CN114370252A - 一种适用于高温地热井的浅孔加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地热资源开发领域，具体公开了一种适用于高温地热井的浅孔加固方法。该方法通过浅层地层的稳定性分析、浅钻布置及深度、井身结构、注入高温水泥量计算和水泥注入方案，在地热井筒周边形成直径12m左右的近圆形水泥加固体，加固地热井周边地层，将井筒周边的热对流变为热传导，大幅降低井筒向周边传递的热量，使井筒周边热显示不发生明显变化，降低气爆和坍塌的风险。
Description
技术领域
本发明属于地热资源开发领域，具体涉及一种适用于高温地热井的浅孔加固方法。
背景技术
高温地热田为地下热水的排泄区，地表多为钙化、泉华、热泉、冒气地表等，浅层堆积物多为钙质或硅质胶结，裂隙较为发育，固结程度低，工程地质条件较差。地热田勘查和开发过程，不可避免的在热显示区实施地热生产井，由于泉华胶结物中孔隙度高、含水性强、热对流强烈，在地热井试验或生产过程中，容易造成以下安全隐患：
(1)气爆
高温井附近钙华或硅华不致密，裂隙中集聚了地下冷水，持续生产情况下，由于井筒内温度较高(一般大于130℃)，井筒周边形成热对流，其将井筒周边冷水迅速加热至沸腾，冷水的持续气化、膨胀，若部分区域蒸汽不能通畅排出，在持续热传导的情况下，产生局部高压，具有气爆的风险。
(2)坍塌
在蒸汽冒出的时候，水汽携带泥沙喷出，容易使地层产生空洞，造成地基不稳定，具有坍塌的风险。
(3)改变现有热显示形式
持续生产情况下，井台周边冒气，改变了井台周边压力平衡状态，必然造成附近地表热显示形式的改变，原有热泉可能会消失，新的热显示可能出现，地表人文景观的改变对附近村民的生活生产易造成不利的影响。
在羊八井地热田开发过程中已经出现气爆、坍塌等现象，因此在地热井施工后，为了保持地热井的持续开发需要施工浅孔加固工程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，该方法通过浅层地层的稳定性分析、浅钻布置及深度、井身结构、注入高温水泥量计算和水泥注入方案，在地热井筒周边形成直径12m左右的近圆形水泥加固体，加固地热井周边地层，将井筒周边的热对流变为热传导，大幅降低井筒向周边传递的热量，使井筒周边热显示不发生明显变化，降低气爆和坍塌的风险。
实现本发明目的的技术方案：
一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、评估浅层地层的稳定性；
步骤S2、布置浅钻加固钻孔及深度；
步骤S3、确定井身结构；
步骤S4、确定注入水泥量；
步骤S5、确定水泥注入方法。
所述步骤S1中影响浅层地层稳定性的因素包括：有沸泉、冒气孔；地热井施工过程中，热泉或冷泉流量变幅超过20％；地热井施工过程中，热泉或冷泉出现浑浊现象；地热井施工过程中，新出现温泉、冒气地表。
所述步骤S2包括：
步骤S2.1、平面布置浅钻加固钻孔；
步骤S2.2、确定浅钻加固钻孔深度；
步骤S2.3、确定钻孔顺序。
所述步骤S2.1具体为：浅钻加固钻孔沿区域主构造发育方向间隔均匀布置，浅钻加固钻孔距离地热井距离在主构造方向上为0.5a，垂直于主构造方向上约为0.5b，其中，a为水泥加固体椭圆半长轴长度，b为水泥加固体椭圆半短轴长度。
所述步骤S2.3具体为：沿着区域主控热构造方向在地热井前后先施工半长轴方向上的浅孔；再于主构造的一侧施工浅孔，随后是于主构造的另一侧施工浅孔。
所述步骤S3具体为：浅孔采用两开钻进，一开钻进10m，并在套管上安装防喷器，二开钻进设计深度。
所述步骤S4具体为：
浅井以平均分布地热井周边，注入水泥的影响半径为浅孔到生产井距离的两倍，单口浅井注入的水泥量平均为：
式中，Q—浅井注入的平均水泥量，m3；
