南寧市九曲灣深層地熱井成井工藝

  地熱資源作為一種綠色能源, 是集能源、礦產(chǎn)和水源于一體的可再生清潔能源礦產(chǎn), 廣泛用于發(fā)電、供暖、工業(yè)利用、醫療、洗浴、水產(chǎn)養殖、農業(yè)溫室、礦泉水生產(chǎn)、農業(yè)灌溉等各個(gè)方面, 在人們日益注重生活質(zhì)量、加強環(huán)保的城市地區, 投資開(kāi)發(fā)地熱已成為時(shí)尚。

 

  目前, 我國地熱資源開(kāi)發(fā)最大深度已超過(guò)4000m, 西藏羊八井鉆孔揭露的最高溫度超過(guò)250℃。廣西地熱資源開(kāi)發(fā)多集中于自然出露的溫泉, 或在溫泉附近鉆井, 深度一般不超過(guò)300 m。南寧市作為廣西首府, 地處新生代斷陷沉積盆地內, 該盆地是一個(gè)大型低溫地熱田, 地下熱水開(kāi)采資源量達27.3 ×104 m3 /d[ 2、3] 。為了滿(mǎn)足市民休閑和旅游業(yè)發(fā)展的需要, 廣西地勘局開(kāi)展了南寧盆地三塘地區深層地熱勘查工作, 在廣西農墾局九曲灣農場(chǎng)施工了一眼探采結合井, 井深1219.94 m, 井口水溫53.5 ℃, 涌水量31 m3 /h, 從而為南寧盆地深層地熱開(kāi)發(fā)奠定了基礎, 填補了廣西在無(wú)地熱異常顯示尤其是熱儲層分布不連續的新生代沉積盆地型地熱資源開(kāi)發(fā)的空白。此后, 廣西農墾局在該地區陸續施工了6眼地熱井均獲成功, 并依托這7眼地熱井引資建設了2個(gè)4A級旅游景區, 取得了良好的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

 

  1 工程概況

 

  1.1 地質(zhì)概況

 

  該地熱井位于南寧市東郊三塘鎮九曲灣農場(chǎng),地處南寧盆地中部基底大型向斜的軸部, 地表無(wú)地熱異常顯示, 地溫梯度600 m以上小于1.6 ℃, 600～ 1000 m為2 ～ 2.4 ℃, 1000 m以下為1.5 ℃。盆地基底斷裂發(fā)育, 為地下熱水的深循環(huán)提供了通道。

 

  熱儲層為下第三系古亭組、鳳凰山組、瓦窯村組未完全固結的細砂巖、粉砂巖和寒武系黃垌口組石英細砂巖, 熱儲層分布不連續, 特別是第三系地層, 細砂巖、粉砂巖、泥巖等多呈互層狀產(chǎn)出。熱儲層分布深度為550.40 ～ 1181 m, 共計24層, 井深550.4 ～ 945m的細砂巖為該井主要熱儲層;其蓋層為第三系北湖組、里彩組及南湖組的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等, 泥巖、粉砂質(zhì)泥巖屬膨脹巖, 厚度大, 具遇水膨脹的特征,有良好的隔熱性能, 對于下伏熱儲層具有良好的保溫作用。

 

  1.2 施工設備

 

  該井設計井深1450 m。選用TSJ-2000E型轉盤(pán)鉆機, 配備動(dòng)力為A6135N-120hp高速柴油機。

 

  泥漿泵采用TBW -850/50 型, 配備動(dòng)力為A6135N-190hp高速柴油機。采用 73 mm及 89 mm鉆桿, 200.5 mm及 190.5 mm牙輪鉆頭。配套水剎車(chē)裝置、除砂設備及相關(guān)儀器等。

 

  1.3 井身結構

 

  該井為廣西第一眼深層地熱勘探井, 無(wú)直接的成熟地層及技術(shù)資料借鑒, 同時(shí)要兼顧探采結合的要求, 結合設備配置狀況, 實(shí)際勘探中采用了以下井身結構:

 

