摘要
在豫东地区新近系地层成井，传统的投粒成井工艺和新兴的不投粒成井工艺都在应用。本文通过对区域内位置相邻、深度相近、井身结构相似、取水层位相似的多口水井的出水量进行了对比，通过对地层因素、钻孔直径、洗井方法以及成井工艺因素进行分析，找出在特定条件下影响出水量的主要原因。为不同区域选择合适的成井工艺提供参考。
随着全球大气污染的日益严重、对碳排放的控制越来越严，同时随着社会的发展，节能减排和住宅供暖都成为当下的紧迫任务，地热能的开发利用越来越多。河南省豫东地区拥有较厚（1500~3500 m）的第四系沉积层和新近系、古近系沉积层，地下水储藏丰富，地热条件较好，开采难度低。中低温地热资源被广泛应用于日常生活和生产中。在钻深1500 m以浅的水井施工中，常用的成井工艺为泥浆正循环钻孔，取水层投粒加粘土球止水（钻进至设计深度后物探测井、冲孔换浆、下管、投粒、止水、固井、洗井）。但随着井越来越深，投粒这一程序越来越复杂且具有不确定性，近年来兴起多开次不投粒成井工艺。至于两种工艺孰优孰劣各施工单位对此各执己见。2019年绿博六号园区地热供暖项目中探采结合井6-4井采用不投粒成井工艺，成井后出水量没有达到预期要求。2022年我单位承担了“郑州市主城区与东部新城区地热资源勘查评价”项目，在同一构造区块内布置了同样井深的ZK3井，并采用了传统的投粒成井工艺。本文将对两种工艺的优缺点以及适应性进行深入的讨论。
绿博新城不具备集中供暖条件，2019年8月计划开发地热供暖，初步设计8口地热井（3抽5回）。该井为探采结合井，设计井深2200 m，采用泥浆正循环钻进，测井后安装滤水管，滤水管与含水层对正，取水段顶板采用环氧树脂止水（不投粒成井工艺）成井，成井后出水量低于预期且衰减过快。
0~239.05 m，第四系上覆层，主要岩性为浅黄、灰黄、浅褐色粘土，粉质粘土与砂层、砂砾层互层。
239.05~1320.1 m，新近系明化镇组，其岩性上部以灰黄、淡棕色细中砂和粗砂砾石为主，夹棕红、棕色粘土；下部为红棕色泥岩和绛红色粘土为主，夹浅黄色细砂、中细砂。
1320.1~2201.75 m，新近系馆陶组，为该井的取水层段，其岩性上段为灰绿、灰棕、棕红色半胶结泥岩夹黄白色细砂、中砂；中段为棕红、棕黄色半胶结泥岩与灰黄、灰白、黄白色中砂、中粗砂互层；下段为棕红、棕色半胶结泥岩与细中砂、中砂互层。
0~30 m，Ø600 mm口径钻进，下入Ø529 mm保护管；30~400 m，Ø445 mm口径钻进，0~400 m下入Ø273.0 mm×8.89 mmAPI套管；400~2201.75 m，Ø256 mm口径钻进，400~1402.0 m下入Ø177.8 mm×8.05 mm API套管，1402.0~2160.0 m下入Ø177.8 mm×8.05 mmAPI套管和同径打孔不锈钢梯形丝滤水管组合。
止水位置在1380~1400.0 m，下入3组橡胶止水伞（见
图1 环氧树脂止水伞
（1）喷射洗井：固井完成后首先进行清水喷射洗井，自上而下逐层用清水喷射清洗滤水管，以防下管过程中泥皮进入梯形丝和套管之间堵塞滤水管或降低滤水管的透水性。同时也进一步降低井内冲洗液的密度。
（2）空压机洗井：将钻具下至距孔底5~8 m，气举反循环抽水洗井5~12 h，出水泛白后转入空压机送风洗井。空压机和泥浆泵交替运用向孔底送入空气和清水的混合物，形成井喷，5~12 h出水泛白后停止洗井。
（3）化学洗井：将15
（4）反循环洗井：将钻具底部放置距孔底3~5 m左右开启空压机，进行气举反循环抽水洗井并排除孔底沉淀，5~8 h后停机起出全部钻具。
（5）潜水泵洗井：下入200QJ50-240型耐热潜水泵抽水洗井，Ø89 mm钻杆为出水管，下泵深度352 m。反复启停水泵抽水洗井，水清沙净后转入抽水试验。
调整下泵深度302.3 m，安装测量仪表，水量测量仪表为电子瞬时流量计，准确度≥99.9%。一切准备就绪后，开启抽水试验，试验持续6 d，抽水试验结果见
| 日期 | 时间 | 静水位/m | 动水位/m | 降深/m | 出水量/ ( |
|---|---|---|---|---|---|
| 2019.10.09 | 09:00 | 103.6 | 开始 | ||
| 2019.10.09 | 10:00 | 213.3 | 109.7 | 51.2 | |
| 2019.10.10 | 09:00 | 225.3 | 121.7 | 40.8 | |
