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地熱鉆井

福州花崗巖區大直徑地熱深井主要鉆井技術(shù)

  摘 要 在福州大直徑地熱深井鉆探施工中,使用鉆井能力大于600 m的大型水文鉆機及相關(guān)配套設備,選用HA、HJ系列掌背強化金剛石保徑、中-高抗壓強度鑲齒三牙輪鉆頭,采用氣舉反循環(huán)鉆井工藝,成功施工十余口550~1 200 m優(yōu)質(zhì)高溫大口徑地熱深井,介紹了其主要鉆井技術(shù),對今后深層回灌鉆井施工具積極的作用。
 
  關(guān)鍵詞 花崗巖區 大直徑 地熱 鉆井技術(shù)
 
  1 區域地質(zhì)概況。
 
  福州盆地溫泉資源豐富,水質(zhì)好、溫度高,貯存于第四系松散層及深部基巖構造裂隙中,熱田面積約5 km2,呈南北狹長(cháng)帶狀分布于市中心。盆地機井開(kāi)采始于上世紀70年代初,至90年代中期井深一般都在300 m以?xún)?經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展,福州市區地熱勘探開(kāi)發(fā)已取得了突破性進(jìn)展,至今盆地上地熱鉆井總數已愈百口。2000年以來(lái)熱田主要開(kāi)采基巖裂隙水,鉆井特點(diǎn)是口徑大,終孔口徑不低于U150 mm,鉆孔深,一般為600~1 000 m,最大井深已超過(guò)1 200 m。
 
  福州盆地第四系松散沉積層厚度較薄,主要為海積淤泥及沖洪積砂土層;底部基巖為燕山晚期侵入的中粗粒黑云母花崗巖和花崗閃長(cháng)巖等;第四系松散沉積層底部一般為泥質(zhì)砂礫卵石層直接不整合覆蓋于基巖上,基底多有輝綠巖、花崗斑巖等巖脈侵入。
 
  熱田主要斷裂有北北西走向張扭性斷裂與北東東走向壓扭性斷裂兩組,福州地下熱水主要受北北西走向(八一水庫)樹(shù)兜)王莊)張扭性斷裂控制。該組斷裂傾向北東,傾角80b~85b,在福州盆地中為一隱伏斷裂,上部為第四系沉積物覆蓋,基底斷裂帶巖石破碎,節理發(fā)育,蝕變強烈,可見(jiàn)碳酸鹽、硅質(zhì)膠結的結構角礫巖,裂面上有氟石、方解石充填膠結物,斷裂帶內巖石綠泥石化、鉀長(cháng)石化蝕變強烈?。
 
  2 設計和技術(shù)要求及設備。
 
  211 技術(shù)要求。
 
  (1)根據/福州市中心城地下熱水資源保護與開(kāi)發(fā)利用專(zhuān)業(yè)規劃0(2000 -2020)要求新設計的地熱井井深必須超過(guò)500 m。
 
  (2)成井口徑一般為U325 mm或U377 mm及以上無(wú)縫鋼管或不銹鋼井管,要求進(jìn)入新鮮基巖不少于1 m,且深度不少于70 m,井管外環(huán)采用水泥漿液固井。
 
  (3)終孔口徑不低于U150 mm,設計一般均為U152mm。
 
  (4)洗井為機械聯(lián)合空壓機洗井,抽水試驗根據具體情況選用熱潛水泵或空壓機進(jìn)行。
 
  (5)鉆孔垂直度要求成井管下入孔段孔斜不超過(guò)1b,每遞增百米不超過(guò)1b。
 
  (6)鉆孔施工到新鮮基巖后應進(jìn)行水文觀(guān)測,下管、變徑及每百米處應進(jìn)行孔深校正。
 
  (7)第四系和基巖風(fēng)化層可用泥漿護孔,下完井管后,基巖必須采用清水鉆進(jìn);為保證成井質(zhì)量、及時(shí)排除孔內鉆渣、保持裂隙暢通與鉆孔垂直度,孔深200 m至終孔段一般應采用反循環(huán)鉆進(jìn)工藝。
 
