對地熱井成井工藝技術(shù)的探討與認識

 自1998 年以來(lái)，我們先后鉆鑿了40 多眼地熱井，井深從2000m 至4080m 不等， 井口出水溫度48℃至119℃。12 年來(lái)，圍繞著(zhù)保質(zhì)量、樹(shù)信譽(yù)、保生存第一的目標，堅持實(shí)踐中找難點(diǎn)，從難點(diǎn)中找辦法，歷經(jīng)艱難曲折，不斷探索和積累經(jīng)驗，逐步在鉆井工程、完井工藝、熱儲層保護和試水工藝技術(shù)方面取得了新的突破， 在實(shí)際應用中成效顯著(zhù)。

 

  1998 ～ 2005 年7 年間，在成功鉆鑿20 余口地熱井，取得了良好的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益的基礎上。自2006 年以來(lái)，圍繞優(yōu)質(zhì)快速鉆井和確保地熱井水溫、水量指標這一中心，大膽進(jìn)行科技創(chuàng )新，建立和不斷完善裸眼濾水管成井、聯(lián)體傘式止水器止水、泵室段與技術(shù)套管穿袖封固連接以及高壓空氣壓縮機洗井四大技術(shù)，取得了重要進(jìn)展。同期在陜西關(guān)中地區共鉆鑿地熱井24 眼，居本區各地熱井鉆井公司之首。在實(shí)現設備更新?lián)Q代，隊伍技術(shù)素質(zhì)和管理水平提高的同時(shí)，瞄準全國《可再生能源中長(cháng)期發(fā)展規劃》中明確地熱新能源發(fā)展的宏偉目標，為建立和完善具有我國特色的地熱井工藝技術(shù)中找到自己的位置和發(fā)展空間。

 

  1 裸眼濾水管成井

 

  1. 1 裸眼濾水管成井由來(lái)

 

  一直以來(lái)，很多人都認識到渭河盆地第三系地層不會(huì )有流動(dòng)的砂子，但傳統的地熱井成井工藝要求地熱井的濾水管必須包網(wǎng)纏絲。地熱井的投資很高，如果采用裸眼濾水管成井，一旦采出地熱水中砂子源源不斷涌出，不但管理部門(mén)不予驗收，甲方也不會(huì )接受，施工方得不償失。因此，一直以來(lái)沒(méi)有人對渭河盆地內地熱井采用裸眼濾水管成井。

 

  我們采用裸眼濾水管成井最早是在2006 年10月咸陽(yáng)綠源公司的WR2 號井，緣于一次偶然的機會(huì )。當時(shí)該井井深2600m，起初準備了500m 的纏絲包網(wǎng)濾水管，與以往的地熱井比較，濾水管可謂富富有余了， 可是經(jīng)測井后發(fā)現， 含水層厚度在600m 多，對濾水管包網(wǎng)纏絲已來(lái)不及了，因為施工區的裸眼井是不能久等的，時(shí)間長(cháng)了不僅會(huì )對井身安全造成威脅，亦會(huì )污染熱儲層。根據以往我們對濾水管的認識和93 年在華陰秦嶺電廠(chǎng)水源地24號井修井經(jīng)驗(93 年在華陰秦嶺電廠(chǎng)水源地24 號井修井時(shí)，發(fā)現包網(wǎng)纏絲的濾水管是短命的，僅10個(gè)月就沖斷，我們將下入的濾水管拔出， 發(fā)現有2m 的濾水管纏絲被沖斷了，有的則像發(fā)絲一樣連著(zhù)，而更多的濾水管完好如初亮澤猶在。分析原因有二: 一是該井原始成井時(shí)下部的水層根本沒(méi)有洗開(kāi)，只有上部水層出水，沖刷集中所致; 二是傳統的打眼纏絲是短命的) ; 結合以往的成井經(jīng)驗，經(jīng)與甲方協(xié)商同意，我們在500m 以外下入裸眼濾水管。后經(jīng)抽水試驗證明，地熱井產(chǎn)出地熱水沒(méi)有出砂，后續使用情況良好。因為地熱井不投礫，環(huán)空是上下暢通的，雖然下部沒(méi)有纏絲亦說(shuō)明上部不出砂。根據這口井的經(jīng)驗，在以后地熱井中就大膽的全井段裸眼成井，不再對濾水管包網(wǎng)纏絲。