| 2019.10.11 | 09:00 | 242.4 | 138.8 | 35.3 | |
| 2019.10.12 | 09:00 | 260.5 | 156.9 | 28.2 | |
| 2019.10.13 | 09:00 | 273.6 | 170.0 | 20.4 | |
| 2019.10.14 | 09:00 | 279.4 | 175.8 | 17.3 | |
| 2019.10.15 | 09:00 | 279.5 | 175.9 | 17.1 |
经过连续6 d的抽水试验，绿博6-4井水量基本稳定在17
2022年在“郑州市主城区与东部新城区地热勘查评价”项目中设计探采结合井3口，其中ZK1井1500 m、ZK2井2200 m、ZK3井2200 m，ZK3井井位与上述绿博6-4井井位同处于一个构造区域，见
图2 郑州市主城区与东部新城区地热资源调查评价钻孔位置布置
ZK3井井位于绿博6-4井东南约4 km处，两井均在中牟断层以北。为了避免因施工工艺问题引起出水量受限，ZK3井设计采用传统的井管外投粒止水成井工艺。
0~253.60 m，第四系上覆层，主要岩性为浅黄、灰黄、浅褐色粘土，粉质粘土与砂层、砂砾层互层。
254.25~1355.1 m，新近系明化镇组，其岩性上部以灰黄、淡棕色细中砂和粗砂砾石为主，夹棕红、棕色粘土；下部为红棕色泥岩和绛红色粘土为主，夹浅黄色细砂、中细砂。
1355.1~2180.7 m，新近系馆陶组，为该井的取水层段，其岩性上段为灰绿、灰棕、棕红色半胶结泥岩夹黄白色细砂、中砂；中段为棕红、棕黄色半胶结泥岩与灰黄、灰白、黄白色中砂、中粗砂互层；下段为棕红、棕色半胶结泥岩与细中砂、中砂互层。
2180.7 m以深为古近系地层。
0~30m，Ø600 mm口径钻进，下入Ø529 mm保护管；30~350 m，Ø500 mm口径钻进，0~350 m下入Ø339.7 mm×9.65 mmAPI套管；350~2200.85 m，Ø311 mm口径钻进，350~1379 m下入Ø177.8 mm×8.05 mmAPI套管，1379~2200 m下入Ø177.8 mm×8.05 mm API套管和同径打孔不锈钢梯形丝滤水管组合。
2200.0 m井管一次提吊入井。井管安装完成后下入钻杆至井底，开泵循环调整冲洗液漏斗粘度15~18 s，密度1.0~1.05 kg/L，调整泵量采用动水投粒。投粒量控制在理论量的1.03倍，在投粒结束后停滞2 h后投入2
洗井结束下入200QJ50-240型耐热潜水泵做抽水试验，Ø89 mm钻杆为出水管，下泵深度303.2 m。抽水试验结果见
| 日期 | 时间 | 静水位/m | 动水位/m | 降深/ m | 出水量/ ( |
|---|---|---|---|---|---|
| 2022.06.06 | 15:30 | 112.35 | 开始 | ||
| 2022.06.06 | 16:30 | 207.6 | 95.25 | 53.5 | |
| 2022.06.07 | 15:30 | 239.3 | 126.95 | 36.7 | |
| 2022.06.08 | 15:30 | 249.9 | 137.55 | 31.5 | |
| 2022.06.09 | 15:30 | 252.4 | 140.05 | 30.1 | |
| 2022.06.10 | 15:30 | 252.5 | 140.15 | 30.1 | |
| 2022.06.11 | 15:30 | 252.6 | 140.25 | 30.0 | |
| 2022.06.12 | 15:30 | 252.7 | 140.35 | 30.0 |
通过两井抽水试验结果对比，在郑州东区同一构造范围内采用传统投粒成井工艺的ZK3井出水量更大，水量衰减更慢。基本上相同的地层，相同的滤水管，两种成井工艺成井效果相差却较大，造成水量差别较大的原因分析如下。
两口井相距4 km左右，钻遇地层基本相似。
绿博6-4井自1402~2200 m共有36个含水单元层，总厚度384.8 m，其中低产能92.3 m。ZK3井取水段自1379.5~2200 m共有31个含水层单元，含水层总厚度392.9 m，其中低产层厚度96 m。
两井含水层总厚度差异不大，又在同一构造区域内，因此排除地层因素是造成上述两井出水量较大差别的主要原因。
在相同的地质条件和水位降深下， 管井出水量增长从小井径扩大至中等井径（250 mm）时增加较快，继续扩大则出水量的增长率有逐渐减小的趋
