地熱鉆井技術的若干基本問題

  目前,地熱資源在國際上被廣泛公認為21世紀的綠色能源,日益受到世界上許多國家的高度重視。我國是一個以中低溫地熱資源為主的國家,近十年來地熱直接利用均以每年10%速率增長,尤其在人口密集的大、中城市,人們對地熱采暖、保健、療養、旅游等方面的需求更為迫切,這是全國地熱市場日益興旺的根本。有廣闊內需市場的牽動,同時又有豐富地熱資源作保障,這就促使我國地熱直接利用的市場能得以持續的發展。 我國地熱工作者通過多年在這一領域的鉆探施工,總結了一系列的經驗,提高了地熱生產井的成井率,為直接利用減少了風險投資負擔,增強了開發者的積極性。地熱鉆井技術作為開采地熱資源的重要手段,就應該對鉆井技術工作中的若干問題及時總結,減少施工風險,縮短開發周期,加快整體的開發效應,降低成本,擴大再生產的良好勢頭。由于地熱資源與石油資源的開發技術有許多共同之處,因地質條件各異而產生若干不同的問題,這對于地熱鉆探施工者來說,就必須認真考慮。

  1地熱井的地層特點

  11對流熱源型 這種地熱資源有蒸氣型的可直接利用發電,熱水 型中的溫度在180以上的也可直接利用發電。中溫的可取暖和雙管循環發電。

  12異常高壓層型

  13高溫巖層

  14巖漿 異常高壓層型多在石油鉆探中遇到,它的動能源是利用鉆井孔隙中水的熱能、高壓水的機械能和溶解在水中的甲烷作用產生。 對流熱源型地層特點是:

  1)由裂隙發育的變質巖和火山巖構成的地層較多;

  2)熱水型的地層壓力接近靜水壓力;

  3)蒸氣型的地層壓力相當低;

  4)鉆井液嚴重漏失;

  5)處于高溫、低pH、H2S、CO2等腐蝕性環境下;6)深度較淺,鉆進效率低,造成機械和管材損耗及疲勞等問題。

  2地熱井施工中應注意的若干問題

  21鉆井效率的提高 在地下流體資源開發上,常常要求短期內安全成井,降低成本。為此,希望延長鉆頭使用壽命,提高鉆進速度,縮短提下鉆時間,減輕工人勞動強度。其相關內容有:鉆頭的用法,成井工藝的研究。根據地層情況和設備條件是采用一徑成井還是幾徑成井完成。

  22生產施工過程中以外部分泥漿的漏失 在泥漿漏失中,有部分泥漿流入地層,也有全漏失中斷循環,伴隨泥漿漏失發生的事故有孔內巖粉停滯而埋鉆的危險和鉆進效率下降,由于鉆孔液面下降,就會發生地層坍塌、泥漿沸騰和井噴。如果只考慮成本不能使用優質泥漿護壁攜帶巖粉等,都會產生嚴重問題。所以,應注意的問題有:泥漿漏失的量、位置、原因的判斷,泥漿漏失鉆進產生的后果,如何進行堵漏。

  23泥漿 在地熱帶鉆進方面應注意的問題是:鉆頭使用壽命、防止泥漿膠凝化和固化、防止泥漿比熱下降、防止井內的冷卻和沸騰。研制一種新的耐熱泥漿和冷卻循環泥漿的方法。

  24水泥灌漿 用水泥灌漿把套管固定在孔內,來處理好漏失地層,這種方法值得探討并怎樣判斷水泥灌漿的效果,這是一個關鍵。現迫切研制高溫下保持稠化時間、不發生弱化的水泥。

