地热钻探简介

    地热钻探(geothermal drilling)以勘探或开发地热资源为目的的钻探工作。是工程钻探的一部分。地下热能储量巨大，仅陆地以下地壳中储存的热能就相当于固体燃料、原油和天然气等石化燃料的全部能量的1.3×103倍，是一种开发利用前景广阔的能源。

    简史:远在公元前就有利用地下热水灌溉、医疗以及从高矿化地下热水中提取各种盐类的记载。大规模利用地热水供热最早的国家是冰岛，1930年已建成相当规模的地热水供热系统。日本、新西兰、美国、苏联等许多国家也于同期先后建成不同规模的地热水供热系统，将地热能直接用于采暖和工农业。

    意大利于1904年开始地热能转换为电能的研究。1913年首次在拉德瑞罗(Larderello)安装了一台250kW的地热发电机，1958年以前地热发电只在意大利有较大的发展。1958年以后，新西兰、美国、日本等国家参与了地热能转换为电力的研究和开发工作。据对22个国家和地区的调查，1976年地热发电的装机容量为1325Mw。

    中国自20世纪60年代开始有计划地对地热能进行研究和开发，全国20多个省、市、自治区先后钻凿了数百口热水井，用于采暖、沐浴、农业温室，以及纺织产品洗涤等。自1975年起，在西藏羊八井钻了数十口温度为150℃的蒸汽井，并建立了地热电站。

    特点:主要是：(1)温度高。井口温度超过60℃时，夏季施工困难，冬季水雾浓重；当井口温度达80℃时易发生烫伤事故。普通水基泥浆在温度60～80℃时开始变质，当温度达190℃时就絮凝而不能使用。高温时有害元素对设备和管材的腐蚀加剧。(2)岩层碎、深度大。地热田大多处于火山活动地带，岩石硬而碎，且埋藏深度大，钻进中易酿成事故。(3)成井要求严格。处于高温、高压和高速气流下工作的地热井，对套管、过滤管的安装和固井作业有严格要求。

    施工:地热井施工的主要工序，有井身结构设计、钻进、固井、完井和引喷。

    井身结构设计内容包括：确定套管的层次，各层套管的直径和下入深度；各层套管相应的钻头直径；各层套管外水泥浆的返回高度。井身结构设计主要取决于钻井目的、岩层和热储层的性质、钻井装备和工艺技术水平等。合理的井身结构应符合优质、快速、安全钻进的原则，满足开采地热时要求，并有利于节约材料，降低成本。对中、高温地热井井身结构设计还要着重考虑热流带来的特殊困难，主要是：热应力对套管的影响；高速热流对套管的冲蚀磨损；套管和过滤管结垢；较大的地层压力梯度等。

    钻进:地热井的钻进与油、气、水井钻进相似，为克服钻进中的特殊困难，需要对钻进方法、冲洗介质、钻具、套管头结构、井口装置等采用相应的工艺技术措施。

    (1)钻进方法。地热井根据其地热温度分为低温井(<100℃)、中温井(100～150℃)、高温井(150～250℃)和超高温井(>250℃)四级。不同温度的地热井采用不同的钻进方法。低温地热井多采用牙轮钻头或刮刀钻头全面钻进，钻进工艺与管井钻进工艺相似；中、高温地热井常采用压力平衡钻进，即在井底最小压力与裸眼地层孔隙内流体压力相平衡条件下的钻进，以防止井喷和提高钻进效率；较深地热井多采用综合钻进方法施工，即对非热储层或中、低温热储层采用常规钻进方法，干蒸汽热储层采用干空气、雾化空气、充气泥浆和泡沫钻进(见空气钻进)，深部地层采用潜孔锤(见冲击回转钻进)和金刚石钻头钻进。

    (2)冲洗介质。对中、低温地热井，通常采用搬土一褐煤一苛性钠泥浆，可在井温150℃以内保持稳定。对高温地热井则采用热稳定性、抗盐性、分散性较好的海泡石泥浆、坡缕石泥浆、经特殊处理的高温聚合物泥浆等。为减轻冲洗介质中氧对钻具的腐蚀，常在冲洗介质中加入过量的氢氧根、高分子氨基树脂、亚硫酸氢胺等，或用惰性气体作冲洗介质。

    (3)钻具。采用抗高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、强度高的合金钻杆、钻铤，并在钻杆、钻铤表面加防腐蚀涂料或作表面氮化处理。使用具有高硬度保径齿的三牙轮钻头和聚晶金刚石钻头等。

    (4)套管头结构。中、高温地热井的井口套管头部受到很大的热应力，若结构不当，可导致井口严重破坏。合理的套管头结构应允许生产套管轴向热伸缩、对生产套管具有扶正作用和能泄排水泥环中的气体。图1为套管头结构型式之一。

    (5)井口装置。低温热水井钻进时，井口设导流槽或导流管，将返回的热泥浆引出井场；中、高温地热井钻进，井口要装设由防喷器、各种管路、闸门、压力表等组成的井口装置，以保证安全钻进和宄井后气、水生产控制。

    固井:下套管和注水泥封固作业的总称。钻进至设计深度后，下入套管，并注入水泥浆封固套管与井壁之间的环形空间，以封隔易塌、易漏地层和避免含水体地层之间的干扰，为继续钻进和完井创造条件。地热井的高温会使水泥强度蜕化和渗透率增加，因此应采用抗高温水泥固井。通常是往水泥中添加一种细微分散的硅粉，添加量为水泥质量的30％～60％便可达到高温稳定；也可在水泥中加入苯乙烯、丙烯腈和丙烯酰胺等来提高水泥的抗高温能力。

    完井:地热井工程的最后环节，主要指热储层或目的层部位的井身结构(图2)的建造。地热井完井有裸眼、衬管和射孔套管完井三种基本方法。(1)裸眼完井。在钻入热储层之前将生产套管安置固定在生产层以上，再钻开热储层，生产井段为裸眼(图2a)。(2)衬管完井。在钻达热储层之前即下套管固井，再换径钻开热储层，将滤水管或衬。管下到生产套管以下的热储层中，以防止井孔被岩屑充填。如下入衬管，还需注水泥固定后射孔(图2b、c)。(3)射孔套管完井。生产套管贯穿热储层并注水泥胶结，在热储层段射孔完井。

    引喷:采用有控制地降低井内压力的方法，将热储层中的热流体引入生产套管，使其由井口喷出的过程。选择引喷方法的主要依据是地层压力梯度。对地层压力梯度大、自喷能力强的热储层，采用轻泥浆或替入部分清水的一次替喷法或二次替喷法引喷；对压力梯度小、自喷能力较弱的热储层，采用气举引喷或回挤引喷；无自喷能力或为防止热水扩容结垢而采用潜入式热泵抽水的热储层，则无需引喷。