地熱井套管外水位測管系統(tǒng)的設(shè)計與試驗應(yīng)用

楊忠彥，賈 志，朱 挺，張芬娜

(天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院，天津300250)

0 引言

天津市地熱資源動態(tài)監(jiān)測工作已有20多年的歷史，縱觀多年的地熱資源動態(tài)監(jiān)測工作，主要有以下特點:地熱井水位數(shù)據(jù)主要通過人工監(jiān)測來獲得，自動化程度低，且費時費力，成本較高;大多數(shù)地熱井井口裝置和供熱站泵房極不規(guī)范，各類監(jiān)測設(shè)施和計量設(shè)備不標準，測管腐蝕嚴重，使用壽命較短，影響數(shù)據(jù)的獲取，給目前還只能通過人工觀測方法來獲得水位數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測工作帶來較大困難;地熱井普遍存在井口老化、無測管或測管堵塞，監(jiān)測設(shè)施無法改造或改造難度較大等問題［1］。這些問題的存在均給動態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)獲取、系統(tǒng)分析研究帶來了一定困難和復(fù)雜性。盡管對測管系統(tǒng)已進行了很多研究和開發(fā)［2－4］，但整體不盡如人意。筆者通過多年不斷的實踐摸索，針對傳統(tǒng)的測管系統(tǒng)進行了改良，自行研發(fā)設(shè)計了一套新型的“套管外水位測管系統(tǒng)”，并在天津市武清區(qū)一眼地熱井中安裝使用。從試驗結(jié)果來看，完全可以解決上述水位監(jiān)測中遇到的問題，保證了水位數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和提高了水平數(shù)據(jù)采集的效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則

設(shè)計一套有利于下入水位觀測儀器工具完成水位監(jiān)測工作，能為一些科研工作提供支持手段的觀測管系統(tǒng)，應(yīng)遵循以下原則［5］。

(1)測管系統(tǒng)盡可能不改變原鉆井工藝的主要參數(shù)，如鉆孔直徑等，不能給施工帶來不可接受的困難與風險。

(2)安裝測管系統(tǒng)不影響地熱井套管各項性能，包括抗內(nèi)壓、外擠等。測管系統(tǒng)主要部件應(yīng)進行地面試驗，獲得可行性數(shù)據(jù)。

(3)該系統(tǒng)既屬于整個成井結(jié)構(gòu)的一部分，又要具有最大程度的獨立性，在使用過程中，其功能的喪失或結(jié)構(gòu)的損壞不能影響地熱井的正常使用功能。

(4)安裝便利、經(jīng)濟耐用。

2 系統(tǒng)的設(shè)計與制作

2．1 設(shè)計思路

改變傳統(tǒng)的水位測量思路，從成井工藝入手，在成井過程中加裝測管系統(tǒng)，在地熱井的結(jié)構(gòu)上附加一個測量監(jiān)測平臺。

2．2 設(shè)計原理

連通器原理，通過測量測管的水位值來反映地熱井內(nèi)水位情況，以此數(shù)據(jù)作為該井的水位參數(shù)，滿足管理和科研工作的需要。

2．3 系統(tǒng)的組成

地熱井井管外測管系統(tǒng)(見圖1)主要包括以下幾個組成部分:(1)測管及連接接頭;(2)測管固定器;(3)測管連接底座。其中測管連接底座是測管系統(tǒng)與地熱井連通的重要部件。

圖1 地熱井管外觀測管系統(tǒng)示意圖

2．4 各部件設(shè)計與加工制作

2．4．1 總體要求

(1)測管材料要具有良好的抗擠、抗拉強度，較高的抗腐蝕性能和較好的經(jīng)濟性。

(2)測管系統(tǒng)抗內(nèi)壓設(shè)計要求不少于10 MPa，且能夠滿足地熱井繼續(xù)鉆進成井的需要。

2．4．2 系統(tǒng)各部件設(shè)計與加工

從整個系統(tǒng)的組成來看，底座部分的徑向尺寸是整個系統(tǒng)的最大尺寸，根據(jù)設(shè)計原則，其不能超過鉆孔的直徑。

測管的主要參數(shù)包括測管外徑、內(nèi)徑以及壁厚，由下入的測量儀器工具外徑以及測管應(yīng)達到的強度決定，在滿足鉆孔直徑要求的基礎(chǔ)上，測管直徑應(yīng)盡量做到最大。

通過計算，測管主體采用外徑42 mm、壁厚6 mm的無縫鋼管，兩端與測管接頭絲扣連接;外涂防銹，其內(nèi)徑30 mm，可以滿足水位測量儀器的順利下入。圖2為測管底座結(jié)構(gòu)圖，圖3為其實物圖。