 

  1. 2 纏絲包網(wǎng)濾水管成井缺陷

 

  從已有的地熱井使用情況分析，多數纏絲包網(wǎng)濾水管地熱井在使用一年后會(huì )出現出砂情況，影響地熱井的正常使用。從砂的巖性分析，為上部第四系松散地層，分析原因是由于止水器的直徑大于鉆頭，止水器在下入井內通過(guò)上部砂層時(shí)刮割下去所致，這些砂子由于纏絲包網(wǎng)的原因在洗井過(guò)程中被阻隔至濾水管以外，使用一年后，隨著(zhù)絲網(wǎng)損壞而使得砂涌入井內。一方面影響地熱井的正常使用，另一方面，由于絲網(wǎng)的阻擋使得地熱井在洗井時(shí)不能將砂粒徹底洗清，砂粒在絲網(wǎng)外的阻隔加大了地熱水進(jìn)入濾水管時(shí)的阻力， 影響地熱井的正常出水。加之濾網(wǎng)纏絲亦會(huì )腐蝕生銹，在水的沖力不足以將其沖開(kāi)的情況下，會(huì )嚴重阻水，使水位下降、溫度降低、流量減少。

 

  1. 3 裸眼濾水管成井優(yōu)勢

 

  在第三系砂巖熱儲層中采用裸眼濾水管成井，可以在洗井過(guò)程中，一次性將井洗清， 將砂粒攜出，不會(huì )出現地熱井在使用過(guò)程中出砂問(wèn)題。至今在已使用的21 口地熱井中，都非常成功。以沁園花都小區地熱井為例，該井井深3550m，采用裸眼濾水管成井，成井后自流水量110. 56m3 / h， 井口水溫110℃，該井自2006 年12 月成井后，在使用過(guò)程中，運行良好，未出現出砂現象。

 

  2 聯(lián)體傘式止水器的應用

 

  2. 1 傳統止水方法的缺陷

 

  地熱井的高低溫分隔器稱(chēng)止水器，在成井中非常重要。渭河盆地內地熱井成井中，止水時(shí)通常采用與冷水井一樣的止水方法，將止水材料( 海帶、牛皮等) 分別或聯(lián)合包裹在止水套管外壁，后利用這些材料的膨脹性達到止水目的。這些止水材料極易磨損，且很快爛掉， 使用壽命短， 使用不方便，止水效果不好。使用傳統止水方法地熱井不能得到持久穩定的高產(chǎn)水溫和水量， 且一旦這些材料爛掉，深層高溫水浸入淺層飲用水層會(huì )污染淺層飲用水層。尤其是高壓自流井成井后，都有管道連接泵房，這時(shí)關(guān)井后的壓力足以將臨時(shí)止水層沖開(kāi)。

 

  2. 2 橡膠傘式止水器在地熱井中應用缺陷

 

  最初我們制作橡膠傘式止水器將橡膠皮碗一個(gè)個(gè)的穿在套管上，穿的時(shí)候容易損壞， 尤其在冬季，實(shí)施難度很大?？墒侨刖笥鰺? 泥漿溫度50 ～ 60℃) 下行時(shí)，受到反推力的作用就很難確定止水器是否還在原設計的位置上。這個(gè)問(wèn)題在向陽(yáng)公司地熱井修復時(shí)被證實(shí)了。

 

  向陽(yáng)公司地熱井井深1600m，泵室段有效深度200m，內徑只有200mm。通過(guò)井下電視清楚地發(fā)現井壁管從80m 到200m，被鉆桿由窄到寬，由淺到深，磨出了一條槽子，像是用刨床刨過(guò)一樣。根據此情況， 在允許下泵的情況下， 補一套190mm本體車(chē)口連接的管子，并在底部焊接了一段車(chē)尖的139. 7mm 的套管， ( 原井下部是139. 7 套管接箍)考慮到插接的嚴密性和永久性， 在距插接處以上2m 做了一個(gè)“氣門(mén)芯”，把190mm 的套管外車(chē)了一道3cm 寬2mm 深的槽子， 在槽子里對稱(chēng)打了4個(gè)10mm 的眼，槽子內套了一段直徑100mm 的微型車(chē)內胎，嚴絲合縫，緊固密封性很好。準備與變徑口的接箍插接后， 堵住下部井口， 向井內注水泥漿，水泥漿從4 個(gè)眼里流出，而不能回流，以求永久封固。當時(shí)把井下電視從190 管內下去看著(zhù)對接，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的努力一直無(wú)法插接，因為下部變徑套管口是偏心的，靠到一邊，在局限的空間根本無(wú)法對接。( 從中我們掌握了二開(kāi)的井眼是不會(huì )居中的，在連接時(shí)應留有空間。) 只好改成偏心接頭再對接。提出后發(fā)現橡膠圈不見(jiàn)了，后打撈上來(lái)再套上，結果是橡膠圈比190 管子大了許多。從中發(fā)現是橡膠遇熱膨脹后固化了，在常溫下不能恢復。

