地热钻井的技术基本问题与解决策略

  [摘 要] 地热资源是一种洁净的绿色能源,开发利用不仅可以提高人们的生活质量和品位,而且还可以减少大气污染,具有显著的环境效益。世界各国都把该能作为一种新的能源和资源进行开发利用,并带动相关产业。我国的地热资源主要以水为载体,通过地热钻井技术手段可以将地下热能开采出来。就近年来在地热井施工中的经验体会,对地热钻井过程中还应注意的若干问题作一介绍,以便施工单位引起重视,更好地开采我国地热资源。
 
  [关键词] 地热资源;地热打井技术;若干问题
 
  目前,地热资源在国际上被广泛公认为21世纪的/绿色能源0,日益受到世界上许多国家的高度重视。
 
  我国是一个以中低温地热资源为主的国家,近十年来地热直接利用均以每年10%速率增长,尤其在人口密集的大、中城市,人们对地热采暖、保健、疗养、旅游等方面的需求更为迫切,这是全国地热市场日益兴旺的根本。有广阔内需市场的牵动,同时又有丰富地热资源作保障,这就促使我国地热直接利用的市场能得以持续的发展。
 
  我国地热工作者通过多年在这一领域的地热钻探施工,总结了一系列的经验,提高了地热生产井的成井率,为直接利用减少了风险投资负担,增强了开发者的积极性。地热钻井技术作为开采地热资源的重要手段,就应该对钻井技术工作中的若干问题及时总结,减少施工风险,缩短开发周期,加快整体的开发效应,降低成本,扩大再生产的良好势头。由于地热资源与石油资源的开发技术有许多共同之处,因地质条件各异而产生若干不同的问题,这对于地热钻探施工者来说,就必须认真考虑。
 
  1 地热井的地层特点
 
  对流热源型
 
  这种地热资源有蒸气型的可直接利用发电,热水型中的温度在180e以上的也可直接利用发电。中温的可取暖和双管循环发电。
 
  异常高压层型：
 
  高温岩层
 
  岩浆
 
  异常高压层型多在石油钻探中遇到,它的动能源是利用钻井孔隙中水的热能、高压水的机械能和溶解在水中的甲烷作用产生。
 
  对流热源型地层特点是:
 
  1)由裂隙发育的变质岩和火山岩构成的地层较多;2)热水型的地层压力接近静水压力;3)蒸气型的地层压力相当低;4)钻井液严重漏失;5)处于高温、低pH、H2S、CO2等腐蚀性环境下;6)深度较浅,钻进效率低,造成机械和管材损耗及疲劳等问题。
 
  2 地热井施工中应注意的若干问题
 
  钻井效率的提高
 
  在地下流体资源开发上,常常要求短期内安全成井,降低成本。为此,希望延长钻头使用寿命,提高钻进速度,缩短提下钻时间,减轻工人劳动强度。其相关内容有:钻头的用法,成井工艺的研究。根据地层情况和设备条件是采用一径成井还是几径成井完成。
 
  生产施工过程中以外部分泥浆的漏失。
 
  在泥浆漏失中,有部分泥浆流入地层,也有全漏失中断循环,伴随泥浆漏失发生的事故有孔内岩粉停滞而埋钻的危险和钻进效率下降,由于钻孔液面下降,就会发生地层坍塌、泥浆沸腾和井喷。如果只考虑成本不能使用优质泥浆护壁携带岩粉等,都会产生严重问题。所以,应注意的问题有:泥浆漏失的量、位置、原因的判断,泥浆漏失钻进产生的后果,如何进行堵漏。
 