3 測試與分析

3．1 測管系統(tǒng)抗內(nèi)壓性能地面試驗

(1)采用高壓旋噴樁的注漿泵作為此次試驗用泵。

(2)從已加工完成的測管中隨機選取5根測管和公母扣接頭連接后，測管尾部接放壓閥，通過鉆井泵操控管內(nèi)壓力。全部準備就緒后，開泵進行測試。

圖4 測管固定器

(3)管路試壓為17 MPa，滿足設(shè)計壓力 ＞10 MPa的要求。

3．2 試驗井測管安裝

3．2．1 試驗井鉆孔施工要求

(1)非特殊情況，不改變常規(guī)鉆井工藝，按照天津市《中低溫地熱鉆探技術(shù)規(guī)程》(DB12/T 541—2014)［6］，地熱井開孔直徑444.5 mm，套管下入深度400 m;

(2)采用塔式鉆具組合，原則上使用三牙輪鉆頭鉆進，在鉆進中要保證鉆孔的垂直度，井斜應(yīng)每100 m 嚴格控制在 1°以內(nèi)［7］;

(3)采用常規(guī)鉆井液鉆進即可，但要保證性能良好;

(4)加裝測管后整個系統(tǒng)的最大徑向?qū)挾葹?34 mm，且為偏心結(jié)構(gòu)，為了順利下井到位，要求下管前應(yīng)至少通井2次，保證井壁規(guī)整，井底干凈;

(5)由于安裝測管會延長下管時間，因此下管前應(yīng)調(diào)整鉆井液性能達到最優(yōu)狀態(tài)，保證下管順利。

3．2．2 測管系統(tǒng)安裝要求

(1)下管前，每根套管、觀測管要用鋼卷尺進行準確丈量，并編號、記錄;

(2)下表層套管工作按現(xiàn)行地熱井鉆井工藝執(zhí)行，在設(shè)計位置連接測管底座，之后測管與表層套管一起下入;

(3)嚴格按編號入井，各連接部位用生膠帶密封;

(4)測管絲扣管鉗上緊，每根測管安裝一只卡環(huán)，卡環(huán)應(yīng)緊固牢固，不能松動;

(5)必須保證測管垂直;

(6)下完測管，測管出露地面1 m，安上絲堵;

(7)完成后常規(guī)固井，必須保證固井質(zhì)量，水泥漿必須上返出地面。

3．2．3 測管系統(tǒng)的安裝

(1)下測管前，首先對套管及測管進行丈量和編號。

(2)為了易于安裝，節(jié)省下管時間，原設(shè)計中固定器使用折頁連接，但在現(xiàn)場下管前的組裝測試中發(fā)現(xiàn)，折頁強度不夠，易損毀，隨即馬上進行了設(shè)計更改，加固焊接處理，以保證下管的安全。

(3)表層套管下至井深207.73 m時，按設(shè)計(設(shè)計深度200 m)下入測管連接底座，并用絲扣連接測管(見圖5)。

圖5 絲扣連接測管

(4)按照排管順序逐根下入表層套管和測管，使用測管固定器固定，并用螺栓緊固(見圖6)。

圖6 測管固定器固定套管和測管

(5)表層套管到底后，測管露出地面1 m，向測管內(nèi)灌滿水，然后加裝絲堵(見圖7)。

(6)最后用R32．5礦渣硅酸鹽水泥進行固井，水泥漿返至地表，水泥漿密度1.70 g/cm3。

4 降壓試驗

4．1 試驗情況

圖7 測管絲堵

在天津市武清區(qū)新近系館陶組選擇了一眼井作為試驗井，該井為二開直井，一開采用444.5 mm三牙輪鉆頭鉆至400 m，下入339.7 mm套管和42 mm測管，其中套管下入深度0～400 m，測管下入深度0～207.73 m;二開采用311.2 mm三牙輪鉆頭鉆至2180 m，下入244.5 mm套管，套管下入深度367.46～2180 m。從本次施工情況來看，下入測管不影響下一步的施工。為了驗證測管內(nèi)水位與井筒內(nèi)水位的關(guān)系，對該井進行了3次不同降深的降壓試驗，試驗中使用流量140 m3/h，揚程180 m的潛水泵抽水，使用三角堰箱觀測流量，使用電流水位計觀測水位(水位測量采用2條測線分別測量井筒內(nèi)水位值和測管水位值，采集所有試驗數(shù)據(jù)并進行測線長度的校正)，水銀溫度計觀測水溫及氣溫。各落程持續(xù)時間分別為2880、580、550 min，穩(wěn)定時間分別達到24、8、8 h。試驗結(jié)果見表1，降壓試驗歷時曲線見圖8。

