韓磊

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊 河北邢臺 054001）

地熱井常見主要問題分析

韓磊

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊 河北邢臺 054001）

自從人類進人21世紀以來，社會文明在日益進步，社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，地熱資源被廣泛得到開發(fā)和利用。本文首先介紹了地熱井施工技術(shù)現(xiàn)狀，然后分析了地熱鉆井施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)，最后探討了地熱井堵塞類型及處理方法。

地熱井；施工技術(shù)現(xiàn)狀；關(guān)鍵環(huán)節(jié)；堵塞

地熱是一種新型的潔凈能源，可以應(yīng)用于供暖、發(fā)電、醫(yī)療、洗浴、種植與養(yǎng)殖、礦泉飲用等諸多領(lǐng)域，應(yīng)用地區(qū)也在逐日擴大。隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，地熱資源的利用項目不斷增多，尤其是在我國的西安、天津和北京等地區(qū)，都有較快的發(fā)展，并形成了產(chǎn)業(yè)化。由于地熱資源開采面積大，領(lǐng)域廣，我國從中獲得了很大的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。但是從目前的地熱施工技術(shù)看，還存在著很大的差距和不足，如工藝和材料的選擇等，這樣的問題會直接影響到地熱井的地質(zhì)環(huán)境和使用期限。

1 地熱井施工技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段主要有石油、地礦、煤炭類企業(yè)從事國內(nèi)的地熱鉆井施工工作，此外還有一些民營企業(yè)和個體經(jīng)營的鉆井公司，由于石油系統(tǒng)占有很大的設(shè)備優(yōu)勢，所以，市場比較廣闊。從鉆井深度上來分析，目前的地熱井深范圍為1000～4000M，地熱流體溫度大多數(shù)在40～100℃，鉆探所遇地層主要為第四系、第三系、二疊系、三疊系、奧陶系、石炭系等。在鉆井工藝方面，基本上都是以正循環(huán)泥漿回轉(zhuǎn)鉆進為主，都應(yīng)用三牙輪的鉆頭。其差異在于鉆井結(jié)構(gòu)、固井止水和成井材料等方面，石油和煤炭類企業(yè)采用三開、四開鉆井結(jié)構(gòu)，水泥固井和石油套管；而地礦企業(yè)則采用二開、三開的鉆井結(jié)構(gòu)，碎石粘土球作為固井止水材料，成井材料采用普通鋼管、橋式濾水管。無論怎么說，從目前地熱井的使用情況看，在現(xiàn)階段的經(jīng)濟技術(shù)條件下，地熱井存在以下常見問題：水量逐年減少，金屬井管錯位、破裂、腐蝕。這樣的問題同時又會引發(fā)其它問題，比如砂涌、水溫下降、地面沉降和區(qū)域性的地下深層水污染等。

2 地熱鉆井施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)

地熱鉆井能否取得成功除了正確的組織鉆井施工，還要把握好以下幾點：

（1）鉆機設(shè)備選型應(yīng)留有加深鉆進深度的余地；

（2）盡可能保持鉆井的垂直，最大程度避免井壁管受磨損，降低井內(nèi)事故率；

（3）進行科學的鉆井地質(zhì)編錄，合理分層，依據(jù)鉆井中的地質(zhì)變化對可能出現(xiàn)的問題作出預(yù)判并找出對策，同時修改完善地質(zhì)設(shè)計；

（4）選擇合理的井身結(jié)構(gòu)并嚴格的固井：表層管口徑和下入深度應(yīng)充分考慮取水設(shè)備口徑和下入深度的需要；井壁管應(yīng)下入熱儲層一定深度并嚴格封閉熱儲頂板上部各層位；盡可能做到3徑或4徑至孔底；

（5）嚴格使用沖洗液鉆進，熱儲層內(nèi)鉆進嚴禁使用稠泥漿；

（6）及時進行地球物理測井：下入表層管、井壁管前及達到設(shè)計深度時均應(yīng)測井，以結(jié)合地質(zhì)編錄進行地質(zhì)分層，了解地層溫度變化和熱儲的滲透性、含水性特征，指導鉆井施工；

（7）鉆井完工應(yīng)及時進行洗井和產(chǎn)能測試，嚴禁停滯時間過長，洗井應(yīng)針對熱儲地層特征、鉆井深度、使用泥漿性質(zhì)和稠度采用不同的方法，產(chǎn)能測試應(yīng)滿足規(guī)范的要求。

