砂岩热储三开地热井井身结构及施工方法

本发明涉及地热资源的钻井工程技术领域，具体涉及一种砂岩热储三开地热井井身结构及施工方法。

背景技术：

地热资源是指贮存在地球内部的可再生热能，地热资源的综合开发利用，对社会、经济和环境均有显著的效益，在发展国民经济中已显示出越来越重要的作用。我国政府有关机构、地矿与石油、煤炭等部门十分重视地热资源的勘查研究和开发利用。陕西关中盆地地热资源丰富，开发利用程度较高。关中盆地内地热勘查开发以地热钻探的方式为主。天然出露的带状热储类型，钻井深度一般控制在1000m以内；隐伏的盆地型层状热储，钻井深度目前已经超过4000m。地热井常采用二开井身结构，一开为泵室段，钻孔直径一般为444.5mm，二开孔径为241.3mm。钻井施工中常遇到第四系松散层坍塌、粘性土造浆、钻头泥包、钻井液性能恶化，钻具落井等问题，导致砂岩地热井的井身质量、使用年限及回灌效果均不理想。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种砂岩热储三开地热井井身结构及施工方法。

为实现以上目的，本发明提供的一种砂岩热储三开地热井井身结构及施工方法，采用如下技术方案：

砂岩热储三开地热井井身结构，包括依次连接的一开套管、一开二开过渡悬挂器、二开套管、二开三开过渡悬挂器以及三开套管；所述一开二开过渡悬挂器采用第一全密封悬挂器或者导流悬挂器；所述二开三开过渡悬挂器采用第二全密封悬挂器；所述一开套管以及一开二开过渡悬挂器的外部由水泥全封，所述二开套管以及二开三开过渡悬挂器的外部设置有联体伞式分层止水器，所述三开套管的外部设置有筛管。

进一步地，所述第一全密封悬挂器包括一开公母接头和悬挂密封组串，所述悬挂密封组串包括自上而下依次相接并整体设置于芯管外壁的上座封、橡胶密封组件、下座封以及锁定螺母，所述下座封靠近芯管一侧开设有下端贯通的台阶槽，所述台阶槽处设置有止逆锁定棘，所述止逆锁定棘下端与锁定螺母相接；所述止逆锁定棘的公齿与芯管的母齿相互镶合；所述套管公扣与二开套管接箍母扣连接并拧紧。

进一步地，所述导流悬挂器包括一开公母接头和翼形悬挂芯管，悬挂后悬挂部位环空被悬挂翼分隔成六等分通透的弧形导流槽，以便固井时水泥溢出导流。

进一步地，所述第二全密封悬挂器包括一开公母接头和悬挂密封组串，所述悬挂密封组串包括自上而下依次相接并整体设置于芯管外壁的上座封、橡胶密封组件、下座封以及锁定螺母，所述下座封靠近芯管一侧开设有下端贯通的台阶槽，所述台阶槽处设置有止逆锁定棘，所述止逆锁定棘下端与锁定螺母相接；所述止逆锁定棘的公齿与芯管的母齿相互镶合；所述套管公扣与二开套管接箍母扣连接并拧紧。

进一步地，所述筛管为定向井桥式筛管或直井包网缠丝筛管。

优选的，所述一开套管采用φ339.7mm×9.65mm钢级j55套管，长度450m。

优选的，所述二开套管采用φ244.5mm×8.94mm钢级j55套管，长度1630m。

优选的，所述三开套管采用φ177.8mm×9.19mm钢级n80套管，长度980m。

本发明还提供一种上述砂岩热储三开地热井井身结构的施工方法，包括依次下入一开套管、第一全密封悬挂器、二开套管、二开三开过渡悬挂器以及三开套管的步骤；其中第一全密封悬挂器的安装步骤包括：

在下入一开套管时，预先将所述第一全密封悬挂器的一开公母接头下入井中安装；

二开完钻后，将位于所述悬挂密封组串下端的套管公扣与二开套管接箍母扣连接并拧紧，再将悬挂密封组串上端的母扣与位于一开套管下部的反扣放送接头公扣相连接，并将反扣放送接头母扣与钻杆公扣连接；