 

  2. 3 聯(lián)體傘式止水器在地熱井中應用

 

  根據向陽(yáng)公司地熱井修井實(shí)踐，我們開(kāi)始研究怎樣能使橡膠固定在套管上， 從2000 年一直到2005 年才掌握了橡膠硫化原理，并了解到橡膠在井下封閉情況下50 年不變質(zhì)和可添加耐高溫材料的特性，終于研制出了硫化在套管上的聯(lián)體傘式止水器。2006 年申報了專(zhuān)利，一年后國家下發(fā)了實(shí)用新型專(zhuān)利證書(shū)( 專(zhuān)利號: ZL 2006 2 0079756. 0)。

 

  止水器由生橡膠通過(guò)高溫鍋爐，硫化在地熱井套管本體上，然后根據鉆孔直徑上車(chē)床，車(chē)出非常規格的聯(lián)體傘式止水器，使用時(shí)，通過(guò)傘式止水器兩端的套管絲扣直接與地熱井套管連接下入井內，使用方便。

 

  止水器在制作過(guò)程中，添加耐磨劑和耐高溫材料以保證其遇高溫不變形。下井過(guò)程中不會(huì )因與井壁摩擦而損壞，而且因止水橡膠非常牢固地硫化在地熱井套管本體上，下井過(guò)程中不會(huì )出現受到反推力作用致止水器偏離設計止水位置的問(wèn)題。

 

  3 穿袖連接封固泵室段與下部技術(shù)套管

 

  泵室段與下部技術(shù)套管的連接在西安地區多是用穿袖水泥封固，也有采取懸掛器連接的。

 

  采用水泥封固法有兩大不足: 一是沒(méi)有止水器的純水泥封固要等水泥完全凝固后方能進(jìn)行洗井作業(yè)，這樣泥漿在井內靜止時(shí)間過(guò)長(cháng)，可能會(huì )造成部分水層的堵塞而不能出水，影響地熱井的產(chǎn)出; 二是水泥量的多少很難掌握，水泥量少，不能達到封固效果，量大往往將鉆桿一起凝固，嚴重者將造成地熱井報廢( 臨潼就有一例)。

 

  懸掛器是油田上常用的成熟產(chǎn)品，用在地熱井上是否穩妥，筆者認為值得商榷。原因有兩點(diǎn)，其一是母懸掛器是下在泵室段尾管上，泵室段一般深400m 至450m，井斜要求不超過(guò)1°，即使0. 5°的偏差，從地面到450m 水平位移已經(jīng)3. 9m; 若是1°偏差，水平位移7. 8m。在下部的2000m 或更深的鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆具都要經(jīng)過(guò)它，磨損它。以3000m 的井為例，不算鉆鋌，光鉆桿就重達105t，PDC 鉆頭加壓不超過(guò)5t，這樣在鉆進(jìn)中100t 的懸重使鉆具對突出點(diǎn)靠得更緊， 磨損會(huì )加快，尤其是起下鉆時(shí)( 向陽(yáng)公司的井就是例證)。這樣，即使母懸掛器能起到懸掛的作用但密封的作用就很難得到保證。建井初期，稠泥漿可以起到密封作用，但隨著(zhù)時(shí)間延長(cháng)，經(jīng)過(guò)建泵房關(guān)井，壓力會(huì )把磨損處沖開(kāi)，地熱水將會(huì )流失并將污染淺層地下水; 其二是表層套管的強度將受到挑戰， 以外徑為177. 8mm， 壁厚9. 19mm，長(cháng)度3100m 的套管為例，套管重達120t，全部重量懸掛在J55 鋼級的表層套管上是很危險的。如果一半重量懸掛于套管上，另外一半重量交給井底，熱水洗出后，管體受熱膨脹，懸掛器的密封效果降低，后果令人耽憂(yōu)。

