地热深井过滤器挤毁事故成因与处理技术

２００６年第３期　探矿工程（岩土钻掘工程）　４１　地热深井过滤器挤毁事故成因与处理技术　卢予北　（河南省地质矿产勘查开发局第Ｓ－水文地质工程地质队，河南郑州４５００５３）　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　第四系和新近系中地热井施工常见的一种井内　事故是过滤器挤毁或变形，该类事故一旦发生，轻者　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　（过滤器变形量小，过流断面呈椭圆形）水量减小和　出砂，重者（过滤器变形量大，过流断面呈线状）导　致整个钻井工程的报废。以往多数情况下，超过　６００　ｍ深的地热井一旦出现过滤器挤毁事故将使整　个井报废，由此造成的直接经济损失是巨大的。据　统计：仅在河南省每年造成该类事故而导致地热井　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。　报废的达６～１０眼，工作量６０００～１５０００　ｍ，直接经　济损失３ＯＯ一７５０万元。所以，在地热井工程设计和　施工过程中，每一道工序都应严格把关，同时注重过　滤器挤毁事故成因的分析和研究，以防类似事故和　问题的发生。　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　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０１５９　ｍｍ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５．３～５．７　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　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　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。　挤毁断面　井蹙井壁　挤毁断面挤毁断面　井肇　在下管、大降深洗井和抽水时容易发生。　（３）过滤器瞬问受到冲击作用。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　ａ．椭圆形挤压　ｂ．线状完全挤压　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　图１　桥式过滤器挤毁类型　收稿日期：２００５—１０—０８　作者简介：卢予北（１９６４一），男（汉族），河北平山人，河南省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队副队长兼钻探总工、地热工程研　究院院长、高级工程师，河南省学术技术带头人，地质工程专业，硕士，从事地热资源勘探、钻井工程技术管理与研究工作，河南省郑州市南阳路　５６号，ｌｕ—ｙｕｂｅｉ＠２６３．ｎｅｔ。　维普资讯 http://www.cqvip.com

４２　探矿工程（岩土钻掘工程）　２００６年第３期　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，当架桥的砾料瞬问坍塌时，一方面携带大　量的泥皮沉人井底，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，　马上起拔已下人的所有井管，然后对事故过滤器进　行更换，进行完探孑Ｌ后再次下人即可，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。　圈２双作用套管整形器　本体　中８９钻杆　弧形铲　图３　改装后的ＳＺＺ型双作用套管整形器　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，最好再下人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。　衰ｌ　ＳＺＺ型双作用套管整形器型号与适应的井管尺寸　１７８　ｘ１４２　１７８×１４６　１７８×１５０　１７８×ｌ５４　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第３期　探矿工程（岩土钻掘工程）　４３　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４　ｍｉｎ断流），在该地区正常情况下水量相当大，一般　在４０～６０　ｍ　／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—１００３．５、　１０１９．５—１０２５．５、１０３８．５—１０５５．５、１０９２．５—１１１９、　ｌ１２７—１１４１、１　１６５．５—１１７８　ｍ，累计含水层厚度　１３４．５　ｍ。设计和合同要求：水量５０　ｍ　／ｈ左右，水　温４２　ｃ【＝，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０２７３　ｍｍ×８　ｍｍ钢管，１５０—１２００　ｍ为０１５９　ｍｍ×６　ｍｍ钢管。过滤器为桥式冲压卷　焊管（０１５９　ｍｍ×５．７　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，在投砾过程中下人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，此时分别下人０８９　ｍｍ和０７３　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０８９　ｍ／ｎ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，　０８９　ｍｍ钻具不能正常下人。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。射孔后下人０１０８　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　ｍ　／　ｈ、出口温度４３　ｃ【＝、含砂量≤１／１０００００、水质为锶一　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。应先下人小一级过滤器并固　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（钻孑Ｌ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。