H—浅井施工深度，m；
a—注入水泥影响范围半长轴长度，m；
b—注入水泥影响范围半短轴长度，m；
所述步骤S5包括：
步骤S5.1、确定注入压力；
步骤S5.2、确定加固施工方法；
步骤S5.3、确定钻井液。
本发明的有益技术效果在于：
1、本发明提供的一种适用于高温地热井的浅孔加固方法通过注入高温水泥，加固地层的方法，将井筒周边的热对流变为热传导，能够大幅降低高温地热井周边发生气爆和坍塌的风险。
2、本发明在地热井周边施工加固浅孔具有较强的可行性，对周边环境影响较小。通过浅孔加工工程，填充了地热井周边孔隙和裂隙，将地热井周边的热对流变为热传导，大幅降低井筒向周边传递的热量，降低气爆和坍塌的风险，从根本上保证了地热井的安全。
3、本发明适用于我国西藏、四川、云南、新疆等地的高温地热田地热井加固的技术方法，为保护地热生产井安全和可持续开发提供技术支撑。
4、在高温地热田的热显示区，高温地热井浅孔加固技术将成为地热井可持续开发利用所必须采取的技术手段。
附图说明
图1为本发明所提供的一种适用于高温地热井的浅孔加固方法中浅井加固孔布置示意图；
图2为本发明所提供的一种适用于高温地热井的浅孔加固方法中浅井井身结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、评估浅层地层的稳定性
高温地热井周边多为钙化、硅化、热泉、冒气地表等，裂隙较为发育，工程地质条件较差，为了保持地热井的可持续开发利用，井口周边50m范围出现以下情况中的一种，则需要采取浅孔加固技术：有沸泉、冒气孔；地热井施工过程中，热泉或冷泉流量变幅超过20％；地热井施工过程中，热泉或冷泉出现浑浊现象；地热井施工过程中，新出现温泉、冒气地表。
步骤S2、布浅钻加固钻孔及深度
步骤S2.1、平面布置浅钻加固钻孔
地热井一般采用一开钻头为666mm，导管直径508mm，外部水泥固井，固井水泥外侧半径约0.35m。浅钻加固钻孔，即浅孔，围绕生产井以60度为间隔均匀布置6个浅孔，如图1所示，沿区域主构造发育方向布置，浅孔距离地热井距离在主构造方向上为0.5a，垂直于主构造方向上约为0.5b。注入水泥后，形成长轴方向2a m，短轴方向2b m的椭圆区域。其中，a为水泥加固体半长轴的长度，b为水泥加固体半短轴的长度。
步骤S2.2、确定浅钻加固钻孔深度
浅孔施工深度根据地热井揭露的泉华深部确定，根据前期施工的地热井钻遇地层的情况，一般原则是穿透泉华和碎裂带，进入稳定岩体或地层 5m；
步骤S2.3、确定钻孔顺序
沿着区域主控热构造方向在地热井前后先施工半长轴方向上的两个浅孔QJ1和QJ4；再于主构造的一侧施工两个浅孔QJ2、QJ3，随后是QJ5、 QJ6。
步骤S3、确定井身结构
浅孔采用两开钻进，如图2所示。一开采用
钻头，钻进10m，下219mm的套管10m，固井，直至水泥浆返回地表，侯凝；在219mm套管上安装防喷器，一是预防高温高压热水的涌出，二是便于注入水泥；二开用150mm钻头，直到设计深度。
步骤S4、确定注入水泥量
浅井以平均分布地热井周边，注入水泥的影响半径为浅孔到生产井距离的两倍，单口浅井注入的水泥量平均为：
Q—浅井注入的平均水泥量，m3
H—浅井施工深度，m
a—注入水泥影响范围半长轴长度，m
b—注入水泥影响范围半短轴长度，m
沿主构造方向上施工的两个浅井QJ1和QJ4，渗透性相对较好，周边裂隙没有被填充，注入水泥量较多，QJ1和QJ4注入的水泥量可以控制在单口浅井注入的平均水泥量的1.3倍。为了保持地表人文景观，QJ2、QJ3、 QJ5、QJ6注入的水泥量每口井不宜超过单口浅井注入的平均水泥量的1.1 倍。
步骤S5、确定水泥注入方法
本发明采用逐段施工、多次加固的方案，注入耐高温水泥。
步骤S5.1、确定注入压力
注入压力不超过净水压力。
