CN115848883A - 一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺，属于二氧化碳地质封存技术领域；其包括：表层套管，表层套管设置于钻孔内，表层套管与钻孔之间设置有水泥环；表层套管内设置有技术套管；监测管，监测管设置于表层套管与技术套管之间，并与技术套管相邻设置；注二氧化碳装置，注二氧化碳装置包括注二氧化碳管和双级封隔器；双级封隔器套设在注二氧化碳管底部与技术套管的环状间歇中。本发明提供的咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺实现了实现了咸水层二氧化碳注入、注入咸水层的二氧化碳监测、双级分隔器密封状况监测。

Description

一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺

技术领域

本发明涉及二氧化碳地质封存技术领域，具体涉及一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺。

背景技术

咸水层二氧化碳地质封存是指通过工程技术手段将大型排放源企业生产过程中产生的二氧化碳捕集并注入地下深部咸水层中进行封存的技术，实现二氧化碳与大气长期隔绝，是一种减排新技术，是应对全球气候变化的关键技术之一。

在咸水层二氧化碳地质封存试验中，需要将二氧化碳注入地下深部设计的咸水层中，并对其进行监测研究。试验井是将二氧化碳注入目的地层中的通道，是对注入地层中的二氧化碳及其对地层影响进行长期监测研究的基础和关键，成井结构及工艺是试验井能否达到项目要求的关键。现今咸水层二氧化碳地质封存还处于试验阶段，相关工艺技术还不熟悉，还未有成熟的咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺，借鉴其它行业已有成井结构及工艺无法满足项目在咸水层注二氧化碳及监测研究方面的要求。

因此，急需一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺以实现在咸水层注二氧化碳及监测研究，确保整个装置能够长期保持稳定的状态。

发明内容

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构，包括：

表层套管，所述表层套管设置于钻孔内，所述表层套管与所述钻孔之间设置有水泥环；所述表层套管内设置有技术套管，所述技术套管由地面向下延伸至钻孔底部；所述技术套管顶部安装有可拆卸的井口密封装置；

监测管，所述监测管设置于所述表层套管与所述技术套管之间，并与所述技术套管相邻设置，由地面向下延伸至监测目的层；

注二氧化碳装置，所述注二氧化碳装置包括注二氧化碳管和双级封隔器，所述注二氧化碳管由地面向下延伸至射孔位置上部，所述注二氧化碳装置高出地面端接井口密封装置；所述双级封隔器套设在注二氧化碳管底部与技术套管的环状间隙中。

进一步地，所述表层套管、所述技术套管、所述注二氧化碳管和所述水泥环同轴设置。

进一步地，所述的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构的工艺，包括：

S1，钻孔

表层钻进至设计深度后下入表层套管，继续钻进至设计目的层位后停止钻进；

S2，电测井；

S3，成井套管下管

将旁侧监测装置安装在技术套管上，并随技术套管下入，连接丝扣涂抹密封紧固胶；技术套管下至设计深度后，循环调整钻井液性能、冲洗技术套管与钻孔环空；

S4，注水泥浆固井

在注水泥浆固井作业过程中，通过打压设备向监测管内打压至设计值，使监测管底部的橡胶囊膨胀，使橡胶囊在技术套管与钻孔孔壁间形成无水泥浆的空腔；

S5，刮管

下入刮管器，清除双级分隔器下入深度以上的技术套管内壁上残留的水泥；

S6，射孔连通

通过射孔连通技术套管与目的地层，形成二氧化碳注入通道；

S7，注二氧化碳装置安装

在技术套管顶部安装井口密封装置外壳，下入双级封隔器及注二氧化碳管至设计深度，将注二氧化碳管悬挂坐封在井口密封装置外壳上，并采用螺钉固定；使用打压设备通过注二氧化碳管对双级封隔器打压，使双级分隔器膨胀锚在技术套管上，封隔注二氧化碳管与技术套管的环状间隙；

S8，安装井口装置及旁侧监测装置并打压使旁侧管与监测地层连通。

进一步地，步骤S8中具体包括以下步骤：

S81，在注二氧化碳管顶部接旋塞阀和打压设备管汇，向注二氧化碳管内打压进行试注，并通过井口密封装置上的监测仪表检验双级封隔器的密封情况；

S82，向旁侧监测管内打压设计值、压裂其底部橡胶囊，实现监测管与监测地层连通，实现监测射孔位置至监测位置地层与水泥环界面、技术套管与水泥环界面密封状况及注二氧化碳对上覆地层影响状况的目标；

