管后进行固井封固二开井段；

在平均砂地比率较大的地热井群组2500m井段下入152.4mm开窗钻头，进行水平开窗侧钻位移500m至平均砂地比率较小的地热井群组同层位同井深，然后下入139.7mm桥式筛管对接至平均砂地比率较小的地热井群组；

然后平均砂地比率较小的地热井群组3000m井段下入152.4mm开窗钻头进行水平开窗侧钻位移500m至平均砂地比率较大的地热井群组同层位同井深，然后下入139.7mm桥式筛管对接至平均砂地比率较大的地热井群组。

2.根据权利要求1所述的砂岩地热井分层开发的方法，其特征在于，在步骤A中，水泥返至地面的工艺包括在井底构筑好悬挂底座；由表层套管与井身之间下放液压分级注水泥器，由下至上分级段进行水泥固封，并在井口进行水泥固封。

3.根据权利要求1所述的砂岩地热井分层开发的方法，其特征在于，在步骤C中，所述桥式筛管外包桥式滤网。

4.根据权利要求1或3所述的砂岩地热井分层开发的方法，其特征在于，所述桥式筛管的直径为φ139.7mm，壁厚9.17mm，钢级不低于N80的无缝石油钢管上进行打眼，其孔隙率为11％。

5.根据权利要求1或3所述的砂岩地热井分层开发的方法，其特征在于，所述桥式滤网每米滤水管包含不低于738个桥缝，桥缝规格为8mm×11mm，其孔隙率约为5％。

6.根据权利要求1所述的砂岩地热井分层开发的方法，其特征在于，在步骤B中，所述套管预留30m上塞，用于二开井水泥封固时与一开井形成对接段。