  212 鉆井結構設計。
 
  根據設計技術(shù)要求,結合福州盆地地質(zhì)條件與場(chǎng)地狀況進(jìn)行鉆井結構設計,開(kāi)孔口徑為U500 mm,遇舊基礎進(jìn)行人工開(kāi)挖,施工至70 m孔深或進(jìn)入新鮮基巖后下入井管;成井施工完畢二開(kāi)祼眼選用U311 mm或U244 mm徑,施工至孔深75 m左右,下入U219 mm技術(shù)套管;三開(kāi)U194 mm徑施工至孔深200 m左右;其后用U152 mm口徑施工至終孔。福州一般地熱鉆井結構設計圖(圖1)。
 
  213 施工設備。
 
  主要施工設備與機具選擇大型水文水井鉆機(鉆進(jìn)能力大于600 m)及配套鉆塔、大泵量往復式泥漿泵、大排量適當壓力空壓機、各規格鉆鋌鉆桿和牙輪鉆頭(表1)。
 
  3 主要鉆井技術(shù)。
 
  鉆井施工采用以氣舉反循為主的牙輪鉆進(jìn)工藝。開(kāi)孔后大直徑段采用正循環(huán)方法鉆進(jìn)、優(yōu)質(zhì)泥漿護壁鉆探工藝,嚴格按/大直徑鉆進(jìn)成孔y替漿y測井y下成井管y固井候凝0工藝流程進(jìn)行成井施工;基巖裸眼采用牙輪鉆頭清水鉆進(jìn),根據設計要求與地層破碎情況合理選用正循環(huán)、氣舉反循環(huán)或正反循環(huán)相結合鉆探工藝。
 
  311 牙輪鉆進(jìn)。
 
  (1)牙輪鉆井,鉆壓采用鉆鋌加壓,取值為5100~12100 t;轉速為25~8713 r/min,178福 建 地 質(zhì) Geology of Fujian第 30 卷泵量為630~1 200 L/min。鉆進(jìn)效率受鉆壓影響大,孔深200 m以上由于鉆壓不足鉆速不理想,隨孔深鉆壓增加,鉆速增大。
 
  (2)鉆頭選擇與使用,根據福州盆地花崗巖硬度高、顆粒較粗、研磨性較強的特點(diǎn),選用HA、HJ系列掌背強化金剛石保徑、中-高抗壓強度鑲齒三牙輪鉆頭。按各孔段長(cháng)度,合理配置各規格鉆頭數量,同徑牙輪鉆頭應進(jìn)行編號分選排隊,從大至小按順序下入使用,并做好鉆頭卡片管理;新鉆頭下入應先選用小參數初磨適應后再恢復至正常鉆進(jìn)參數,一般單個(gè)鉆頭進(jìn)尺宜為60~80 m。
 
  序號主要機具名稱(chēng)主要性能指標1 SPS -2000鉆機鉆進(jìn)能力2000 m 功率110kW2 S -600鉆機鉆進(jìn)能力600 m 功率37kW3 BW1200泥漿泵功率75kW4 FW-5 /40A空壓機5m3/min 4 MPa 功率75kW5U230 -121 mm鉆鋌6U89、73 mm鉆桿7U500 -152 mm牙輪鉆頭312 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)。
 
  (1)鉆具選用氣舉反循環(huán)鉆探工藝,底部鉆具組合與正循環(huán)鉆進(jìn)相同,上部U89 mm鉆桿經(jīng)變徑接頭與汽水混合器及U127/70 mm雙壁鉆桿相連,雙壁鉆桿上接氣動(dòng)主動(dòng)鉆桿。
 
  (2)鉆進(jìn)時(shí),壓縮空氣自主動(dòng)鉆桿與雙壁鉆桿內環(huán)間隙通道輸入,經(jīng)混合器在鉆桿內產(chǎn)生大量氣泡,鉆桿內外液柱形成壓力差,在壓力差的作用下孔底鉆渣自鉆桿中心通道吸出地表,保持孔底干凈,較好地解決了破碎地層的坍塌掉塊現象。
 
