CN111608584A - 一种适用于弱固结砂岩热储的井下过滤腔室的建造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于弱固结砂岩热储的井下过滤腔室的建造方法，钻进含水层上覆地层；进行第一次扩腔；注入固井材料；水泥桩形成；进行第二次钻井；进行第二次扩腔；下入下层套管；注入滤料；井井底腔室底部以下地层钻进。可以在相对弱固结砂岩热储层内建造一个井下的地热水过滤腔室，过滤效果较好，确保地下采出水的含砂量、含悬浮物的数量大大降低，从而改善后期的地热尾水回灌效率。
Description
技术领域
本发明属于地热开采井井下工具技术领域，具体涉及一种适用于弱固结砂岩热储的井下过滤腔室的建造方法，适用于对高含砂粒、细颗粒悬浮物的采出热水在开采井井下进行过滤并沉淀于过滤-沉淀腔室中集中进行处理。
背景技术
随着我国地热供暖产业的蓬勃发展，传统高回灌率的岩溶型碳酸盐岩热储已不足以满足日益增长的地热开采需求。因此砂岩型热储，特别是浅埋藏的弱固结砂岩型热储近年来也逐渐的被重视起来。然而，弱固结砂岩热储在其开采过程中涌砂现象明显，有时会导致地面过滤器失效。由于地热尾水中携带大量的微小悬浮物或砂粒，使得后期的地热尾水在回灌过程中导致回灌井及周围热储发生堵塞，回灌率普遍偏低，长期会造成热储的压力衰竭而使得产能急剧下降，不利于该类型热储中地热能的可持续经济性开发。对于高温地热田的地热水，除具有较高的矿化度外，还常含腐蚀性气体如H2S、CO2等，这种类型的地热水沿地热开采井的井筒向上运移会造成对管柱的腐蚀，严重时会导致管柱脱落，从而需要进行定期停产来修井。此外，地热流体从井底到井口迁移过程中，由于温度和压力的下降也会导致某些杂质沿井壁发生沉淀或结垢，而需要进行定期的停产除垢，这些在很大程度上都影响了地热能的经济开发效益。而传统的地面过滤和简单的地下过滤(如底部填砾、筛管过滤等)效果不佳。因此针对以上问题，提出在未固结砂岩热储层开采段上覆地层中建造一个大尺径的腔室，让腔室内充填具有过滤和吸附特性的填料，经井底填砾层以及筛管的简单过滤外，采出的地热水流入过滤腔室中继续过滤掉细小的砂粒、悬浮物等杂质后，热流体流回开采井井筒，继而被采出到地表，这样不仅能有效的过滤掉采出热水中所含的细砂粒及大量微小悬浮物，还能从根本上解决开采井井筒的腐蚀和回灌热储的堵塞等问题。
发明内容
针对弱固结砂岩热储中采出水含砂量高，采出水矿化度高，采出井井筒腐蚀和结垢等问题，本发明的目的在于提供一种适用于弱固结砂岩热储的井下过滤腔室的建造方法，能够实现对地热水进行井下过滤和吸附沉淀，从而可大大延长地热开采井的使用寿命。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种适用于弱固结砂岩热储的井下过滤腔室的建造方法，包括以下步骤：
步骤1、自地面开始钻进，钻进含水层上覆地层形成钻孔，并在钻孔内部下入表层套管；
步骤2、在钻孔内下入喷射扩腔钻头，向喷射扩张钻头内部泵送泥浆，泥浆通过喷射扩腔钻头翼板上的喷射孔喷出，喷射周围的岩土层，配合布置在翼板上的切削齿进行辅助切削，在钻孔的下部扩腔形成了腔室；
步骤3、将喷射扩腔钻头从表层套管中提出地表，向步骤2形成的腔室内放入扩张旋喷钻头，并向腔室内高压泵入水泥浆，高压水泥浆破坏腔室内壁周围岩土层并与之充分混合，形成稳固的水泥砂浆腔室的内壁；