  25防止地下水污染 含水層的鉆進及成井由于裂隙發育,經常會遇到大量漏失,為防止含水層污染,要研制不含膨潤土的沖洗液,并要盡可能采用氣舉反循環鉆進工藝。

  26定向輻射井鉆進 為了從同一孔位鉆進若干個生產井和倒灌井,今后應發展定向鉆進。關鍵問題是如何解決高溫和堅硬巖層對方位、傾斜的測定。

  27物理檢測 對于含水層的位置和判斷地層流體的性質,如何研制高溫下的物探測井設備。28環境保護 地熱開發所產生的環境問題有如下幾點:

  1)特殊臭味、瓦斯及微粒子的擴散。

  2)噪音。

  3)鹽水的擴散。

  4)風景的變化。

  5)地層下沉。

  6)地面水和地下水的污染。

  7)生態系統受影響。

  3地熱鉆探設備的開發特點

  31拆裝簡便 地熱鉆探為組裝拆卸方便,縮短施工周期,鉆機的各部件應整體化,輕重量。

  32卷揚機的能力與自動鉆進裝置 地熱鉆探屬大口徑鉆探,所鉆巖層多是堅硬、破碎、高溫的巖石。鉆頭的鉆壓、回轉是鉆進的重要因素,所以卷揚機應有足夠的能力,并有提高鉆進速度和省力的自動鉆進裝置。

  33大排量泥漿泵 循環泥漿接觸高溫地層后,立刻被加熱到沸點,有涌噴的危險,且高溫對鉆頭的影響很大,泥漿本身的性能也起變化,會導致井壁發生坍塌等。為能比較安全地控制井內溫度,必須配有與泥漿冷卻裝置相配合的大排量泥漿泵。

  34防噴裝置 地熱鉆井同石油鉆井一樣,在鉆探過程中,由于井內狀態急劇變化會產生熱水或熱蒸氣涌噴,該裝置有能迅速防止涌噴的耐熱性防護設備。在我國目前還是借用石油鉆井用防噴器來達到此種目的。

  4目前在地熱鉆井中所用設備及工藝方法 

  眾所周知,地熱井是一個重要的地下工程,其質量的好壞不僅影響地熱資源的開發利用,而且還對地域地下水資源造成嚴重的威脅。從我國地熱鉆井隊伍來看,主要涉及地礦、煤田、石油等行業,同時還存在著一部分個人鉆機等,其技術水平和施工質量參差不齊,主要反映在設備、鉆井工藝方法及成井工藝等方面。我隊為了搞好這一工作,還特意設立了地熱鉆井機臺,從設備、工藝方法。人員組成都是最佳選擇。

  41地熱井施工選用鉆機 由于地熱井在北方一般孔深多為3000~4000m之間,我隊為了安全可靠的施工,鉆機選用寶雞石油機械廠生產的ZG-45型,該鉆機可鉆孔深達4500m左右。鉆機整個配套均按石油鉆井設施進行,可拆性強,機械化程度較高,鉆井過程中檢測手段先進,同時鉆機的勞動強度也比石家莊煤機廠、張家口探礦機械廠生產的地熱井鉆機低很多。

  42地熱井施工選用泥漿泵 泥漿泵的選用好與壞,直接關系到鉆進效率的提高,我們本著這個原則選用的泥漿泵為青州石油機械廠生產的3NB-1300型,此種泥漿泵由于功率大,排量和壓力也高,正循環鉆進時盡可能減少巖屑重復破碎。但在深層地熱鉆探中,我們曾經有過教訓,現深深體會到,要想提高鉆井效率,必須選擇大泵量、高壓力的泥漿泵。因為排量大、上返速度高、攜帶巖屑能力強,井底較干凈,減少了埋鉆等井內事故。所以,鉆井效率提高當然就有了保證。

  43鉆井工藝及主要技術方法 目前,雖然在工程鉆探施工領域工藝和手段較多,但大多數在地熱井施工還是以正循環泥漿鉆進為主,我們隊曾在2003年推廣應用了氣舉反循環鉆進技術,除在大口徑煤礦瓦斯排放井采用外,主要還是配備在深水井地熱鉆探施工方面,充分發揮此種工藝鉆進的優越性,據初步統計,氣舉反循環比泥漿正循環鉆進效率提高1~2倍,鉆探成本降低1/3,鉆頭壽命提高1~2倍,出水量增大1/3,具有不污染、不堵塞含水層、孔底干凈、效率高、且不用泥漿。