  (3)參數控制,混合器沉沒(méi)比0160~0175;盆地施工鉆孔靜水位一般為13~18 m,混合器埋深60100~127150 m;氣壓0150~1110 MPa。
 
  (4)施工時(shí)鉆井遇局部極破碎地層,應控制好鉆速,因為在裂隙發(fā)育地層鉆進(jìn)中,鉆速過(guò)快易產(chǎn)生大顆粒巖屑堵塞鉆桿通道,氣舉容易失敗需提鉆清除。
 
  313 成井固井。
 
  校正孔深及清孔替漿后,將井管編號按順序下入,并做好各井段的護正措施,下入完畢進(jìn)行井口位置復核;固井一般采用純水泥漿液,選用P3215及以上標號普通硅酸鹽水泥,水灰比0145~0150,固井包括直接固井、外環(huán)固井和活塞固井。
 
  (1)直接固井在井管下入完畢,將帽頭與井管口連接,利用泥漿泵將配置好的水泥漿液直接壓入管內,同時(shí)將管內外的清水、泥漿壓出地表,直至井口反出水泥漿為止。該方法操作簡(jiǎn)單,但會(huì )造成工料浪費,同時(shí)井管內產(chǎn)生大量水泥漿固結,容易產(chǎn)生孔內隱患。
 
  (2)外環(huán)固井在井管下入過(guò)程中,于管外側均勻安裝3~4根U20~30 mm注漿管,利用注漿泵把水泥漿從注漿管內壓入,至孔口反出新鮮水泥漿止。該方法質(zhì)量可靠、壓漿量準確可控,但操作煩瑣,不易操作,成本較高,注漿管難于循環(huán)使用。
 
  (3)活塞固井順序為?成井管下入前,將固井管鞋與底管連接,下入完畢提離孔底30~50 cm復核井管中心并固定;?用鉆桿將固井活塞下入與管鞋封密,將水泥漿液利用泥漿泵沿鉆桿中心通道輸送至孔底井管外環(huán)由下向上反托泥漿固井,直至井口返出水泥漿止;?
 
  下落井管至孔底使井管內外間隙完全封閉,防止提升活塞時(shí)未凝固的水泥漿液在壓力作用下壓回井管內,再次復核井管中心,將井管中心與鉆井中心偏差控制在1 cm以?xún)?上提固井活塞對井管內清水循環(huán)清理;?固井完畢候凝時(shí)間超過(guò)72 h后再進(jìn)行下步工序施工。
 
  該方法能準確計算并控制固井水泥漿用量,并可徹底清除輸送管道及井管內殘留的水泥漿液,免掃除井管內水泥結塊。盆地XG13 (井深1 003157 m)、XG12 (井深1 205168 m)、XG2 (井深555178 m)三口井采用此方法施工,固井效果良好。U377 mm井管固井活塞及管鞋。
 
  314 抽水試驗。
 
  (1)自2000年后,一般采用30~80 t/h熱潛水泵或大排量空壓機進(jìn)行抽水試驗?？諌簷C抽水采用同心式,利用U219mm套管為出水管,下入U15mm鋼管為風(fēng)管(下接混合器),井口封閉,混合器沉沒(méi)比可按55%~65%控制,空壓機可利用反循環(huán)施工空壓機。
 