步骤4、利用水泥浆填满步骤3获得的水泥砂浆腔室，并将扩张旋喷钻头提出地表，待水泥砂浆腔室内的水泥充分凝固后在水泥砂浆腔室内形成水泥砂浆初桩；
步骤5、下入硬岩钻头对水泥砂浆初桩进行钻孔，钻至距离水泥砂浆腔室底部一定距离后停止钻进，形成初桩钻孔；
步骤6、在初桩钻孔内下入硬岩扩腔钻头，自上而下对初桩钻孔进行扩腔形成直井井底腔室，直井井底腔室的直径小于水泥砂浆初桩的直径；
步骤7、向直井井底腔室内下入下层套管，下层套管顶端与表层套管的底端连接，下层套管的上部侧壁设置有滤料填充口。下层套管的下部侧壁设置有流体注入口，流体注入口与单向阀连接，单向阀自下层套管外向下层套管内导通；
步骤8、通过下层套管侧壁上部的滤料填充口向下层套管与直井井底腔室之间的空间注入滤料；
步骤9、自表层套管和下层套管内下入钻具对直井井底腔室底部进行钻孔，直至钻到含水层的地层深度。
如上所述的步骤6中直井井底腔室的直径小于步骤3的水泥砂浆腔室的直径。
如上所述的下层套管底部和直井井底腔室之间预留有空间。
如上所述的滤料在下层套管与直井井底腔室之间的空间自下至上分层设置，自下至上各层滤料的孔隙依次减小。
如上所述的步骤6中扩腔形成直井井底腔室后，通过声纳探测仪检测直井井底腔室的直径和高度，直至直井井底腔室的直径和高度满足设定要求。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明将高压喷射灌浆技术和扩孔灌注桩技术联合使用，实现构建地下大尺寸腔室的方法，在多级简单过滤弱固结砂岩型热储中的细小砂粒和悬浮物杂质后，实现强有力的腔室内填料吸附过滤能力；
2、实现了在弱固结和强度较低的砂岩地层中建造井下过滤腔室的方法；
3、提高了过滤的精度，可有效延长地热开采井的寿命和回灌的尾水质量，从而有效提高地热尾水的回灌效率。
附图说明
图1为步骤1的状态示意图；
图2为步骤2的状态示意图；
图3为步骤3的状态示意图；
图4为步骤4的状态示意图；
图5为步骤5的状态示意图；
图6为步骤6的状态示意图；
图7为步骤7的状态示意图；
图8为步骤8的状态示意图；
图9为步骤9的桩体示意图；
图10为下层套管的结构示意图；
图11为单向阀的结构示意图。
图中，1-钻杆；2-钻头；3-表层套管；4-泥岩；5-砂岩；6-含水层；7-腔室；8-喷射扩张钻头；9-扩张旋喷钻头；10-泥浆；11-下层套管；12-滤料填充口；13-单向阀；1301-阀芯；1302-流体入口；1303-螺栓；1304-阀体过滤网；1305-单向阀弹簧；1306-阀缸筒；1307-流体通道；14-排水阀门；15-滤料。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种适用于弱固结砂岩热储的井下过滤腔室的建造方法，用于实现多级过滤地热水中的砂粒和微小悬浮物，按如下步骤进行：
步骤1、钻进含水层上覆地层：下入钻具(包括钻杆1和钻杆1底端的钻头2)，自地面开始钻进，钻进含水层上覆地层形成钻孔，并在钻孔内部下入表层套管。
步骤2、在含水层上覆地层中进行第一次扩腔：在钻孔内下入大尺寸的喷射扩腔钻头，向喷射扩张钻头内部泵送较粘稠的泥浆，泥浆通过喷射扩腔钻头翼板上的喷射孔喷出，喷射周围的岩土层，配合布置在翼板上的切削齿进行辅助切削，泥浆携带岩屑残渣沿井筒排出到地表，从而在含水层上覆地层中将钻孔的下部扩腔形成了大尺径的腔室。
