摘要:过滤器挤毁是地热井施工中较为常见的一种事故。对过滤器挤毁事故类型、成因以及处理技术进行了分析和研究,并以一起由挤毁引起的地热深井内复杂事故处理为例,阐述了其解决方法和体会。
关键词:地热井;桥式过滤器;变形;挤毁;事故处理
中图分类号: TE249 文献标识码:B 文章编号:1672 - 7428 (2006) 03 - 0041 - 03
1 过滤器挤毁事故类型与成因
1.1 过滤器挤毁事故类型
在松散层中地热钻探成井,一般采用的是ª159mm 桥式过滤器。它是由普通钢板冲压后再卷焊而成的一种过滤器,其厚度在513～517 mm 之间。此类型的过滤器出现挤毁和变形事故常发生在下管过程、投砾过程或洗井抽水过程3 个阶段。按变形量划分其过滤器断面可能出现椭圆形和线状(完全挤压) 2 种类型,其中多数情况下出现后者类型的事故,如图1 所示。
图1(a) 是过滤器挤毁变形量较小,其过流断面为椭圆形。这种情况下,井内的桥式过滤器整体存在压应力和拉应力,此时的桥式缝隙将出现不均匀的张开和挤压,甚至撕裂或焊缝开裂。由于过流断面和桥式缝隙的变形,将导致地热井出砂严重和水量大幅度降低,同时对地热井的质量和使用寿命埋下隐患。图1 (b) 是过滤器完全挤毁示意图,其过流断面呈不规则线状,这种情况下几乎使地热井处于报废状态。
1. 2 井内过滤器挤毁事故的成因
(1) 过滤器材质和加工工艺问题。由于目前的桥式过滤器都是用普通钢板冲压卷焊而成,所以,在强度上与井内其它无缝钢管或石油套管相差很远。
(2) 井管内外形成较大的压力差。当井管内液柱过低而不能与管外的地层压力相平衡时,则会发生井管或过滤器挤毁事故,这也是发生该类问题的最主要原因。产生压力差现象的根源是泥浆问题和换浆不彻底,导致过滤器堵塞,井管内外流体不循环和贯通,在这种情况下,井管内形成较大负压,巨大的地层压力很容易将井管或过滤器挤毁。此类问题在下管、大降深洗井和抽水时容易发生。
(3) 过滤器瞬间受到冲击作用。当下完井管投砾时,若遇到井眼坍塌、局部缩径或砾料“架桥”(投砾过快) 等情况时,在瞬间坍塌或坠落将会对强度较低的过滤器产生巨大的冲击力并使其变形或挤毁。上述3 方面原因除了第一个是客观存在问题外,实际上都和泥浆使用有很大关系。也就是说:在整个钻井过程中泥浆性能不好,形成的泥皮过厚或使护壁效果差,则容易产生堵塞或掉块、“架桥”等问题,从而为事故的发生提供了条件。
2 过滤器挤毁事故预防措施及处理技术
2. 1 预防措施
所有的事故都应该作到预防为主,特别是在第四系和新近系地层中钻井,最容易发生的事故之一就是过滤器的变形或挤毁。所以在该类地层中从开钻到完井整个过程都必须作到严格、谨慎、细致。
(1) 井口保护管或表层技术套管必须安装在粘土等相对稳定的地层中,并用粘土球或水泥固定牢靠,防止下管冲孔换浆时井口坍塌或表层保护管下沉倾斜。
(2) 整个钻井过程中一定要控制泥浆的性能指标,避免泥皮过厚和失水量过大,防止在下管或投砾时大量泥皮堵塞或井壁崩落而形成压力差或冲击过滤器。
(3) 投砾过程必须缓慢,严禁速度过快造成“架桥”现象,当架桥的砾料瞬间坍塌时,一方面携带大量的泥皮沉入井底,造成堵塞问题;另一方面对下部过滤器造成瞬间巨大的冲击力。
(4) 井内存在漏失和下管过程中,注意井内液面变化。当井筒液面较低或有下降趋势时,立即向井内进行回灌,保持井内压力平衡。
2. 2 处理技术
若在下管过程中出现过滤器变形或挤毁事故,马上起拔已下入的所有井管,然后对事故过滤器进行更换,进行完探孔后再次下入即可,必要时可重新配制泥浆进行循环,以达到井壁稳定和不产生堵塞之目的。在这个过程中出现过滤器变形或挤毁事故很难及时发现,往往都是在洗井或抽水时感觉水量有较大出入时才发现。
当完井后发现过滤器挤毁时,井内千余米的井管被砾料围填阻力增大,此时的井管已经不可能拔出,这种情况下以往几乎整个钻井工程只有报废重新施工或赔偿。现在随着技术进步和石油钻井工艺、工具的引进,为该类事故的成功处理提供了新的希望和方法。目前在地热钻井或水文水井工程中处理该类事故的工具可以借鉴石油套管整形器,并结合事故和变形情况加以适当改进即可。如图2 、图3分别是石油套管整形器和改装后的整形器。该整形器具有上下进行冲击旋转挤胀的双作用功能,工作安全、方便、可靠、快捷,效果显著。
当过滤器变形较轻时,可以直接使用图2 所示的套管整形器进行修复;当过滤器变形严重或挤毁时,直接采用图2 的整形器效果差甚至无法修复,此时必须使用图3 改装后的套管整形器。即在整形器下端加焊1～2 m 铲形的短节,这样容易把挤毁的过滤器冲开。
在操作中泵量尽可能选择最大,转速为最低,井内钻具压力在40～60 kN 之间,过大容易把过滤器冲击碎,一般情况下逐步缓慢对变形过滤器施加冲击力。这样反复动作即可使变形的过滤器冲开,注意每冲开3～5 m 后,要上下拉动钻具,避免井内过滤器再次变形而卡住钻具。待井内的所有挤毁过滤器冲开以后,最好再下入小一级的过滤管起支撑作用,否则当抽水时,一旦水位下降形成压力差则很容易使过滤器再次变形或挤毁。