最后将悬挂密封组串下入井中，当下座封公锥面与一开公母接头的座封母锥面接触后，下座封的下移即被限制。

所述二开三开过渡悬挂器采用第二全密封悬挂器，参照所述第一全密封悬挂器的安装步骤进行安装。

优选的，所述一开套管下入深度450m，去掉重合段30m，实际悬挂位置在420m；二开采用φ311.15mm钻头，下入二开套管至深度2050m，去掉重叠段30m，实际悬挂位置在2020m；三开采用φ215.9mm钻头，下入三开套管至深度3000m。

与现有技术相比，本申请采用三开井身结构，每开次井能够通过特定的悬挂器进行有效连接，确保井眼与套管间的密封性及稳定性；施工时悬挂器在每开次完钻后进行下套管作业时起到承上启下的作用。本申请能够改善地热井完井质量及延长使用年限，确保高效长久平稳提供热能，起到民生保障的关键性作用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为三开地热井井深结构示意图；

图2为全密封悬挂器结构示意图；

图3为全密封悬挂器的环形截面受力示意图；

图4为导流悬挂器结构示意图；

图5为图4的q-q剖面图；

图6为导流悬挂器受力示意图；

图7为导流悬挂器的六个翼沿示意图；

附图标记：

1-一开公母接头，2-上座封、3-(橡胶)密封组件、5-下座封，4-芯管，6-止逆锁定棘，7-锁定螺母，8-偏梯形扣，9-长圆扣，10-反扣，11-悬挂翼型芯管，12-弧形导流槽，13-一开二开过渡悬挂器，14-二开三开过渡悬挂器，15-水泥，16-翼沿，17-过流面积。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，砂岩热储三开地热井井身结构，包括依次连接的一开套管、一开二开过渡悬挂器13、二开套管、二开三开过渡悬挂器14以及三开套管；所述一开二开过渡悬挂器13采用第一全密封悬挂器或者导流悬挂器；所述二开三开过渡悬挂器采用第二全密封悬挂器；所述一开套管以及一开二开过渡悬挂器的外部由水泥15全封，所述二开套管以及二开三开过渡悬挂器的外部设置有联体伞式分层止水器，所述三开套管的外部设置有筛管。

如图2所示，所述第一全密封悬挂器包括一开公母接头1和悬挂密封组串，所述悬挂密封组串包括自上而下依次相接并整体设置于芯管4外壁的上座封2、橡胶密封组件3、下座封5以及锁定螺母7，所述下座封靠近芯管一侧开设有下端贯通的台阶槽，所述台阶槽处设置有止逆锁定棘6，所述止逆锁定棘下端与锁定螺母相接；所述止逆锁定棘的公齿与芯管的母齿相互镶合；所述套管公扣与二开套管接箍母扣连接并拧紧。悬挂器的连接方式主要是螺纹丝扣连接，第一全密封悬挂器上设置有偏梯形扣8、长圆扣9和反扣10。

所述第二全密封悬挂器与第一密封全悬挂器结构相同，包括一开公母接头和悬挂密封组串，所述悬挂密封组串包括自上而下依次相接并整体设置于芯管外壁的上座封、橡胶密封组件、下座封以及锁定螺母，所述下座封靠近芯管一侧开设有下端贯通的台阶槽，所述台阶槽处设置有止逆锁定棘，所述止逆锁定棘下端与锁定螺母相接；所述止逆锁定棘的公齿与芯管的母齿相互镶合；所述套管公扣与二开套管接箍母扣连接并拧紧。

所述筛管为定向井桥式筛管或直井包网缠丝筛管。

所述一开套管采用φ339.7mm×9.65mm钢级j55套管，长度450m；所述二开套管采用φ244.5mm×8.94mm钢级j55套管，长度1630m；所述三开套管采用φ177.8mm×9.19mm钢级n80套管，长度980m。

本发明还提供一种上述砂岩热储三开地热井井身结构的施工方法，包括依次下入一开套管、第一全密封悬挂器、二开套管、二开三开过渡悬挂器以及三开套管，具体的，本实施例中一开套管下入深度450m，去掉重合段30m，实际悬挂位置在420m；二开采用φ311.15mm钻头，下入二开套管至深度2050m，去掉重叠段30m，实际悬挂位置在2020m；三开采用φ215.9mm钻头，下入三开套管至深度3000m。