  地溫空調用水井組的設計要點 鑒于地溫空調用水井質量標準和使用方法的特殊性,水井的設計應突出以下幾點。

  31位置布設和井距的確定 國家地下水資源管理中心和各城市節水辦公室一致強調要同層回灌,為此應設計回灌井與抽水井同深,且井的結構基本相同,一個工程中的抽水井和回灌井定期交替使用。由于水文地質條件、成井工藝、回灌方法和回灌操作程序不同。在滲透性好的含水層中,回灌井應布設在采井的上游,可以起直接補給的作用;在滲透性較差的含水層中,回灌井可多設且均勻分布,井距密集些,達到補給效果。 合理的井間距對地下水源熱泵非常重要,間距不能太小,否則會使抽水井與回灌井之間發生熱短路。對滲透性較好的松散砂石層,兩井間距應在100m左右;對滲透性較差的粘土層,兩井間距一般在50m左右,不宜小于50m。

  32深度的確定 鑒于地溫空調用井對水質、水量和水溫的要求,水井深度根據各地區情況而定,一般300~400m。水質較好,同時水溫比較恒定,一般為12~24,為水源熱泵機組提供較低的冷凝溫度和較高的蒸發溫度,使水源熱泵具有較高的制冷、制熱性能系數。

  33管材的選擇 雖然回灌井同抽水井一樣,也是由井管、濾水管、沉砂管組成。但由于回灌井要承受兩個方面的水流作用和兩種水質的影響,故對回灌井管材和過濾網的強度、耐腐蝕能力有特殊要求。水井井管一般選用厚度不小于6~8mm的鋼管或鑄鐵管,不應采用水泥管,水泥管雖然造價低,但承壓能力較差,不利于長期的使用。濾水管采用橋式濾水管,回灌井過濾網的強度和耐腐蝕能力要求要高。

  34井管口徑的設計 水井口徑決定了透水面積的大小,透水面積過小 會加大單位面積的水流速,影響水井壽命和回灌能力。所以水井口徑一般不能太小,一般要求不小于273~325mm,具體口徑應根據項目當地的地質狀況所決定。

  35鉆孔直徑的設計 鉆孔直徑應略大于一般供水井的鉆孔直徑20~40mm,這樣可以提高濾水效果,保證水的含砂量要求和回灌效果。

  36濾料和封井材料的確定 水井濾料不應采用尖棱或片狀的碎石,應采用直徑2~4mm、分選好、磨圓度高、以石英砂為主的硅質濾料。封井材料宜采用優質粘土球或粘土塊。

  37洗井要求 水井鑿完后,抽水試驗連續時間不得低于48h,水位沉降不得大于10m,應以穩定水位及出水量確定水井的出水能力,水井出水時含沙量不應大于十萬分之一。

  4地溫空調用水井的使用要點

  1)使用前先確定回灌水量。一般應保證連續回灌48h,以不冒出水井為限,測定回灌量。

  2)回灌水管進入水井深度應距靜水位不能太高,否則正常回灌時,回灌水會在進入水井水平面時會形成看不見的小氣泡,在濾料中形成氣堵影響回灌。

  3)為防止回灌井堵塞,確保地溫中央空調系統長期穩定的運行,水井管網設計成雙回路,出、回水井可以互相切換使用,定期更換抽水井和回水井,這樣可以保證水井中濾水層暢通,不會堵塞,保證回灌量。

  4)水井管網中一定要設計排污管,這樣有利于管網安裝后的洗井。

  5)每年夏、冬兩季開機前要先洗井,把水井抽清以后再使用,可延長地溫中央空調主機、水泵等設備的使用壽命。