地熱鉆井技術(shù)的若干基本問(wèn)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(gè)以中低溫地熱資源為主的國家,近十年來(lái)地熱直接利用均以每年10%速率增長(cháng),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(chǎng)日益興旺的根本。有廣闊內需市場(chǎng)的牽動(dòng),同時(shí)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(chǎng)能得以持續的發(fā)展。 我國地熱工作者通過(guò)多年在這一領(lǐng)域的鉆探施工,總結了一系列的經(jīng)驗,提高了地熱生產(chǎn)井的成井率,為直接利用減少了風(fēng)險投資負擔,增強了開(kāi)發(fā)者的積極性。地熱鉆井技術(shù)作為開(kāi)采地熱資源的重要手段,就應該對鉆井技術(shù)工作中的若干問(wèn)題及時(shí)總結,減少施工風(fēng)險,縮短開(kāi)發(fā)周期,加快整體的開(kāi)發(fā)效應,降低成本,擴大再生產(chǎn)的良好勢頭。由于地熱資源與石油資源的開(kāi)發(fā)技術(shù)有許多共同之處,因地質(zhì)條件各異而產(chǎn)生若干不同的問(wèn)題,這對于地熱鉆探施工者來(lái)說(shuō),就必須認真考慮。

  1地熱井的地層特點(diǎn)

  11對流熱源型 這種地熱資源有蒸氣型的可直接利用發(fā)電,熱水 型中的溫度在180以上的也可直接利用發(fā)電。中溫的可取暖和雙管循環(huán)發(fā)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(dòng)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(chǎn)生。 對流熱源型地層特點(diǎn)是:

  1)由裂隙發(fā)育的變質(zhì)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(huán)境下;6)深度較淺,鉆進(jìn)效率低,造成機械和管材損耗及疲勞等問(wèn)題。

  2地熱井施工中應注意的若干問(wèn)題

  21鉆井效率的提高 在地下流體資源開(kāi)發(fā)上,常常要求短期內安全成井,降低成本。為此,希望延長(cháng)鉆頭使用壽命,提高鉆進(jìn)速度,縮短提下鉆時(shí)間,減輕工人勞動(dòng)強度。其相關(guān)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(chǎn)施工過(guò)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(huán),伴隨泥漿漏失發(fā)生的事故有孔內巖粉停滯而埋鉆的危險和鉆進(jìn)效率下降,由于鉆孔液面下降,就會(huì )發(fā)生地層坍塌、泥漿沸騰和井噴。如果只考慮成本不能使用優(yōu)質(zhì)泥漿護壁攜帶巖粉等,都會(huì )產(chǎn)生嚴重問(wèn)題。所以,應注意的問(wèn)題有:泥漿漏失的量、位置、原因的判斷,泥漿漏失鉆進(jìn)產(chǎn)生的后果,如何進(jìn)行堵漏。

  23泥漿 在地熱帶鉆進(jìn)方面應注意的問(wèn)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(huán)泥漿的方法。

  24水泥灌漿 用水泥灌漿把套管固定在孔內,來(lái)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(gè)關(guān)鍵?，F迫切研制高溫下保持稠化時(shí)間、不發(fā)生弱化的水泥。

  25防止地下水污染 含水層的鉆進(jìn)及成井由于裂隙發(fā)育,經(jīng)常會(huì )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(huán)鉆進(jìn)工藝。

  26定向輻射井鉆進(jìn) 為了從同一孔位鉆進(jìn)若干個(gè)生產(chǎn)井和倒灌井,今后應發(fā)展定向鉆進(jìn)。關(guān)鍵問(wèn)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(zhì),如何研制高溫下的物探測井設備。28環(huán)境保護 地熱開(kāi)發(fā)所產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題有如下幾點(diǎn):

  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(fēng)景的變化。

  5)地層下沉。

  6)地面水和地下水的污染。

  7)生態(tài)系統受影響。

  3地熱鉆探設備的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)

  31拆裝簡(jiǎn)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?yè)P機的能力與自動(dòng)鉆進(jìn)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(jìn)的重要因素,所以卷?yè)P機應有足夠的能力,并有提高鉆進(jìn)速度和省力的自動(dòng)鉆進(jìn)裝置。

  33大排量泥漿泵 循環(huán)泥漿接觸高溫地層后,立刻被加熱到沸點(diǎn),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(huì )導致井壁發(fā)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(guò)程中,由于井內狀態(tài)急劇變化會(huì )產(chǎn)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(lái)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(gè)重要的地下工程,其質(zhì)量的好壞不僅影響地熱資源的開(kāi)發(fā)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(lái)看,主要涉及地礦、煤田、石油等行業(yè),同時(shí)還存在著(zhù)一部分個(gè)人鉆機等,其技術(shù)水平和施工質(zhì)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(chǎng)生產(chǎn)的ZG-45型,該鉆機可鉆孔深達4500m左右。鉆機整個(gè)配套均按石油鉆井設施進(jìn)行,可拆性強,機械化程度較高,鉆井過(guò)程中檢測手段先進(jìn),同時(shí)鉆機的勞動(dòng)強度也比石家莊煤機廠(chǎng)、張家口探礦機械廠(chǎng)生產(chǎn)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(guān)系到鉆進(jìn)效率的提高,我們本著(zhù)這個(gè)原則選用的泥漿泵為青州石油機械廠(chǎng)生產(chǎn)的3NB-1300型,此種泥漿泵由于功率大,排量和壓力也高,正循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)盡可能減少巖屑重復破碎。但在深層地熱鉆探中,我們曾經(jīng)有過(guò)教訓,現深深體會(huì )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(shù)方法 目前,雖然在工程鉆探施工領(lǐng)域工藝和手段較多,但大多數在地熱井施工還是以正循環(huán)泥漿鉆進(jìn)為主,我們隊曾在2003年推廣應用了氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù),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(fā)揮此種工藝鉆進(jìn)的優(yōu)越性,據初步統計,氣舉反循環(huán)比泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)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(diǎn) 鑒于地溫空調用水井質(zhì)量標準和使用方法的特殊性,水井的設計應突出以下幾點(diǎn)。

  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(gè)工程中的抽水井和回灌井定期交替使用。由于水文地質(zhì)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(huì )使抽水井與回灌井之間發(fā)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(zhì)、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(zhì)較好,同時(shí)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(fā)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(gè)方面的水流作用和兩種水質(zhì)的影響,故對回灌井管材和過(guò)濾網(wǎng)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(jià)低,但承壓能力較差,不利于長(cháng)期的使用。濾水管采用橋式濾水管,回灌井過(guò)濾網(wǎng)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?jīng)Q定了透水面積的大小,透水面積過(guò)小 會(huì )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(zhì)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(zhì)濾料。封井材料宜采用優(yōu)質(zhì)粘土球或粘土塊。

  37洗井要求 水井鑿完后,抽水試驗連續時(shí)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(shí)含沙量不應大于十萬(wàn)分之一。

  4地溫空調用水井的使用要點(diǎn)

  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(jìn)入水井深度應距靜水位不能太高,否則正?；毓鄷r(shí),回灌水會(huì )在進(jìn)入水井水平面時(shí)會(huì )形成看不見(jiàn)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(cháng)期穩定的運行,水井管網(wǎng)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(huì )堵塞,保證回灌量。

  4)水井管網(wǎng)中一定要設計排污管,這樣有利于管網(wǎng)安裝后的洗井。

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