其中第一全密封悬挂器的安装步骤包括：

在下入一开套管时，预先将所述第一全密封悬挂器的一开公母接头下入井中安装；

二开完钻后，将位于所述悬挂密封组串下端的套管公扣与二开套管接箍母扣连接并拧紧，本实施例中具体为将全密封悬挂器下端的套管公扣与最后一根φ244.5mm套管接箍母扣连接并拧紧，再将悬挂密封组串上端的母扣与位于一开套管下部的反扣防松接头公扣相连接，并将反扣防松接头母扣与φ127mm钻杆公扣连接；

最后将悬挂密封组串下入井中，当下座封公锥面与一开公母接头的座封母锥面接触后，下座封的下移即被限制。此时套管全部重量通过与套管相连的φ244.5mm芯管短节施力于上座封，上座封下端面则将此力全部施加在橡胶密封组件上。在由上座封、下座封、一开公母接头内孔、芯管组成的环柱状密闭仓内，上座封受力下移，迫使密封组件轴向压缩而径向膨胀，直至填充密闭仓内全部空间。当密封组件变形抗力与密封仓的约束力达到平衡时，悬挂与密封即告完成。同时置于下座封内的止逆锁定棘公齿与芯管上的母齿相互镶合，将密封仓彻底锁死，形成一个与一开公母接头内孔密封配合的活塞。此后无论套管柱上顶或下移，活塞只在一开公母接头内孔内，在密封状态下做轴向往复运动，不会因井下套管的伸缩使悬挂密封失效。

所述二开三开过渡悬挂器采用第二全密封悬挂器，参照所述第一全密封悬挂器的安装步骤进行安装。

下面对一开二开第一全密封悬挂器进行强度校核，采用φ339.7mm/φ244.5mm全密封悬挂器。

假设二开下入φ244.5mm×8.94mm套管3000m，此规格套管的理论重量为53.57kg/m，则其总重量为160710kg。

悬挂器发生破坏的可能是剪切变形，其受剪截面为直径φ317mm的环形截面，如图3所示。

下座封材质与p110钢级相当的调质态42crmo高强度钢，屈服强度σs＝930mpa，取安全系数n＝1.5

则许用应力

相应剪切许用应力[τ]＝0.8×[σ]＝496mpa

设剪应力为τ，受剪面积为f，

则:

剪切力τ远小于许用剪切应力[τ]，所以悬挂器是安全的。

所述二开三开过渡悬挂器采用φ244.5mm/φ177.8mm第二全密封悬挂器进行悬挂和密封。此悬挂器结构和原理与一开二开φ339.7mm/φ244.5mm全密封悬挂器相同，这里不再赘述。

下面对第二全密封悬挂器进行强度校核，其受力图同图3。

许用剪应力[τ]＝496mpa

设剪应力为τ，受剪面积为f，

悬挂φ177.8mm套管3500m，重量g＝135450kg

则

套管重量所形成的剪应力远小于许用剪应力[τ]，所以此悬挂器是安全的。

实施例2

本实施例与实施例1相同，区别在于一开二开过渡悬挂器采用导流悬挂器，如图4和5所示，所述导流悬挂器，包括一开公母接头1与悬挂翼型芯管11，悬挂后悬挂部位环空被悬挂翼分隔成六等分通透的弧形导流槽，以便固井时水泥溢出导流。

下面对一开导流悬挂器进行强度校核。

悬挂器受力图如图6所示，在受剪部位φ314mm圆周上单个悬挂翼沿16所占角度为α

α＝14.64°

六个翼沿总角度

在φ314圆周上六翼角度占比

六翼沿受剪面积

s＝3.14×0.314×0.2035×i＝0.04896m²

许用剪应力[τ]＝496mpa

3000米套管重量g＝160710kg

则

剪切应力远小于[τ]，所以此悬挂器是安全的。

下面对一开二开导流悬挂器导流过流面积17进行计算。

六个翼沿面积s翼，如图7所示。

s翼＝6×(0.0319d²+9.185d-0.0367d²-9.892d)＝4943.35mm²

含翼沿在内的环缝面积s环

过流截面积s＝s环-s翼＝18892.6-4943.35＝13949.25mm²

φ127mm×9.19mm钻杆通径为φ108.62mm，通径过流面积为9261.67mm²，φ311.15mm钻头与φ244.5mm套管之间环缝面积为28998.5mm²，所以此悬挂器与钻杆及井孔环缝的大小关系为：钻杆过流面积小于悬挂器导流面积再小于井筒环空面积。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。