表1是不同型号双作用套管整形器适应的井管尺寸,在实际中可以结合具体情况进行选择。
3 一起典型的过滤器挤毁事故处理实例
2005年7月,我们在郑州施工一眼1200 m 地热井,下完井管投砾后洗井时发现不出水(开泵4min 断流) ,在该地区正常情况下水量相当大,一般在40～60 m3 / h ,所以初步判断是过滤器挤毁。经过探测证实了判断,并且其过流断面呈线状,下部热水几乎全部被封闭。这是一起典型的过滤器挤毁事故,此前在该地区曾出现类似事故而报废过2眼地热井。
3.1 地层与成井基本情况
地层为第四系和新近系,主要以粘土、细砂、粉砂为主。其中拟开采含水层是945 ～ 100315 、101915～102515 、103815～105515 、109215～1119 、1127～ 1141 、116515 ～ 1178 m , 累计含水层厚度13415 m。设计和合同要求:水量50 m3 / h 左右,水温42 ℃,水质达到国家饮用天然矿泉水标准。该地热井在施工过程和下管过程中一切正常,其中0～150 m 为ª273 mm ×8 mm 钢管,150～1200 m 为ª159 mm ×6 mm 钢管。过滤器为桥式冲压卷焊管( ª159 mm ×517 mm) ,其安装位置是(自上而下) : 977～995 、1040～1055 、1094～1118 、1127～1139 、1166～1178 m ,累计安装过滤器长度81 m。
3. 2 事故的复杂化与处理措施
该井下管后进行投砾时出现过滤料“架桥”现象,在投砾过程中下入钻具进行冲孔时也未发现过滤器变形和挤毁,当下入潜水泵进行洗井时发现不出水,此时分别下入ª89 mm 和ª73 mm 钻杆探测发现在第一层过滤器977 m 处开始出现挤毁问题。前期使用自行加工的锥型工具,直接用ª89 mm 钻杆冲击挤毁过滤器没有任何效果,后来选择140×106 SZZ 型双作用石油套管整形器并进行改装(图
3) 进行处理起到显著效果。但是,在处理过程中先后又出现了过滤器破裂和井管脱落和错位,使事故复杂化。
具体情况和处理措施是:
(1) 使用改装后的套管整形器处理第一层过滤器(977 m 处) 时,由于操作经验问题出现过滤器严重损毁和破裂而大量出砾料,从而影响了往下继续处理。针对这种情况,我们利用泥浆泵将地面配制的水泥浆注入977 m 处进行固井,待凝固后用钻头扫孔形成新的井眼,从而使事故处理继续进行。
(2) 当处理到1166 m 时,由于下部井管悬空和长时间冲击导致井管焊缝开裂而脱落并错位严重,ª89 mm 钻具不能正常下入。为了避免事故的进一步恶化和其它风险,针对该井的特殊情况并结合地层和设计要求,当即决定终止下部挤毁过滤器的修复。为了更有把握满足水量要求和增加开采层厚度,选择石油钻井SSQ - B 型数控射孔取心仪对910～923 、951～975 m 两段实管进行射孔,其射孔直径12 mm。射孔后下入ª108 mm 桥式过滤器起支撑作用,防止原过滤器再次变形或挤毁,上部采用膨胀橡胶进行密封。
3. 3 最终处理效果与体会
对于该井出现的复杂问题通过上述的技术措施和处理,最终达到了比较满意的效果。水量45 m3 /h 、出口温度43 ℃、含砂量≤1/ 100000 、水质为锶-偏硅酸饮用天然矿泉水,从而避免了整个工作量的报废。
本次过滤器挤毁事故处理对于我们来说是第一次,有许多问题值得总结。
(1) 泥浆性能和成井过程中任何一道工序都可能引起过滤器变形或挤毁事故。特别要控制失水量、泥皮厚度和投砾速度,下管时确保井内压力平衡等。
(2) 目前的桥式过滤器生产厂家繁多,质量参差不齐,主要反映在钢板厚度不够、材质较差、以次充好。所以,在成井管材选择时严把质量关和进货渠道。
(3) 根据目前的钻探技术和已成熟的事故处理工具,过滤器变形或挤毁事故的成功处理是可行的。
(4) 水文水井与石油钻井技术相互交叉和应用,可以取得“取长补短”效果。如该井中的石油套管整形器的借鉴和射孔技术的应用,均取得了显著的效果。
(5) 在该类型事故处理时,一定按照“轻压、慢转、大泵量”操作规程,避免压力和转速过高造成井内事故的复杂化。
(6) 过滤器变形或挤毁事故处理好后,不得进行大降深洗井或抽水。应先下入小一级过滤器并固定和密封,防止事故过滤器再次出现变形或挤毁。在围填砾料全部到位并保证不出砂的情况下,可以选择自行加工小一级的过滤器(钻孔或条缝状) ;若砾料没有完全到位或下部井管悬空,则必须根据含水层砂粒大小选择合适缝隙的桥式过滤器。
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