步骤3、向步骤2形成的腔室中注入固井材料：第一次扩腔完成后，将喷射扩腔钻头从表层套管中提出地表，向步骤2形成的腔室内放入扩张旋喷钻头，并向腔室内高压泵入水泥浆，高压水泥浆破坏腔室内壁周围岩土层并与之充分混合，形成稳固的水泥砂浆腔室的内壁，其强度大于邻近的地层强度，既起到支撑的作用，还可以起到封闭作用。步骤3中经扩张旋喷钻头扩张后的直径小于第一次扩腔所用的喷射扩腔钻头的直径，保证其下入到腔室内能够完全张开。
步骤4、水泥桩的形成：利用水泥浆填满步骤3获得的水泥砂浆腔室，并将扩张旋喷钻头提出地表。待水泥砂浆腔室内的水泥充分凝固后在水泥砂浆腔室内形成水泥砂浆初桩，才可进行第二次钻进。
步骤5、进行第二次钻井：当水泥在水泥砂浆腔室内凝固形成水泥砂浆初桩后，下入硬岩钻头对水泥砂浆初桩进行钻孔，钻至距离水泥砂浆腔室底部一定距离处停止钻进，形成初桩钻孔。
步骤6、在水泥砂浆初桩内进行第二次扩腔：在初桩钻孔内下入硬岩扩腔钻头，自上而下对初桩钻孔进行二次扩腔形成直井井底腔室，直井井底腔室的直径小于水泥砂浆初桩的直径，直井井底腔室的深度与初桩钻孔深度相同；扩腔过程中的岩屑残渣随钻井液排至地表，直井井底腔室内残余岩屑通过反循环的方式进行清渣。扩腔完毕后还要下入声纳探测仪，检测直井井底腔室直径和高度是否满足设计要求，如满足可进行后续步骤7，否则需要下入硬岩扩腔钻头重新扩腔，直至检验合格。
步骤7、向直井井底腔室内下入下层套管：向直井井底腔室内下入下层套管，下层套管顶端与表层套管的底端连接，下层套管的上部侧壁设置有滤料填充口；下层套管的下部侧壁设置有流体注入口，流体注入口与单向阀连接，单向阀自下层套管外向套管内导通。单向阀的功能是只能让水流入下层套管内，而不能让腔室内填料排出到井底。下层套管底部和直井井底腔室之间留有一部分空间，方便注入过滤吸附材料。
下层套管侧壁上部的滤料填充口和侧壁下部的流体注入口，可以为完井后的流体开采提供特定的流动通道，并且让下层套管的底端和直井井底腔室的底部留有一部分间隙，以便更容易向直井井底腔室内注入滤料。
步骤8、向直井井底腔室内注入滤料：在下入下层套管后，通过下层套管侧壁上部的滤料填充口向下层套管与直井井底腔室之间的空间注入滤料，滤料用来过滤采出地热水，并使化学悬浮物等被吸附沉淀，能有效的阻止地热水中砂粒和细小悬浮颗粒随地热水沿开采井井筒向上运移。滤料在下层套管与直井井底腔室之间的空间自下至上分层设置，自下至上各层滤料的孔隙依次减小，作为优选的方案，不同层的滤料为不同性质的液态填料分层注入下层套管与直井井底腔室之间的空间并凝固成的网状多孔吸附质材料(即利用发泡剂在腔室内形成的孔隙连通的蜂窝状混凝土材质，通过调整发泡剂的配比来控制孔径的大小和连通程度)，下层的滤料孔径大，吸附性差些，便于将流体过滤后的固体杂质沉淀到腔室底部，而上层滤料的孔径小，吸附性性能强些，防止过滤水中的杂质排出腔室。
步骤9、直井井底腔室底部以下地层钻进：自表层套管和下层套管内下入钻具对直井井底腔室底部进行钻孔，直至钻到含水层的地层深度。
步骤6中直井井底腔室的直径小于步骤3的水泥砂浆腔室的直径，这样就在腔室内形成一个相对坚固的内壁。
扩腔过程中产生的岩屑随钻井液排出井外。扩腔完毕后还要下入声纳探测仪，检查腔室内壁的强度和尺寸是否符合设计要求。