  0 ～ 200.14 m, 孔徑為350 mm, 下入 245 mm×11 mm石油無(wú)縫鋼管;200.14 ～ 561.36 m, 孔徑為200.5 mm;561.36 ～ 1219.94 m, 孔徑為190.5 mm,188.54 ～ 1219.94 m, 下入 139.7 mm×7.72 mm石油無(wú)縫鋼管, 其中, 548.75 ～ 1182.88 m分25段下入濾水管, 濾水管總長(cháng)300.27 m。2種規格的井管重疊11.6 m, 重疊部位采用高標號水泥連接。

 

  2 成井工藝

 

  2.1 工藝流程

 

  根據施工此井的設備配置情況、井深、鉆孔結構、井管結構及地層特性, 經(jīng)過(guò)綜合分析, 采取以下成井工藝流程:采用 200.5 mm及 190.5 mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)至終井深度、物探綜合測井、擴孔、下管、止水與固井、綜合洗井、抽水試驗。

 

  2.2 鉆井

 

  開(kāi)孔后采用 200.5 mm牙輪鉆頭鉆至361.22m, 變徑并換用 190.5 mm牙輪鉆頭鉆至1219.94m。為了確定地層層位, 于1181.68 ～ 1182.51 m為硬質(zhì)合金回轉取心鉆進(jìn), 取上巖心0.45 m。為防止井斜, 全孔采用長(cháng)83 m的 146 mm鉆鋌加壓鉆進(jìn)。

 

  根據巖心薄片鑒定及巖屑的巖礦分析結果, 結合物探測井資料, 確認井深1035 m已鉆穿第三系瓦窯村組地層, 進(jìn)入了盆地基底寒武系黃垌口組石英細砂巖, 巖石非常堅硬, 臺班進(jìn)尺僅1 m多, 且其含水性較差。綜合分析物探測井成果, 認為水量、水溫均可達到預期的地質(zhì)目的, 決定提前終孔。

 

  全井使用不分散低固相泥漿, 主要造漿材料為膨潤土。泥漿主要性能:粘度22 ～ 28 s, 密度1.05 ～1.08 kg/L, 失水量<10 mL/30 min, pH值8.5 ～ 9,含砂量<4%。

 

  在鉆進(jìn)過(guò)程中, 每回次取巖屑樣一個(gè), 自432.60 m開(kāi)始進(jìn)行簡(jiǎn)易水文觀(guān)測, 主要測量每回次泥漿消耗量及井口泥漿溫度。

 

  2.3 物探綜合測井

 

  為準確判明地層巖性及含水層位置, 確定取熱水層段, 物探綜合測井是地熱井施工不可缺少的技術(shù)手段。在鉆進(jìn)結束后, 選用TYCZ-1型綜合測井儀進(jìn)行物探測井, 電感傳溫測量?jì)x測井溫, 按點(diǎn)測和連續測量?jì)煞N方式進(jìn)行, 采用0.5 m電位電極系視電阻率、20 mV自然電位、人工伽瑪及自然伽瑪測量等4種探測方法對地層巖性進(jìn)行判別、劃分含水層,并確定止水位置。

 

  2.4 含水層選擇

 

  含水層的選擇是地熱井能否滿(mǎn)足水溫、水量要求的重要技術(shù)環(huán)節, 地熱井施工的目的也在于選取該目的層。根據巖屑錄井及物探綜合測井成果分析, 該井含水層共有24層, 單層厚3 ～ 21.5 m不等,累計總厚度為244.60 m, 其中945 m以淺屬含性中等的孔隙裂隙承壓含水層, 945 m以深屬裂隙承壓弱含水層。

 

  2.5 濾水管選擇

 

  根據含水層的地層特征及井身結構, 本井采用濾水管為 139.7 mm×7.72 mm石油無(wú)縫鋼管, 鋼級為J55, 類(lèi)型為圓孔墊筋纏絲及圓孔裸眼2種, 圓孔直徑20 mm, 孔距40 mm, 與管同向墊筋8號鐵絲8根, 墊筋外纏綿12號鐵絲, 纏絲間距為0.75 mm。

 