 

  在實(shí)踐中，我們采用硫化在套管上的聯(lián)體傘式止水器有兩個(gè)，中間間隔20m，內填充少量建筑水泥和止水材料，下完套管就可以直接洗井，利用空壓機快速洗井法，在水泥還沒(méi)有凝固時(shí)，套管受熱膨脹產(chǎn)生的應力得到釋放。這樣有效達到了止水目的。在所使用的30 余口地熱井中，井井成功。

 

  4 地熱井洗井

 

  4. 1 常規洗井方法的劣勢

 

  地熱井洗井是成井工藝中的一個(gè)重要環(huán)節，洗井的目的是徹底清除井內泥漿，破壞井壁泥皮，抽出滲入含水層的泥漿和細小顆粒［1］，消除鉆井過(guò)程中的泥漿對熱儲層的影響，洗出滲入熱儲層中的細小顆粒，使得熱儲層恢復其天然特性，洗井的好壞直接影響地熱水的產(chǎn)出狀況。

 

  目前陜西關(guān)中地區地熱洗井時(shí)大都是使用泥漿泵，先用稀泥漿逐漸替換清水洗井。雖然可行但不經(jīng)濟，耗時(shí)、耗水，多則十幾天，少則也要7 天左右，洗井時(shí)間一長(cháng)，不僅成本增加，而且泥漿在井內的滯留必將污染熱儲層，影響地熱井的產(chǎn)出; 且采用該法洗井，很難在短時(shí)期內將井徹底洗開(kāi)，對地熱井出水有影響。

 

  4. 2 高壓空氣壓縮機負壓洗井

 

  本體車(chē)口連接的管子，并在底部焊接了一段車(chē)尖的139. 7mm 的套管， ( 原井下部是139. 7 套管接箍)考慮到插接的嚴密性和永久性， 在距插接處以上2m 做了一個(gè)“氣門(mén)芯”，把190mm 的套管外車(chē)了一道3cm 寬2mm 深的槽子， 在槽子里對稱(chēng)打了4個(gè)10mm 的眼，槽子內套了一段直徑100mm 的微型車(chē)內胎，嚴絲合縫，緊固密封性很好。準備與變徑口的接箍插接后， 堵住下部井口， 向井內注水泥漿，水泥漿從4 個(gè)眼里流出，而不能回流，以求永久封固。當時(shí)把井下電視從190 管內下去看著(zhù)對接，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的努力一直無(wú)法插接，因為下部變徑套管口是偏心的，靠到一邊，在局限的空間根本無(wú)法對接。( 從中我們掌握了二開(kāi)的井眼是不會(huì )居中的，在連接時(shí)應留有空間。) 只好改成偏心接頭再對接。提出后發(fā)現橡膠圈不見(jiàn)了，后打撈上來(lái)再套上，結果是橡膠圈比190 管子大了許多。從中發(fā)現是橡膠遇熱膨脹后固化了，在常溫下不能恢復。

 

  2. 3 聯(lián)體傘式止水器在地熱井中應用

 

  根據向陽(yáng)公司地熱井修井實(shí)踐，我們開(kāi)始研究怎樣能使橡膠固定在套管上， 從2000 年一直到2005 年才掌握了橡膠硫化原理，并了解到橡膠在井下封閉情況下50 年不變質(zhì)和可添加耐高溫材料的特性，終于研制出了硫化在套管上的聯(lián)體傘式止水器。2006 年申報了專(zhuān)利，一年后國家下發(fā)了實(shí)用新型專(zhuān)利證書(shū)( 專(zhuān)利號: ZL 2006 2 0079756. 0)。

 

  止水器由生橡膠通過(guò)高溫鍋爐，硫化在地熱井套管本體上，然后根據鉆孔直徑上車(chē)床，車(chē)出非常規格的聯(lián)體傘式止水器，使用時(shí)，通過(guò)傘式止水器兩端的套管絲扣直接與地熱井套管連接下入井內，使用方便。

 