本发明将高压喷射灌浆技术和扩孔灌注桩技术联合使用，通过喷射扩孔技术在含水层上覆地层中扩出一个腔室，再通过高压喷射灌浆技术进行旋喷灌注，旋喷灌注贴近腔室的内壁进行喷射，加上扩腔作用，形成了一个直径更大的，且强度较砂岩地层强的水泥砂浆腔室内壁；由于水泥砂浆腔室内壁由水泥砂浆旋喷灌注而成，强度较含水层上覆地层高，在水泥砂浆腔室充填体内部制造一个直径更小，形状规则，且更稳定的直井井底腔室用来过滤地热水，由于腔室内壁邻近的地层强度由中心向周边逐渐降低，使得形成的直井井底腔室的稳定性高，形状规则，可以在地下开辟空间以满足在井下构建过滤腔室的需求。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种适用于弱固结砂岩热储的井下过滤腔室的建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、自地面开始钻进，钻进含水层上覆地层形成钻孔，并在钻孔内部下入表层套管；
步骤2、在钻孔内下入喷射扩腔钻头，向喷射扩张钻头内部泵送泥浆，泥浆通过喷射扩腔钻头翼板上的喷射孔喷出，喷射周围的岩土层，配合布置在翼板上的切削齿进行辅助切削，在钻孔的下部扩腔形成了腔室；
步骤3、将喷射扩腔钻头从表层套管中提出地表，向步骤2形成的腔室内放入扩张旋喷钻头，并向腔室内高压泵入水泥浆，高压水泥浆破坏腔室内壁周围岩土层并与之充分混合，形成稳固的水泥砂浆腔室的内壁，
步骤4、利用水泥浆填满步骤3获得的水泥砂浆腔室，并将扩张旋喷钻头提出地表，待水泥砂浆腔室内的水泥充分凝固后在水泥砂浆腔室内形成水泥砂浆初桩；
步骤5、下入硬岩钻头对水泥砂浆初桩进行钻孔，钻至距离水泥砂浆腔室底部一定距离后停止钻进，形成初桩钻孔，
步骤6、在初桩钻孔内下入硬岩扩腔钻头，自上而下对初桩钻孔进行扩腔形成直井井底腔室，直井井底腔室的直径小于水泥砂浆初桩的直径；
步骤7、向直井井底腔室内下入下层套管，下层套管顶端与表层套管的底端连接，下层套管的上部侧壁设置有滤料填充口；下层套管的下部侧壁设置有流体注入口，流体注入口与单向阀连接，单向阀自下层套管外向下层套管内导通；
步骤8、通过下层套管侧壁上部的滤料填充口向下层套管与直井井底腔室之间的空间注入滤料，
步骤9、自表层套管和下层套管内下入钻具对直井井底腔室底部进行钻孔，直至钻到含水层的地层深度。
2.根据权利要求1所述的一种适用于弱固结砂岩热储的井下过滤腔室的建造方法，其特征在于，所述的步骤6中直井井底腔室的直径小于步骤3的水泥砂浆腔室的直径。
3.根据权利要求1所述的一种适用于弱固结砂岩热储的井下过滤腔室的建造方法，其特征在于，所述的下层套管底部和直井井底腔室之间预留有空间。
4.根据权利要求1所述的一种适用于弱固结砂岩热储的井下过滤腔室的建造方法，其特征在于，所述的滤料在下层套管与直井井底腔室之间的空间自下至上分层设置，自下至上各层滤料的孔隙依次减小。
5.根据权利要求1所述的一种适用于弱固结砂岩热储的井下过滤腔室的建造方法，其特征在于，所述的步骤6中扩腔形成直井井底腔室后，通过声纳探测仪检测直井井底腔室的直径和高度，直至直井井底腔室的直径和高度满足设定要求。
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-
2020
- 2020-05-15 CN CN202010410625.0A patent/CN111608584A/zh active Pending
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