两井最大的差异就是成井工艺产生
（1）地质因素：假如地层稳定（类似基岩），能够保持原钻孔不变形，井管外壁与井壁之间的环状间隙一直存在且上下连通，含水层出水无阻碍，不投粒成井相比传统的投粒工艺出水量应该更
（2）当滤水管错位时（因井管单节长度排列问题和测量误差会造成滤水管和实际含水层错位），泥岩地层缩径造成有效滤水管减少，出水量减
（3）实际施工中因成本限制，有些较薄含水层未安装滤水管，如有粒料填充则可以保持出水通道，无填充时泥岩层缩径会阻断这类水层的析出，降低了出水量。
（4）投粒工艺是在井管外人为形成过滤
总之，新近系地层地热开发时，采用传统的投粒工艺成井质量更有保证，水量更大。
通过以上对比分析发现，在郑州东区新近系地层地热开发施工中，采用传统的投粒工艺成井，单井出水量更大、衰减更慢；而不投粒成井工艺施工更简单、成本更低。在深井施工中投粒工艺在施工中往往不好控制，投粒过程中容易发生桥堵现象，导致成井质量较差，有些施工单位甚至害怕投粒。对于不投粒成井工艺，给出以下改进建议，供参考。
（1）在含水层较厚的地区使用不投粒成井工艺。含水层较厚，地层出水量大，虽有堵塞出水量会有所降低，但不影响使用效
（2）在细砂、粉细砂地层取水应做包网处理，减少颗粒流
（3）尽量减小井管与井壁的间隙，管外间隙越小，在洗井过程中对含水层的扰动就越
（4）在每一取水层对应的滤水管顶部都安装一组止水伞，止水伞可有效承托上部脱落物，避免堵塞下部含水层。
（5）提高泥浆性能，降低泥皮厚度，保证井管安装顺
在2022年兰考县地热集中供暖项目中共施工8口井，其中直井4口，井深均为2000 m，定向井4口，井深均为2056 m（垂向深度2000 m，井斜20°，水平偏离330 m）。取水段为1350~2000 m/2056 m，取水层为明化镇组与馆陶组。组织4台钻机先后进场施工，直井采用传统投粒成井工艺，定向井采用不投粒成井工艺（受重力、斜度等因素影响，定向井投粒容易发生桥堵和偏置）。施工过程中采用优质泥浆钻进，泥浆标准失水量≯10 mL/30 min，漏斗粘度控制在30~40 s，密度控制在1.05~1.15 kg/L。直井取水段钻井Ø311 mm，定向井Ø216 mm，井管规格均为Ø177.8 mm×8.05 mm API管打孔缠丝滤水管。定向井滤水管顶部分别安装多组止水伞，明化镇组取数段滤水管包网处理，底管引鞋收尖不封闭预留Ø50 mm的透浆孔，洗井过程中向井管内投入0.1~0.2
| 钻孔编号 | 井深/m | 静水位/m | 动水位/m | 降深/m | 出水量/( | 单位涌水量/[ | 出水温度/℃ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ZJ-1 | 2000.1 | 56.3 | 123.5 | 67.2 | 76.4 | 27.29 | 67.5 |
| ZJ-2 | 2000.7 | 56.8 | 128.2 | 71.4 | 76.8 | 25.82 | 67.2 |
| ZJ-3 | 2000.5 | 56.6 | 126.3 | 69.7 | 76.8 | 26.44 | 67.6 |
| ZJ-4 | 2000.3 | 56.7 | 127.5 | 70.8 | 76.5 | 25.93 | 67.3 |
| DX-1 | 2056.6 | 56.4 | 147.9 | 91.5 | 75.3 | 19.75 | 68.0 |
| DX-2 | 2056.9 | 56.5 | 146.6 | 90.1 | 75.6 | 20.14 | 68.3 |
| DX-3 | 2057.0 | 56.3 | 147.8 | 91.5 | 75.4 | 19.78 | 67.8 |
| DX-4 | 2056.8 | 56.8 | 139.9 | 83.1 | 75.2 | 21.72 | 67.9 |
（1）在豫东地区新近系地层地热开发中，不同的成井工艺对出水量有明显的影响，同一区块内传统的投粒成井工艺出水量更大，尤其是受资金影响安装滤水管有限时更是如此。
（2）影响地热井出水量大小的主要因素是地层的透水性和区域补给条件，施工工艺对提高出水量的影响仅仅是辅助作用。
（3）在贫水的构造区域内，新近系地层成井应首选投粒成井工艺。
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