  井深548.75 ～ 906.28 m、916.02 ～ 942.15 m分17段下入圓孔墊筋纏絲濾水管, 906.28 ～ 916.02 m、1018.84 ～ 1182.88 m分8段下入圓孔裸眼濾水管。

 

  2.6 擴孔及下管

 

  經(jīng)物探綜合測井確定熱儲層位置后即進(jìn)行擴孔成井, 使用 350 mm擴孔鉆頭擴孔至200.14 m,200.5 mm 擴孔至561.36 m, 沖孔至原孔底1219.94 m后進(jìn)入井管安裝工序。

 

  井管安裝是地熱井成井的關(guān)鍵。根據鉆孔深度、含水層位置及厚度, 并結合鉆進(jìn)情況, 編制下管柱狀圖。下管前精確丈量每一根套管和濾水管長(cháng)度, 并將井管編號, 根據熱儲層位置將井管精心排列, 編制下管數據表, 經(jīng)技術(shù)負責人和駐場(chǎng)監理工程師認真檢查無(wú)誤后方可下入井內, 如有質(zhì)量問(wèn)題立即修復、調整或更換。采用鋼絲繩提吊法下管, 管與管之間采用管箍絲扣連接。

 

  2.7 止水與固井

 

  根據鉆井和綜合測井資料決定止水位置, 止水材料同樣采用 139.7 mm×7.72 mm石油無(wú)縫鋼管, 在管上焊止水托盤(pán), 托盤(pán)間包扎膨脹橡膠, 止水器長(cháng)度為2.5 m, 止水深度分別為210 m(目的是防止淺層冷水與下部低溫水混合)、464.5、484、523,546.5(目的是防止上部低溫水及煤系地層水與下部高溫水相互穿插)、593.7、651、945 m(目的是保護上下熱儲層), 245 mm與 139.7 mm兩種規格的井管重疊部位采用高標號水泥封閉止水。

 

  由于第三系的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖屬膨脹巖, 具遇水膨脹的特性。根據多年來(lái)在該地層施工的淺層供水井(井深一般在150 ～ 250 m)經(jīng)驗, 泥巖遇水膨脹后與井管接觸緊密, 井管穩固, 未出現過(guò)井管下沉現象。因此, 本地熱井 245 mm井管段未進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的固井, 現該地熱井已正常運行了5年多, 說(shuō)明止水和固井是成功的。

 

  2.8 綜合洗井

 

  為保證洗井質(zhì)量, 本地熱井選取物理和化學(xué)洗井的綜合洗井方法。洗井前用清水替換原泥漿, 待泥漿替換完畢后下入高壓沖刷器沖洗井;泥漿泵送入三聚磷酸鈉化學(xué)劑, 靜止24 h后采用活塞強拉強壓, 與高壓水噴刷并用, 連續洗井6個(gè)臺班。經(jīng)抽水試驗證實(shí), 井內水清砂凈, 水流暢通, 達到了很好的洗井目的。

 

  2.9 抽水試驗

 

  洗井結束后采用穩定流方法進(jìn)行單孔抽水試驗, 抽水試驗設備為200QJ32 -78 /6型深井潛水泵,潛水泵下入井深59.16 m。抽水延續時(shí)間為118.75h, 分3個(gè)落程按自小到大順序進(jìn)行, 兩個(gè)落程差值均大于6 m。采用閥門(mén)控制截流法進(jìn)行流量控制。

 

  水溫、水量、含砂量等均滿(mǎn)足設計要求, 且水質(zhì)達到了醫療礦泉水的標準。

 

  3 結語(yǔ)

 

  (1)南寧市九曲灣地熱井是廣西首眼深層地熱井, 填補了廣西在無(wú)地熱異常顯示尤其是熱儲層分布不連續的新生代沉積盆地型地熱資源開(kāi)發(fā)的空白, 具有較好的示范作用。

 

  (2)對于膨脹巖土地區的深層地熱勘探井施工, 應根據地層特征采取靈活的成井工藝流程, 可利用膨脹巖土的遇水膨脹特征自然固井。