3 地熱井堵塞類型及處理方法

3.1 類型及成因

地熱井常見的堵塞類型有物理堵塞、化學（細菌）堵塞。

3.1.1 物理堵塞

物理堵塞是堵塞物以其自然固體形態(tài)存在于水井通道造成的堵塞現(xiàn)象。主要堵塞物有井壁掉塊，脫落的碎石屑，巖溶裂隙內(nèi)原來次生沉積物，殘留在巖溶裂隙內(nèi)的鉆屑、泥漿、堵漏材料，管壁脫落的鐵銹、鐵銹皮，第三系水井中沉積的泥砂等。

（1）井壁掉塊。井壁掉塊主要發(fā)生在基巖地層。井壁掉塊，原因是地層壓力與井筒內(nèi)壓力失衡所致。

（2）井內(nèi)殘留堵塞物。有鉆屑、泥漿及堵漏材料等。殘留物是成井洗井時沒有完全洗凈，后來抽水中，進井水速超過了原洗井進井水速，將其攜入井內(nèi)。還有的井，射孔后防砂處理不好，井外泥砂漏進井內(nèi)。

（3）第三系地熱井的沉砂。沉砂有兩種情況：①顆粒較大的細砂或中砂；②細小顆粒的粉砂或粉細砂。當進井水速超限時，將較大顆粒砂推進井內(nèi)，由于井筒斷面增大上返水速變小，不能將其攜向地面，因而沉落于井底；細小砂粒因其在水中自由沉降速度小于沖洗液上返水速而隨水返上地面。但一旦停泵，井筒內(nèi)正上升中的粉細砂失去水速托力沉于井底。

（4）過量開采。取水量超過了井的允許開采量，導致井壁失穩(wěn)，井壁泥皮脫落，地層內(nèi)的泥漿、鉆屑及堵漏材料進入井內(nèi)。

（5）鐵銹皮的堵塞。鐵銹皮是鐵的氧化物，大部分產(chǎn)生在井內(nèi)動水位以上的置泵管內(nèi)壁、泵管內(nèi)外壁及測管管壁上和長井管內(nèi)壁，尤其泵管外壁和內(nèi)壁產(chǎn)生鐵銹皮量較大，如每次提下潛水泵時由于震動泵管壁不少鐵銹皮脫落于井內(nèi)。近幾年來，由于區(qū)域靜水位不斷下降，加上井內(nèi)出水水阻增大，綜合因素導致動水位不斷延深，氧化面逐漸增大，鐵銹皮產(chǎn)生、脫落日益增多，它已逐漸上升為井的主要堵塞物。鐵銹皮堵塞表現(xiàn)有兩種：①沉于井底淤埋進水井段；②中途架橋堵住井筒通道。

3.1.2 化學（細菌）堵塞

化學堵塞是井水內(nèi)兩種離子經(jīng)過化學反應(yīng)生成的第三種不溶于水物質(zhì)沉淀導致的堵塞，如有3價鐵、硫化亞鐵的沉淀，碳酸鈣（水垢）的沉淀。地熱井內(nèi)鐵細菌、硫酸鹽還原菌等可造成細菌腐蝕沉淀。

（1）3價鐵及硫化亞鐵沉淀。地下水中的2價鐵經(jīng)過氧化或鐵細菌作用生成了3價鐵。3價鐵不溶于水而沉淀，鐵在井中呈黃紅色類似泥漿膠狀液體。硫化亞鐵是水中2價鐵與水中的硫酸根，在硫酸鹽還原菌作用下生成的。硫化亞鐵不溶于水，呈黑色膠體，沉于井底，有臭雞蛋味。3價鐵、硫化亞鐵以膠體態(tài)充填于地層空隙、裂隙、巖溶和井筒內(nèi)。它密度大，運動粘滯系數(shù)大，阻塞著地熱水流動。

（2）碳酸鈣水垢的沉淀。水垢是水中重碳酸鈣化學還原的產(chǎn)物。地熱井水內(nèi)含有大量重碳酸鈣，而重碳酸鈣來原于碳酸鈣加二氧化碳加水化合而成；但重碳酸鈣在水中是不穩(wěn)定鹽類。當外因壓力、溫度變化時，會導致二氧化碳溢出，又還原成不溶于水的碳酸鈣。實踐證明，一般碳酸鹽地層熱水井碳酸鈣沉淀是不可避免的，因為，在受高壓下的地熱水滲流入井筒時壓力降低，二氧化碳溢出產(chǎn)生碳酸鈣，這個過程是必然發(fā)生的，故結(jié)垢是不可避免的。常用的地熱井結(jié)垢較輕。原因是地下熱水在井筒內(nèi)停留時間較短。抽水時熱水進井后，還來不及反應(yīng)或未完全反應(yīng)，就被吸排出井外。閑置井結(jié)垢較重。