  泥浆
 
  在地热带钻进方面应注意的问题是:钻头使用寿命、防止泥浆胶凝化和固化、防止泥浆比热下降、防止井内的冷却和沸腾。研制一种新的耐热泥浆和冷却循环泥浆的方法。
 
  水泥灌浆
 
  用水泥灌浆把套管固定在孔内,来处理好漏失地层,这种方法值得探讨并怎样判断水泥灌浆的效果,这是一个关键。现迫切研制高温下保持稠化时间、不发生弱化的水泥。
 
  防止地下水污染
 
  含水层的钻进及成井由于裂隙发育,经常会遇到大量漏失,为防止含水层污染,要研制不含膨润土的冲洗液,并要尽可能采用气举反循环钻进工艺。
 
  定向辐射井钻进
 
  为了从同一孔位钻进若干个生产井和倒灌井,今后应发展定向钻进。关键问题是如何解决高温和坚硬岩层对方位、倾斜的测定。
 
  物理检测
 
  对于含水层的位置和判断地层流体的性质,如何研制高温下的物探测井设备。
 
  环境保护
 
  地热开发所产生的环境问题有如下几点:
 
  1)特殊臭味、瓦斯及微粒子的扩散。
 
  2)噪音。
 
  3)盐水的扩散。
 
  4)风景的变化。
 
  5)地层下沉。
 
  6)地面水和地下水的污染。
 
  7)生态系统受影响。
 
        3 地热钻探设备的开发特点
 
        拆装简便
 
  地热钻探为组装拆卸方便,缩短施工周期,钻机的各部件应整体化,轻重量。
 
  卷扬机的能力与自动钻进装置
 
  地热钻探属大口径钻探,所钻岩层多是坚硬、破碎、高温的岩石。钻头的钻压、回转是钻进的重要因素,所以卷扬机应有足够的能力,并有提高钻进速度和省力的自动钻进装置。
 
  大排量泥浆泵
 
  循环泥浆接触高温地层后,立刻被加热到沸点,有涌喷的危险,且高温对钻头的影响很大,泥浆本身的性能也起变化,会导致井壁发生坍塌等。为能比较安全地控制井内温度,必须配有与泥浆冷却装置相配合的大排量泥浆泵。
 
  防喷装置
 
  地热钻井同石油钻井一样,在钻探过程中,由于井内状态急剧变化会产生热水或热蒸气涌喷,该装置有能迅速防止涌喷的耐热性防护设备。在我国目前还是借用石油钻井用防喷器来达到此种目的。
 
  4 目前在地热钻井中所用设备及工艺方法。
 
  众所周知,地热井是一个重要的地下工程,其质量的好坏不仅影响地热资源的开发利用,而且还对地域地下水资源造成严重的威胁。从我国地热钻井队伍来看,主要涉及地矿、煤田、石油等行业,同时还存在着一部分个人钻机等,其技术水平和施工质量参差不齐,主要反映在设备、钻井工艺方法及成井工艺等方面。我队为了搞好这一工作,还特意设立了地热钻井机台,从设备、工艺方法。人员组成都是最佳选择。
 
  地热井施工选用钻机
 
  由于地热井在北方一般孔深多为3 000~4 000 m之间,我队为了安全可靠的施工,钻机选用宝鸡石油机械厂生产的ZG -45型,该钻机可钻孔深达4 500 m左右。钻机整个配套均按石油钻井设施进行,可拆性强,机械化程度较高,钻井过程中检测手段先进,同时钻机的劳动强度也比石家庄煤机厂、张家口探矿机械厂生产的地热井钻机低很多。
 
  地热井施工选用泥浆泵
 
  泥浆泵的选用好与坏,直接关系到钻进效率的提高,我们本着这个原则选用的泥浆泵为青州石油机械厂生产的3NB -1300型,此种泥浆泵由于功率大,排量和压力也高,正循环钻进时尽可能减少岩屑重复破碎。
 
  但在深层地热钻探中,我们曾经有过教训,现深深体会到,要想提高钻井效率,必须选择大泵量、高压力的泥浆泵。因为排量大、上返速度高、携带岩屑能力强,井底较干净,减少了埋钻等井内事故。所以,钻井效率提高当然就有了保证。
 