  止水器在制作過(guò)程中，添加耐磨劑和耐高溫材料以保證其遇高溫不變形。下井過(guò)程中不會(huì )因與井壁摩擦而損壞，而且因止水橡膠非常牢固地硫化在地熱井套管本體上，下井過(guò)程中不會(huì )出現受到反推力作用致止水器偏離設計止水位置的問(wèn)題。

 

  3 穿袖連接封固泵室段與下部技術(shù)套管

 

  泵室段與下部技術(shù)套管的連接在西安地區多是用穿袖水泥封固，也有采取懸掛器連接的。

 

  采用水泥封固法有兩大不足: 一是沒(méi)有止水器的純水泥封固要等水泥完全凝固后方能進(jìn)行洗井作業(yè)，這樣泥漿在井內靜止時(shí)間過(guò)長(cháng)，可能會(huì )造成部分水層的堵塞而不能出水，影響地熱井的產(chǎn)出; 二是水泥量的多少很難掌握，水泥量少，不能達到封固效果，量大往往將鉆桿一起凝固，嚴重者將造成地熱井報廢( 臨潼就有一例)。

 

  懸掛器是油田上常用的成熟產(chǎn)品，用在地熱井上是否穩妥，筆者認為值得商榷。原因有兩點(diǎn)，其一是母懸掛器是下在泵室段尾管上，泵室段一般深400m 至450m，井斜要求不超過(guò)1°，即使0. 5°的偏差，從地面到450m 水平位移已經(jīng)3. 9m; 若是1°偏差，水平位移7. 8m。在下部的2000m 或更深的鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆具都要經(jīng)過(guò)它，磨損它。以3000m 的井為例，不算鉆鋌，光鉆桿就重達105t，PDC 鉆頭加壓不超過(guò)5t，這樣在鉆進(jìn)中100t 的懸重使鉆具對突出點(diǎn)靠得更緊， 磨損會(huì )加快，尤其是起下鉆時(shí)( 向陽(yáng)公司的井就是例證)。這樣，即使母懸掛器能起到懸掛的作用但密封的作用就很難得到保證。建井初期，稠泥漿可以起到密封作用，但隨著(zhù)時(shí)間延長(cháng)，經(jīng)過(guò)建泵房關(guān)井，壓力會(huì )把磨損處沖開(kāi)，地熱水將會(huì )流失并將污染淺層地下水; 其二是表層套管的強度將受到挑戰， 以外徑為177. 8mm， 壁厚9. 19mm，長(cháng)度3100m 的套管為例，套管重達120t，全部重量懸掛在J55 鋼級的表層套管上是很危險的。如果一半重量懸掛于套管上，另外一半重量交給井底，熱水洗出后，管體受熱膨脹，懸掛器的密封效果降低，后果令人耽憂(yōu)。

 

  在實(shí)踐中，我們采用硫化在套管上的聯(lián)體傘式止水器有兩個(gè)，中間間隔20m，內填充少量建筑水泥和止水材料，下完套管就可以直接洗井，利用空壓機快速洗井法，在水泥還沒(méi)有凝固時(shí)，套管受熱膨脹產(chǎn)生的應力得到釋放。這樣有效達到了止水目的。在所使用的30 余口地熱井中，井井成功。

 

  4 地熱井洗井

 

  4. 1 常規洗井方法的劣勢

 

  地熱井洗井是成井工藝中的一個(gè)重要環(huán)節，洗井的目的是徹底清除井內泥漿，破壞井壁泥皮，抽出滲入含水層的泥漿和細小顆粒［1］，消除鉆井過(guò)程中的泥漿對熱儲層的影響，洗出滲入熱儲層中的細小顆粒，使得熱儲層恢復其天然特性，洗井的好壞直接影響地熱水的產(chǎn)出狀況。

 

  目前陜西關(guān)中地區地熱洗井時(shí)大都是使用泥漿泵，先用稀泥漿逐漸替換清水洗井。雖然可行但不經(jīng)濟，耗時(shí)、耗水，多則十幾天，少則也要7 天左右，洗井時(shí)間一長(cháng)，不僅成本增加，而且泥漿在井內的滯留必將污染熱儲層，影響地熱井的產(chǎn)出; 且采用該法洗井，很難在短時(shí)期內將井徹底洗開(kāi)，對地熱井出水有影響。