  (2)涌水量采用三角堰箱測量查表法或水表直接讀數法,水溫采用水銀或數字溫度計直接測孔口返水溫度。
 
  (3)水位測量由萬(wàn)用表、導線(xiàn)及觸頭組成的電動(dòng)水位儀進(jìn)行。
 
  盆地施工XG13井與XG12井分別采用同心式空壓機與熱潛水泵進(jìn)行抽水試驗,試驗成果。
 
  315 垂直度質(zhì)量控制、(1)設備安裝時(shí)保證天車(chē)中心、轉盤(pán)中心及鉆井中心處于同一鉛垂線(xiàn)上。
 
  (2)鉆進(jìn)卵石及風(fēng)化巖(殘留體)等易斜地層時(shí),應控制好轉速、壓力等技術(shù)參數,防止孔斜。
 
  (3)下井管及技術(shù)套管時(shí)應對井(套)管中心進(jìn)行復核,與鉆井中心偏差小于1 cm。
 
  (4)鉆具組合由鉆頭+導正器+鉆鋌+導正器+鉆鋌+單(雙)壁鉆桿+主動(dòng)鉆桿。每徑均應有鉆具導正措施,導正器長(cháng)度宜大于10 m,同時(shí)變徑施工時(shí)應帶大一徑導正器。
 
  (5)U152 mm井段鉆進(jìn),宜采用穩定器導向,鉆頭按直徑大小排隊使用,新鉆頭單次進(jìn)尺一般不宜超過(guò)80 m。
 
  (6)按設計要求測孔斜,發(fā)現問(wèn)題及時(shí)處理。
 
  316 注意事項。
 
  (1)鉆塔底座要安裝平整、堅固。應根據現場(chǎng)條件、設計孔深與技術(shù)要求合理選用鉆井設備,必要時(shí)須進(jìn)行大型鉆探設備基座專(zhuān)項設計與施工,基座平整度應控制在1%以?xún)取?/div>
 
  (2)孔深超過(guò)300 m后應使用水剎車(chē)下鉆,確保下鉆安全。
 
  (3)應根據福州市相關(guān)工地建設要求做好現場(chǎng)安全生產(chǎn)與文明施工。
 
  (4)按安全規程操作,及時(shí)進(jìn)行各運轉部位檢查保養,嚴禁設備帶病作業(yè)。
 
  (5)非鉆進(jìn)時(shí)間,井口應用東西遮蓋,嚴防地面東西掉入。
 
  (6)提下鉆應保持速度均勻,若遇孔內事故,嚴禁強力起撥,以防事故惡化。
 
  (7)使用氣舉反循環(huán)時(shí),可能產(chǎn)生高壓熱水,應安裝防噴裝置或溢流措施,防止被燙傷。
 
  (8)施工前砌筑好泥漿池、沉淀池及循環(huán)槽,圍好井口,為上部正循環(huán)及下部氣舉反循環(huán)施工提供條件。
 
  4 結語(yǔ)。
 
  福州熱田自2000年開(kāi)始采用牙輪鉆進(jìn)技術(shù),至今已成功施工十余口大直徑優(yōu)質(zhì)高溫深井,井深550~1 200 m,出水量25~115 t/h,返水溫度80e~100e,臺月效率320~480m/臺月。XG13、XG12二口超千米井的成功施工驗證了福州熱田中深部地熱含水層的存在,標志著(zhù)福州熱田花崗巖區大直徑地熱深井施工技術(shù)日趨成熟,對福建大直徑深井鉆探及今后深層回灌鉆井施工具有積極的作用。同時(shí)也應清醒地認識到目前福建大直徑深井鉆探技術(shù)水平與國內發(fā)達省份還有較大差距,一些常用的工藝措施還未采用,需進(jìn)一步完善和改進(jìn)。
 
  (1)福州熱田中淺井段基巖地層鉆進(jìn)效率有待提高,氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝還未全部掌握,還沒(méi)發(fā)揮其應有的功效。
 
  (2)地熱資源是福州溫泉城市建設發(fā)展重要的組成部分,應對地熱鉆井技術(shù)進(jìn)行總結、提升,形成區域性的行業(yè)施工標準,用以指導實(shí)際施工。
 
  (3)加強施工隊伍建設和管理,培養大直徑深井鉆探專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才與施工隊伍。
 
  (4)加強探索南方花崗巖區大直徑深部鉆探技術(shù),為回灌井及干熱源深井鉆探施工作技術(shù)準備。
 
  (5)發(fā)展鉆井文化,將鉆井文化、溫泉文化、城市文化溶為一體,也是地熱鉆井工作的一個(gè)重要工作方向。