  钻井工艺及主要技术方法
 
  目前,虽然在工程钻探施工领域工艺和手段较多,但大多数在地热井施工还是以正循环泥浆钻进为主,我们队曾在2003年推广应用了气举反循环钻进技术,除在大口径煤矿瓦斯排放井采用外,主要还是配备在深水井地热钻探施工方面,充分发挥此种工艺钻进的优越性,据初步统计,气举反循环比泥浆正循环钻进效率提高1~2倍,钻探成本降低1 /3,钻头寿命提高1~2倍,出水量增大1 /3,具有不污染、不堵塞含水层、孔底干净、效率高、且不用泥浆地温空调用水井组的设计要点鉴于地温空调用水井质量标准和使用方法的特殊性,水井的设计应突出以下几点。
 
  位置布设和井距的确定
 
  国家地下水资源管理中心和各城市节水办公室一致强调要同层回灌,为此应设计回灌井与抽水井同深,且井的结构基本相同,一个工程中的抽水井和回灌井定期交替使用。由于水文地质条件、成井工艺、回灌方法和回灌操作程序不同。在渗透性好的含水层中,回灌井应布设在采井的上游,可以起直接补给的作用;在渗透性较差的含水层中,回灌井可多设且均匀分布,井距密集些,达到补给效果。
 
  合理的井间距对地下水源热泵非常重要,间距不能太小,否则会使抽水井与回灌井之间发生/热短路0。
 
  对渗透性较好的松散砂石层,两井间距应在100 m左右;对渗透性较差的粘土层,两井间距一般在50 m左右,不宜小于50 m。
 
  312 深度的确定。
 
  鉴于地温空调用井对水质、水量和水温的要求,水井深度根据各地区情况而定,一般300~400 m。水质较好,同时水温比较恒定,一般为12e~24e,为水源热泵机组提供较低的冷凝温度和较高的蒸发温度,使水源热泵具有较高的制冷、制热性能系数。
 
  管材的选择
 
虽然回灌井同抽水井一样,也是由井管、滤水管、沉砂管组成。但由于回灌井要承受两个方面的水流作用和两种水质的影响,故对回灌井管材和过滤网的强度、耐腐蚀能力有特殊要求。水井井管一般选用厚度不小于6~8mm的钢管或铸铁管,不应采用水泥管,水泥管虽然造价低,但承压能力较差,不利于长期的使用。滤水管采用桥式滤水管,回灌井过滤网的强度和耐腐蚀能力要求要高。
 
  井管口径的设计
 
  水井口径决定了透水面积的大小,透水面积过小会加大单位面积的水流速,影响水井寿命和回灌能力。
 
  所以水井口径一般不能太小,一般要求不小于273~325 mm,具体口径应根据项目当地的地质状况所决定。
 
  钻孔直径的设计
 
  钻孔直径应略大于一般供水井的钻孔直径20~40mm,这样可以提高滤水效果,保证水的含砂量要求和回灌效果。
 
  滤料和封井材料的确定
 
  水井滤料不应采用尖棱或片状的碎石,应采用直径2~4 mm、分选好、磨圆度高、以石英砂为主的硅质滤料。封井材料宜采用优质粘土球或粘土块。
 
  洗井要求
 
  水井凿完后,抽水试验连续时间不得低于48 h,水位沉降不得大于10m,应以稳定水位及出水量确定水井的出水能力,水井出水时含沙量不应大于十万分之一。
 
  地温空调用水井的使用要点：
 
  1)使用前先确定回灌水量。一般应保证连续回灌48 h,以不冒出水井为限,测定回灌量。
 
  2)回灌水管进入水井深度应距静水位不能太高,否则正常回灌时,回灌水会在进入水井水平面时会形成看不见的小气泡,在滤料中形成气堵影响回灌。
 
  3)为防止回灌井堵塞,确保地温中央空调系统长期稳定的运行,水井管网设计成双回路,出、回水井可以互相切换使用,定期更换抽水井和回水井,这样可以保证水井中滤水层畅通,不会堵塞,保证回灌量。
 
  4)水井管网中一定要设计排污管,这样有利于管网安装后的洗井。
 
  5)每年夏、冬两季开机前要先洗井,把水井抽清以后再使用,可延长地温中央空调主机、水泵等设备的使用寿命。