S83，在监测管顶部安装监测仪表，检查现场设备设施，通过地面灌注设备、井口密封装置、注二氧化碳管、技术套管、射孔连通通道，将二氧化碳注入至设计地层中；

S84，关闭井口密封装置上的旋塞，在井口密封装置顶部安装监测仪表，通过井口密封装置顶部仪表监测注入目的层的二氧化碳状况，通过井口密封装置侧部仪表监测注二氧化碳管与技术套管环空状况，通过旁侧监测管顶部仪表监测注二氧化碳对上覆地层的影响。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明设计的成井结构通过技术套管、双级封隔器、注二氧化碳管及井口密封装置，实现了咸水层二氧化碳注入、注入咸水层的二氧化碳监测、双级分隔器密封状况监测，同时，通过井口密封装置，增强了注二氧化碳管与技术套管环空间歇出现异常情况时的处理能力；

2、通过旁侧监测装置实现了对地层与水泥环界面、水泥环与技术套管界面密封性能的监测及目的层上覆地层受注二氧化碳影响的监测；

3、成井结构中设计构件均采用不锈钢制作，具有良好的防二氧化碳腐蚀性能，确保整个装置能够长期保持稳定的状态；

4、结合本发明设计的咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构，研究出的咸水层二氧化碳地质封存试验成井工艺流程，可操作性强、易于实施，完善了咸水层二氧化碳地质封存试验成井工艺，为咸水层二氧化碳地质封存试验奠定了基础；

5、本发明设计的成井结构和工艺流程，达到了容易操作和降低成本的目的。

附图说明

图1为本发明提供的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺示意图；

图2为本发明提供的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺的下入技术套管及旁侧监测装置后井身结构示意图；

图3为本发明提供的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺的固井后井身结构示意图；

图4为本发明提供的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺的射孔后井身结构示意图；

图5为本发明提供的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺的安装注二氧化碳装置、井口密封装置后构示意图；

图6为本发明提供的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺的封隔器打开、橡胶囊压裂后结构示意图；

图7为本发明提供的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺的注二氧化碳作业示意图；

图8为本发明提供的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构及工艺的监测过程中结构示意图。

其中：1、表层套管；2、水泥环；3、钻孔；4、监测管；5、技术套管；6、钢丝网；7、橡胶囊；8、注二氧化碳管；9、双级封隔器；10、井口密封装置；11、上覆地层；12、盖层；13、目的层；14、射孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

参照图1-4，本实施例中的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构，包括：

表层套管1，表层套管1设置于钻孔3内，表层套管1与钻孔3之间设置有水泥环2；表层套管1内设置有技术套管5，技术套管5由地面向下延伸至钻孔3底部；技术套管5顶部可拆卸设置有井口密封装置10；

监测管4，监测管4设置于表层套管1与技术套管5之间，并与技术套管5相邻设置；

注二氧化碳装置，注二氧化碳装置包括注二氧化碳管8和双级封隔器9，注二氧化碳管8安装在技术套管5内，由地面向下延伸至射孔14上部；双级封隔器9套设在注二氧化碳管8底部与技术套管5的环状间隙中。

表层套管1、技术套管5、注二氧化碳管8和水泥环2同轴设置。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行的详细设置。

咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构主要由地下成井套管、水泥环2、注二氧化碳装置、旁侧监测装置及地面井口密封装置10组成。

成井套管分表层套管1和技术套管5；表层套管1主要起到在钻探施工中表层护壁和技术套管5固井后表层空缺时回注作用，采用常规的石油套管；技术套管5一方面形成注二氧化碳装置安装空间，另一方面与水泥环2共同封隔上部地层、避免注入的二氧化碳对上覆地层11造成影响，其需要与二氧化碳接触，采用了防酸腐钢材和气密封型丝扣，确保密封性能和满足长期使用要求，技术套管5下入长度由设计确定，底部接浮箍、浮鞋等固井工具，顶部高出地面端与井口密封装置10外壳通过丝扣连接。

技术套管5与钻孔3间隙注入耐酸腐蚀体系水泥浆，水泥浆凝固后形成水泥环2封隔上部地层、避免注入的二氧化碳对上覆地层11造成影响。

注二氧化碳装置由注二氧化碳管8及双级封隔器9组成，安装在技术套管5内；注二氧化碳管8采用具有耐酸腐蚀涂层的油管，确保长期使用性能，上接井口密封装置10中的坐封、下接双级分隔器9，连通地面注二氧化碳设备及射孔14连通目的地层，形成注二氧化碳通道；双级封隔器9采用耐酸腐蚀钢材，确保长期使用性能，安装在注二氧化碳管8的底端，封隔注二氧化碳管8和技术套管5环空间隙，阻止注入目的层13的二氧化碳沿注二氧化碳管8与技术套管5的环空上移。