步骤S5.2、确定加固施工方法
二开钻进过程中，钻进到裂隙发育或破碎的位置，即注入耐高温水泥，侯凝，扫塞，继续钻进；如果没有明显的破碎带，每10m即注入耐高温水泥一次，侯凝，扫塞，继续钻进。直至进入稳定岩体或地层5m。
上段注入的耐高温水泥，形成封闭体系后，减少地热钻进过程中的涌水量，保持上层地层和井壁的稳定性；下段钻进过程如果遇到不可预见情况，可以提供更多的处理时间。
浅井深度一般30m～100m，最后一次注入水泥，将井筒用水泥封堵。
步骤S5.3、确定钻井液
为了减少泥浆对浅层孔隙和裂隙的堵塞，以便注入较多的水泥，浅孔采用清水钻进。岩屑经沉淀过滤后，清水循环施工，减少外排量。
本专利提出了评估浅层地层稳定性的原则，确定了浅钻平面布置、施工深度和施工顺序，提出二开的井身结构，计算了注入的水泥量，采用逐段施工、多次注入耐高温水泥的方法。本发明专利提出的高温地热井浅钻加固方法实用性强、可靠性高，采用该方法处理过的高温地热井，能够保持中高温地热井的可持续性生产。
实施例
以谷露高温地热井为例，提供一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，具体包括以下步骤：
谷露ZK101井施工与2020年9月-10月，位于地热田的热显示区，地热井周边50m范围内有冒气孔、沸泉、热泉，在地热井施工过程中，距离井口30m的泉水出现浑浊现象。谷露地热田位于那曲-羊八井地热带上，主控热构造在本区为北东20°。该井0～60m为泉华，65-70m为风化壳型浅层高温热储，在完井试放喷过程中，放喷时间超过5分钟，井口周边就涌出大量水蒸气，影响试验工作安全和地热井的开发利用。因此需要对ZK101 井采取浅孔加固工程。
步骤S1、评估浅层地层的稳定性
ZK101井周边多为硅华地层，主控热构造在本区为北东20°，地表发育北北东向构造裂隙。在井口周边50m范围内，有沸泉、冒气孔；地热井施工过程中，热泉或冷泉出现浑浊现象，新出现多处温泉和冒气地表，对周边热显示有较为明显的改变。以上现象说明ZK101井周边工程地质条件较差，需要在井口周边的地层中注入耐高温水泥，以便阻断周边的热对流，降低ZK101井汽爆和坍塌的风险。
步骤S2、布置浅钻加固钻孔及深度
步骤S2.1、平面布置浅钻加固钻孔
ZK101井井一开钻头为666mm，导管直径508mm，固井水泥外侧半径约0.35m，固井质量良好。浅钻加固钻孔围绕生产井以60度为间隔均匀布置6个浅孔，沿区域主构造发育方向布置，浅孔距离地热井距离在主构造方向上为3.5m，垂直于主构造方向为3m。注入水泥后，形成长轴方向14m，短轴方向12m的椭圆区域。
步骤S2.2、确定浅钻加固钻孔深度
根据地热井揭露情况，ZK101硅化厚度60m，65～70m为基岩风化壳热储，浅钻施工深度为75m；
步骤S2.3、确定钻孔顺序
沿着北北东20°的主构造方向上，先施工两个浅孔QJ1和QJ4，在；再于主构造的一侧前后施工两个浅孔QJ2、QJ3，随后是QJ5、QJ6。
步骤S3、确定井身结构
浅孔采用两开钻进，如图2所示。一开采用
钻头，钻进10m，下219mm的套管10m，固井，直至水泥浆返回地表，侯凝；在219mm套管上安装防喷器，一是预防高温高压热水的涌出，二是便于注入水泥；二开用150mm钻头，直到设计深度。
步骤S4、确定注入水泥量
注入耐高温水泥，注入压力不超过净水压力。
浅井以平均分布地热井周边，注入水泥的影响半径为浅孔到生产井距离的两倍，单口浅井注入的水泥量平均为：
Q—浅井注入的平均水泥量，m3；
H—浅井施工深度，75m；
a—注入水泥影响范围半长轴长度，7m；
b—注入水泥影响范围半短轴长度，6m；
单井注入的水泥量平均为114m3。
沿主构造方向上施工的两个浅井QJ1和QJ4，渗透性相对较好，周边裂隙没有被填充，注入水泥量较多，QJ1和QJ4井注入的水泥量为单口浅井注入的平均水泥量的1.3倍。