3.2 處理方法

3.2.1 簡易氣舉反循環(huán)工藝洗井

簡易氣舉反循環(huán)鉆具是在現(xiàn)行雙壁鉆桿基礎(chǔ)上簡化而成的新技術(shù)。氣舉反循環(huán)洗井與現(xiàn)行的氣舉正循環(huán)洗井相比有以下五個優(yōu)點：

（1）吸程縮小。簡易氣舉反循環(huán)鉆具是一種井下水力吸砂器，吸點在鉆頭上，鉆頭到哪，就抽吸到哪。吸砂時，鉆頭在砂面上吸程為零，洗含水層時吸程僅為鉆頭直徑與井壁間環(huán)空間隙（40～50mm）。而一般氣舉正循環(huán)吸砂洗井，下風管450～500m。它的負壓吸點固定在500m。假設(shè)地熱井深1500m，含水層頂在1000m，吸力從500m開始延深1000m，吸程為500m。若吸程500m與氣舉反循環(huán)吸程50mm相比，即氣舉反循環(huán)的吸程僅是現(xiàn)用正循環(huán)吸程的萬分之一。

（2）攜砂力增大。簡易氣舉反循環(huán)鉆具沖洗液上返水速成倍增高了，攜砂能力增大了。我們現(xiàn)用氣舉反循環(huán)鉆具平均吸排上返水速達5.36m/s，是氣舉正循環(huán)同等水量下所經(jīng)152mm井筒上返水速1.33m/s的4倍，是7in（177.8mm）井管內(nèi)上返水速0.202m/s的26.5倍。由于上返水速增大，原來攜不動的鉆屑、掉塊被攜上來了。

（3）清洗能力強。因鉆頭（吸頭）距井壁很近，抽吸力比常規(guī)洗井抽吸力大，能從井壁上吸排出。

（4）不靠井內(nèi)出水。簡易氣舉反循環(huán)鉆具可從井口注水循環(huán)吸砂；而現(xiàn)行氣舉正循環(huán)排砂，離不開井內(nèi)出水，若所洗含水層不能出水，氣舉正循環(huán)無法成立。

（5）洗井質(zhì)量上下一致。它對含水層吸洗可從上向下，或從下向上所洗之處吸排力度一樣，故洗井質(zhì)量上下一致；而現(xiàn)行氣舉正循環(huán)負壓吸抽點不能隨意移動，抽吸力上大下小，洗井質(zhì)量上好下差。

3.2.2 酸化處理

酸化洗井是一種化學溶蝕性洗井方法，是物理洗井后的進一步洗井措施。它將物理洗井無力解決的堵塞物，由固體轉(zhuǎn)化為液體，溶蝕在殘酸內(nèi)，再用物理洗井將殘酸排出井外。常用酸有鹽酸和土酸。鹽酸是溶蝕碳酸鹽堵塞物如水垢、石灰?guī)r、白云巖、鐵銹皮及碳酸鹽地層的專用酸；土酸是溶蝕硅酸鹽堵塞物如石英、砂巖、火成巖、泥皮及硅酸鹽地層的專用酸。

3.2.3 對置泵管、泵管進行液體防氧化保護

對置泵管、泵管進行液體防氧化保護，減少鐵銹皮發(fā)生，是目前解決鐵銹皮堵塞的一種有效方法。進行液體保護的先決條件是井內(nèi)不能有動水位。因過去曾有人充氮氣保護，因動水位無法控制，耗氮量過大，未能如愿。

4 結(jié)語

通過不斷研究、探索地熱鉆井技術(shù)，利用石油鉆探技術(shù)優(yōu)勢開發(fā)地熱開發(fā)資源，地熱鉆井必將成為未來能源一大支柱產(chǎn)業(yè)。

[1]陸衛(wèi)明.地熱井常見主要問題分析與研究[J].上海：電子科技大學出版社，2010.

[2]劉建生.地熱井鉆井工程工藝技術(shù)的探索與認識[J].地熱能，2010，25（1）.

P314.2

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1004-7344（2016）24-0174-02

2016-8-12