旁侧监测装置由监测管4、钢丝网6及橡胶囊7组成，安装在技术套管5的一侧、随技术套管5下至孔内设计监测层位；监测管4起连通设计监测层位与地面监测仪表的作用，采用具有良好耐腐蚀性能的高强度铝合金圆管，尺寸规格为外径40m、内径30mm，监测管4顶部高出地面、连接地面监测仪表，底面做成马蹄状、接钢丝网6和橡胶囊7；钢丝网6钢丝直径为1mm、孔眼尺寸为5X5mm，焊接在监测管4的马蹄状底面上，起到在监测管下入过程中防止橡胶囊7被压入监测管4内、甚至压破的情况出现。

橡胶囊7采用特种橡胶制作，根据设计下入深度、钻井液密度、固井水泥浆密度设计其破裂压力，根据设计下深处钻孔孔径及技术套管外径设计其定压膨胀体积，在固井注水泥浆时，监测管4连接地面打压设备打压至设计值，使橡胶囊7膨胀、在技术套管5与钻孔3环空形成无水泥浆的空腔，水泥浆凝固后，再次通过监测管4打压，使橡胶囊7破裂，实现监测管4与监测地层连通，实现监测射孔位置至监测位置地层与水泥环2界面、技术套管5与水泥环2界面密封状况及注二氧化碳对上覆地层影响状况的目标。

井口密封装置10采用不锈钢制作，具备良好的耐酸腐蚀性能，其外壳通过丝扣连接在技术套管5顶部，内部装置下接注二氧化碳管8、上可接注二氧化碳设备管汇及监测仪表，实现注二氧化碳管8悬挂、注二氧化碳管8与技术套管5环空井口密封、注二氧化碳管8内内腔及其与技术套管5环空状况监测等功能，如注二氧化碳管8与技术套管5环空出现异常，可及时通过井口密封装置10回压端进行回压处理。

实施例3

本实施例是在实施例2的基础上进行的详细设置。

在本实施例中，一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构的工艺，包括：

S1，钻孔3

表层钻进至设计深度后下入表层套管1，继续钻进至设计目的层13位后停止钻进；

S2，电测井；

S3，成井套管下管

将旁侧监测装置安装在技术套管5上，并随技术套管5下入，连接丝扣涂抹密封紧固胶；技术套管5下至设计深度后，循环调整钻井液性能、冲洗技术套管5与钻孔3环空；

S4，注水泥浆固井

在注水泥浆固井作业过程中，通过打压设备向监测管4内打压至设计值，使监测管4底部的橡胶囊7膨胀，使技术套管5与钻孔3孔壁间形成无水泥浆的空腔；

S5，刮管

下入刮管器，清除双级分隔器下入深度以上的技术套管5内壁上残留的水泥；

S6，射孔14连通

连通技术套管5与目的地层，形成二氧化碳注入通道；

S7，注二氧化碳装置安装

在技术套管5顶部安装井口密封装置10外壳，下入双级封隔器9及注二氧化碳管8至设计深度，将注二氧化碳管8悬挂坐封在井口密封装置10外壳上，并采用螺钉固定；

S8，安装井口装置及旁侧监测装置并打压使旁侧管与监测地层连通。

实施例4

本实施例是在实施例3的基础上进行的详细设置。

在本实施例中，表层钻进至设计深度后下入表层套管，穿过盖层12继续钻进至设计目的层位后进行电测井作业；根据电测井数据及钻进过程中录井数据，确定技术套管5下入深度、注二氧化碳目的地层深度及旁侧监测目的地层深度等数据，然后进行技术套管5下管作业，旁侧监测装置安装在技术套管5上，随技术套管下入，连接丝扣涂抹密封紧固胶确保密封；

技术套管5下至设计深度后，循环调整钻井液性能、冲洗技术套管与钻孔环空，随后进行注水泥浆固井作业，在注水泥浆固井作业过程中，通过打压设备向监测管4内打压至设计值，使监测管4底部的橡胶囊7膨胀，在技术套管5与钻孔3孔壁间形成无水泥浆的空腔；注水泥浆固井结束后等待侯凝，下入刮管器清除双级分隔器9设计下入深度以上技术套管5内壁上残留的水泥，然后进行射孔作业，连通技术套管5与目的地层，形成二氧化碳注入通道；

射孔14连通技术套管5注入目的层13后，在技术套管5顶部安装井口密封装置10外壳，下入双级封隔器9及注二氧化碳管8至设计深度，将注二氧化碳管8悬挂坐封在井口密封装置10外壳上，并采用螺钉固定；

