地热井井壁分布式长期地温监测技术获得突破

发布时间:

摘要：针对地热井井身结构特点和固井施工要求，基于分布式光纤传感技术，自主研发中深层地热井井壁分布式长期地温监测系统及配套装置，设计监测系统入井操作规程，在天津东丽湖地热科学钻探CGSD-01井，成功实现一开套管井壁地温分布式动态监测。该项技术国外鲜有报道，国内尚属首例。该项技术的成功研发，为热储动态监测提供了新的思路和新的解决方案，为地热资源精细化研究起到积极的推动作用。

1.项目概况

该成果归属于“全国地热资源调查与勘查示范”项目（2017—2019年）。研究区主要位于天津东丽湖地区，是中国地质调查局京津冀地热调查科技攻坚战的三大主战场之一，项目承担单位为中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，参加单位为中国地质科学院勘探技术研究所。项目主要目标任务是紧密围绕京津冀一体化经济社会发展和生态文明建设需求，开展天津潘庄凸起构造区地热资源调查，基本查明热源机制与地热资源赋存分布规律，评价区域深层地热资源及其经济环境效益；实施深部热储实时监测，获取长周期批量监测数据，实现深部地热监测的技术突破；集成创新中深层地热监测技术体系；提出天津潘庄凸起构造区深部地热资源勘查开发规划建议；初步建立中深层地热资源勘查-开发-监测-科研示范基地，支撑中国地质调查局地热能源勘查开发工程技术中心的建设。根据项目目标任务，实现深部地热监测的技术突破是本项目的核心任务之一。

2.成果简介

（1）研发了一整套地热井井壁分布式长期地温监测系统及其配套装置，包括分布式光纤监测系统、光纤保护装置、井口穿越装置等，相关技术、装置均为项目承担单位独立知识产权。选择分布式光纤传感技术作为温度监测方法，能够准确获取不同深度的井壁地温的动态变化信息，可为地热研究提供更为丰富的数据。成果主要优势体现在以下四个方面：

一是采用光纤传输的是光波信号，避免了原传感器容易受电磁干扰的缺陷，且光纤不易腐蚀，可有效地保证在恶劣环境下长期稳定的运行。

二是光纤传感技术通过反射光携带温度信息，光纤作为传输和传感元件，无需专用传感器，不占用更多的空间，特别适用于地热深井井壁与套管的狭窄线性空间要求，提高工程实施的安全性。

三是光纤传感技术具有光纤沿线的长距离分布式温度测量的优势，改变了以往采用热敏电阻、留点温度计、电子压力计等点式测温方法耗时与漏测的不足，真正实现了温度的分布式观测。

四是首次实现了监测系统的井壁布设，永久固定于套管外壁，可在不影响地热井钻探施工、地热井开采等条件下，直观观测地热井井壁地温动态变化。

将测温光纤埋设于一开套管井壁上用以直接测定地层温度是本项成果的重要创新（图1）。然而，光纤埋设于一开套管井壁，对光纤固定、保护具有很高的要求，如：光纤如何有效保护，防止损坏、折断等物理性破坏；光纤如何有效固定在井壁上，避免上下滑动、摩擦、刮碰，特别是光纤下入到位后需要水泥固井，水泥返高到地面，若光纤固定不牢靠，就会在高压泵入水泥浆返出地面时，将光纤推出地面或者交织交错弯曲在环空之间，失去了监测的作用。

图1 地热井井壁分布式长期地温监测系统及其配套装置示意图

本次工作针对井身结构和一开固井特点，专门设计多种组合方案，解决了光纤的保护和固定难题，如：设计采用不锈钢管和钢丝铠装的方法实现光纤保护，既保证光纤在高温环境中长期运行，又保证光纤在小区域内受热均衡，同时保护光纤免受摩擦、刮碰引发的物理结构破坏。研发了专用的光纤保护装置（接箍保护器），解决了光纤下入过程中光纤防磕碰和挤压损坏。研发了专用的光纤固定装置，能够将光纤固定在套管上，保证光纤与套管的紧密耦合，避免上下滑动。同时，考虑了水泥在凝固后的收缩比例，有效解决了高压水泥注入和水泥凝固对光纤的伤害。另外，考虑到一开固井特点，还研发了专门的井口穿越装置，既实现光纤穿出套管外环形钢板时不被折断，又确保密封承受固井压力。该穿越装置既能够满足穿越直径φ9mm的光纤，又能在固井压力不超过12MPa的条件下实现有效密封。天津东丽湖CGSD-01井实际密封承压9.8MPa。