表1 降壓試驗成果

圖8 試驗井降壓試驗歷時曲線

4．2 數(shù)據(jù)處理

4．2．1 動水位校正

地熱井開采期間，尤其是在開采初期，井口溫度不是恒定不變的，而是隨著時間的延續(xù)不斷升高，而水的密度與溫度的變化成反比，造成觀測水位不能真實地反映地熱井實際水位(熱儲壓力)的變化。此時，盡管地熱井內(nèi)水位上升或保持不變，但熱儲壓力卻下降，這種現(xiàn)象稱之為“井筒效應(yīng)”，因此，在資料整理過程中，需要進行溫度統(tǒng)一校正，消除井筒效應(yīng)［8－10］。由于熱的傳導(dǎo)擴散特性，地熱井內(nèi)溫度與深度可認為呈線性關(guān)系，則降壓試驗校正水位可由公式(1)計算，根據(jù)井口溫度及溫度損失的經(jīng)驗值，此次以降壓試驗最高溫度61℃作為統(tǒng)一溫度對試驗觀測數(shù)據(jù)進行校正，校正后曲線見圖9。

式中:h——校正后水位埋深，m;H——取水段中點的埋深(1402.5 m);h1——觀測水位(試驗過程所取得的全部動水位)，m;h0——基點高度(以地面為基點，數(shù)值為 0)，m;ρ平——地熱井內(nèi)水柱平均密度，kg/m3;ρ高——熱儲層溫度對應(yīng)密度，kg/m3。

圖9 校正后降壓試驗歷時曲線

4．2．2 分析處理

通過累計時間與降壓試驗時3次降深測得的井筒內(nèi)校正動水位埋深h井筒與測管內(nèi)校正動水位埋深h測管之差所繪曲線(見圖10)可得出3次降深的穩(wěn)定井筒內(nèi)與測管內(nèi)水位差值h差，利用h差和出水量Q(見表2)來作出h差－f(Q)曲線，并進行曲線回歸(見圖11)，得出經(jīng)驗公式。

圖10 h差歷時曲線圖

表2 計算數(shù)據(jù)

圖11 Q－h(huán)差曲線圖

通過對數(shù)據(jù)進行二次曲線回歸，得出經(jīng)驗公式:

式中:h差——井筒內(nèi)校正動水位埋深h井筒與測管內(nèi)校正動水位埋深 h測管之差，m;h井筒——井筒內(nèi)校正動水位埋深，m;h測管——測管內(nèi)校正動水位埋深，m;Q——涌水量，m3/h。

通過擬合結(jié)果可知，測管與井筒內(nèi)的水位差只與抽水泵的特性與下入深度有關(guān)，與測管內(nèi)徑和測管下入深度無關(guān)。

5 系統(tǒng)評價

5．1 技術(shù)評價

(1)穩(wěn)定性好，測管不易腐蝕;

(2)測管的損壞，不影響地熱井的使用;

(3)不受外界影響，系統(tǒng)具有獨立性。

5．2 經(jīng)濟評價

通過測算，安裝一套套管外測管系統(tǒng)造價為50000元，在以后的推廣中，考慮采用抗腐蝕更好的材料，會增加一部分成本，但同時隨著該系統(tǒng)在應(yīng)用中的逐步成熟，系統(tǒng)安裝費用會大幅下降，且成井后該系統(tǒng)在日常應(yīng)用中幾乎沒有什么維護費用。

常用的水位測管是與泵管并列連在一起，且由于地熱水腐蝕性強的原因，測管一般2年需要更換一批，以每口井正常使用150 m泵管計算，共計50節(jié)，更換測管材料及人工等大約100元/節(jié)，每口井一次更換主材費用為5000元，那么，按照地熱井壽命50年計算，使用傳統(tǒng)測管需要的費用約為125000元。

通過2種測管成本對比分析看出，套管外測管系統(tǒng)比傳統(tǒng)測管節(jié)約成本為75000元，節(jié)省比例為150%。從投入成本上大大降低，從經(jīng)濟角度考慮，具有明顯的優(yōu)越性。

6 結(jié)論

(1)應(yīng)用管外監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測水位從理論上是可行的，并在試驗中初步得到了驗證。

(2)測管系統(tǒng)是相對獨立的系統(tǒng)，功能的喪失不影響地熱井的各種功能。

(3)該系統(tǒng)成本與傳統(tǒng)測管成本相比有很大幅度的降低，從經(jīng)濟角度來說，推廣應(yīng)用有著非常明顯的優(yōu)勢。

(4)該系統(tǒng)在使用過程中有著傳統(tǒng)測管無法比擬的優(yōu)越性，一方面，液面穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)準確，另一方面，其獨立的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，不受泵室內(nèi)泵管、測線的干擾，使得下測線及儀器非常容易，解決了困擾多年的水位觀測工作中老大難問題，工作效果及質(zhì)量有了很大的提高，應(yīng)該在地熱井開發(fā)領(lǐng)域廣泛推廣使用。

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