安装注二氧化碳装置及井口密封装置10后，在注二氧化碳管8顶部接旋塞阀和打压设备管汇，向注二氧化碳管8内打压至设计值、打开双级封隔器9，然后进行试注，并通过井口密封装置10上的监测仪表检验双级封隔器9的密封情况，随后向旁侧监测管4内打压设计值、压裂其底部橡胶囊7，实现监测管4与监测地层连通，实现监测地层与水泥环界面、技术套管5与水泥环界面密封状况及注二氧化碳对上覆地层11影响状况的目标；

双级封隔器9打开、橡胶囊7压裂后，在监测管4顶部安装监测仪表，检查现场设备设施，一切准备就绪后，开始进行注二氧化碳作业，通过地面灌注设备、井口密封装置10、注二氧化碳管8、技术套管5、射孔14连通通道，将二氧化碳注入至设计地层中；二氧化碳注入作业结束后，关闭井口密封装置10上的旋塞、在井口密封装置10顶部安装监测仪表，通过井口密封装置10顶部仪表监测注入目的层13的二氧化碳状况，通过井口密封装置10侧部仪表监测注二氧化碳管与技术套管环空状况，通过旁侧监测管4顶部仪表监测注二氧化碳对上覆地层11的影响。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构，其特征在于，包括：

表层套管，所述表层套管设置于钻孔内，所述表层套管与所述钻孔之间设置有水泥环；所述表层套管内设置有技术套管，所述技术套管由地面向下延伸至钻孔底部；所述技术套管地面上端接可拆卸井口密封装置；

监测管，所述监测管设置于所述表层套管与所述技术套管之间，并与所述技术套管相邻设置，由地面向下延伸至监测目的层；

注二氧化碳装置，所述注二氧化碳装置包括注二氧化碳管和双级封隔器，所述注二氧化碳管安装在所述技术套管内，并由地面向下延伸至射孔位置上部，所述注二氧化碳装置高出地面端接井口密封装置；所述双级封隔器套设在注二氧化碳管底部与技术套管的环状间隙中。

2.根据权利要求1所述的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构，其特征在于，所述表层套管、所述技术套管、所述注二氧化碳管和所述水泥环同轴设置。

3.根据权利要求1所述的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构的工艺，其特征在于，包括：

S1，钻孔

表层钻进至设计深度后下入表层套管，继续钻进至设计目的层位后停止钻进；

S2，电测井；

S3，成井套管下管

将旁侧监测装置安装在技术套管上，并随技术套管下入，连接丝扣涂抹密封紧固胶；技术套管下至设计深度后，循环调整钻井液性能、冲洗技术套管与钻孔环空；

S4，注水泥浆固井

在注水泥浆固井作业过程中，通过打压设备向监测管内打压至设计值，使监测管底部的橡胶囊膨胀，使橡胶囊在技术套管与钻孔孔壁间形成无水泥浆的空腔；

S5，刮管

下入刮管器，清除双级分隔器下入深度以上的技术套管内壁上残留的水泥；

S6，射孔连通

通过射孔连通技术套管与目的地层，形成二氧化碳注入通道；

S7，注二氧化碳装置安装

在技术套管顶部安装井口密封装置外壳，下入双级封隔器及注二氧化碳管至设计深度，将注二氧化碳管悬挂坐封在井口密封装置外壳上，并采用螺钉固定；使用打压设备通过注二氧化碳管对双级封隔器打压，使双级分隔器膨胀锚在技术套管上，封隔注二氧化碳管与技术套管的环状间隙；

S8，安装井口装置及旁侧监测装置并打压使旁侧管与监测地层连通。

4.根据权利要求3所述的一种咸水层二氧化碳地质封存试验成井结构的工艺，其特征在于，步骤S8中具体包括以下步骤：

S81，在注二氧化碳管顶部接旋塞阀和打压设备管汇，向注二氧化碳管内打压进行试注，并通过井口密封装置上的监测仪表检验双级封隔器的密封情况；

S82，向旁侧监测管内打压设计值、压裂其底部橡胶囊，实现监测管与监测地层连通，实现监测射孔位置至监测位置地层与水泥环界面、技术套管与水泥环界面密封状况及注二氧化碳对上覆地层影响状况的目标；

S83，在监测管顶部安装监测仪表，检查现场设备设施，通过地面灌注设备、井口密封装置、注二氧化碳管、技术套管、射孔连通通道，将二氧化碳注入至设计地层中；

S84，关闭井口密封装置上的旋塞，在井口密封装置顶部安装监测仪表，通过井口密封装置顶部仪表监测注入目的层的二氧化碳状况，通过井口密封装置侧部仪表监测注二氧化碳管与技术套管环空状况，通过旁侧监测管顶部仪表监测注二氧化碳对上覆地层的影响。

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