（2）首次提出光纤井壁外下井作业方案，并通过实践检验，解决了一开固井时，井壁光纤下井、固定、保护、穿越难题。

光纤井壁外埋设是本次工作的关键环节，下井作业操作的科学性和规范性直接影响了监测系统能否成功实现。光纤井壁外下井具有较强的技术特殊性。光纤埋设必须在一开套管下入的同时实现井下作业、安装、固定和信号检测，且必须在固井前实现穿越，不能影响固井作业。因此，光纤井壁外下井作业需与钻井施工、固井作业、监测设备安装等多个重要环节密切配合、周密组织、精心施工。为确保下井作业科学、规范，本项成果提出了光纤井壁外下井作业方案，并结合实践进一步修改完善。

在借鉴《地热钻探技术规程》《下套管作业规程》《水平井测井作业技术规范》《井下作业安全规程》《固井设计规范》等规范、标准基础上，结合本次工作的特殊性，编制了《井壁光纤监测系统安装作业操作规程》。主要内容包括：井下温度监测系统及光纤入井专用工具、施工准备、下套管作业、光纤入井作业、光纤固定与安装、尾纤的处理与保护、光纤检测、固井作业、风险及应急预案等。鉴于施工准备的重要性，又将施工准备细分为资料准备、井眼准备、井口准备、设备及工具检查、召开交底会议、人员准备以及下套管、固井作业准备等内容。

光纤井壁外下井作业方案的提出，解决了一开固井时井壁光纤下井、固定、保护、穿越难题，对井壁光纤监测系统安装作业提供了全流程的技术指导。在本次提出的作业方案指导下，本次工作在天津东丽湖CGSD-01井一开套管下入过程中，同步下入监测光纤并完成监测系统安装，实现下入深度895.36m，平均下放速度为每小时50m，一开套管下入、固井、井壁外光纤布设组合技术方案和技术要求顺利通过实战检验。

（3）成功开展地热井井壁分布式长期地温监测示范，并获取首批高质量监测数据。

基于天津东丽湖地热科学钻探CGSD-01钻井平台，在CGSD-01井成功布设地热井井壁分布式长期地温监测系统。光纤在一开套管下入过程中，同步实现光纤顺利下井，埋设于一开套管井壁，下入深度895.36m。固井完成后，光纤信号检测正常。经过第一阶段测试，监测系统运行稳定，获得首批高质量监测数据（图2）。

图2为CGSD-01地热井井壁分布式长期地温监测系统获得的分布式温度监测数据，仅选取了一开固井后期（补充“戴帽”）、二开循环钻进（泥浆循环）和二开取心钻进（二开取心）三种情况下的地温变化曲线。补充“戴帽”数据曲线表明，在一开固井后期，井内大致处于近稳定状态，井温曲线呈传导型形态，而井口部位由于受到一开固井影响，温度因水泥注入温度偏高；泥浆循环数据曲线表明，在二开钻进时，由于泥浆在井内循环，井内形成类似对流的环境，使得井内温度上下趋于一致；二开取心数据曲线可与二开钻进时泥浆循环数据曲线相比较，表明取心钻进对井内温度扰动程度明显小于正常钻进，因而温度整体较低。

图2 天津东丽湖CGSD-01井地温变化曲线图

测试期间，监测系统最高可实现每3秒进行一次全孔段分布式温度自动观测，并将观测数据自动保存，不同施工环境下井中不同深度地温的动态变化均能有效监测（图3）。

图3 天津东丽湖地热科学钻探CGSD-01井

3.成果意义

地热井监测是地热资源开发利用的基础工作，对于掌握热储及其周边地质环境的动态变化，保障资源的长期、可持续开发利用、管理和保护具有重要的意义。对于地热资源研究而言，监测的意义在于：通过长期开发利用过程动态监测数据的收集、分析、模拟和解译，更加有利于获取地热系统的真实性质和参数。地热井井壁分布式长期地温监测技术国外鲜有报道，国内尚属首例。本项成果所形成的新技术、新装备为地热储动态监测提供利器。进一步通过实践检验，并逐步改进、优化，可为热储动态监测提供了新的解决的思路和方案。

（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 李胜涛 郝文杰 岳冬冬供稿）

信息来自于中国地质调查成果快讯

                          矿山建设网公众号