为了保持地表人文景观，QJ2、QJ3、QJ5、QJ6注入的水泥量，每口井不超过平均水泥量的1.1。
步骤S5、确定水泥注入方法
在ZK101井采用逐段施工、多次加固的方案，注入耐高温水泥。
步骤S5.1、确定注入压力
注入压力不超过净水压力。
步骤S5.2、确定加固施工方法
二开钻进过程中，钻进到裂隙发育或破碎的位置，即注入耐高温水泥，侯凝，扫塞，继续钻进；如果没有明显的破碎带，每10m即注入耐高温水泥一次，侯凝，扫塞，继续钻进。直至75m。最后一次注入水泥，将井筒用水泥封堵。
步骤S5.3、确定钻井液
为了减少泥浆对浅层孔隙和裂隙的堵塞，以便注入较多的水泥，浅孔采用清水钻进。岩屑经沉淀过滤后，清水循环施工，减少外排量。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
Claims (8)
1.一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、评估浅层地层的稳定性；
步骤S2、布置浅钻加固钻孔及深度；
步骤S3、确定井身结构；
步骤S4、确定注入水泥量；
步骤S5、确定水泥注入方法。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，其特征在于，所述步骤S1中影响浅层地层稳定性的因素包括：有沸泉、冒气孔；地热井施工过程中，热泉或冷泉流量变幅超过20％；地热井施工过程中，热泉或冷泉出现浑浊现象；地热井施工过程中，新出现温泉、冒气地表。
3.根据权利要求2所述的一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.1、平面布置浅钻加固钻孔；
步骤S2.2、确定浅钻加固钻孔深度；
步骤S2.3、确定钻孔顺序。
4.根据权利要求3所述的一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，其特征在于，所述步骤S2.1具体为：浅钻加固钻孔沿区域主构造发育方向间隔均匀布置，浅钻加固钻孔距离地热井距离在主构造方向上为0.5a，垂直于主构造方向上约为0.5b，其中，a为水泥加固体椭圆半长轴长度，b为水泥加固体椭圆半短轴长度。
5.根据权利要求4所述的一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，其特征在于，所述步骤S2.3具体为：沿着区域主控热构造方向在地热井前后先施工半长轴方向上的浅孔；再于主构造的一侧施工浅孔，随后是于主构造的另一侧施工浅孔。
6.根据权利要求5所述的一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：浅孔采用两开钻进，一开钻进10m，并在套管上安装防喷器，二开钻进设计深度。
7.根据权利要求6所述的一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：浅井以平均分布地热井周边，注入水泥的影响半径为浅孔到生产井距离的两倍，单口浅井注入的水泥量平均为：
式中，Q—浅井注入的平均水泥量，m3；
H—浅井施工深度，m；
a—注入水泥影响范围半长轴长度，m；
b—注入水泥影响范围半短轴长度，m；
8.根据权利要求7所述的一种适用于高温地热井的浅孔加固方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
步骤S5.1、确定注入压力；
步骤S5.2、确定加固施工方法；
步骤S5.3、确定钻井液。
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