1、地质与勘探论述复杂地质条件下的地热井施工工艺何东(四川华锋钻探工程有限责任公司，四川成都610000)摘要:地热资源作为一类洁净、有效的能源，已在发达国家获得普遍应用，而地热井作为重要的开采利用热量源的方法，已经引起世界清洁燃料研发领域的特别关注。在国内外新型能源开发与环保潮流的推动下，各行各业正在逐渐调整资源比例，部分带有较高环境负担性的资源正逐步被新兴的洁净资源取代，地热井技术获得快速发展。本文深入研究地热井的成井与工艺技术。关键词:地热井;成井工艺;技术中图分类号:P314文献标识码:B文章编号:10080155(2023)02017203地热资源作为主要的新型资源之一，潜力不可估量，但
2、地质勘探人员切不可一味地追随外国所谓的先进科学技术，而应正确选择适应我国各区域岩层性质和地热贮层埋深的工艺和仪器，并科学选择地热井成井工艺技术。1 概述现阶段，境内的地热钻探施工主要由国家油田、地矿、煤田地质队等负责，少部分由民营和个人开办的钻探企业开展，其在油田体系中具有较大的技术资源优势，市场规模巨大。从钻取深层的角度来看，地热井目前的深度为 10004000m，地球的热能流体运动大多数处于 40100的高温，而钻井所遇岩石地层大多是第四系、第三系、二迭系、三迭系、奥陶系、石炭系等。钻井技术既有共同之处，又有各自的优势。各种钻井技术基本都采用正循环泥浆回转钻进方式，在降失水剂技术、固井止水
3、和成井材料等领域应用时各有区别，油田、地矿、煤田地质队的降失水剂技术有着行业优势。石油公司与煤田地质队合作使用三开、四开钻探构造、水泥固井和油套管，使之更加合理。而地矿企业则采取二开、三开的钻井结构，以碎石泥球作为固井止水材料，而成井材料使用普通管道、桥式滤管道。无论如何，就地热井应用状况来看，在现阶段的科技经济条件下，其面临着如下问题:水量逐渐下降、大量金属井管错位、断裂、锈蚀及其带来的其他现象，例如涌砂、出浑水、环境变化、温度降低、地面沉降或区域性地影响到地底深层。地热井施工工艺流程图见图 113。图 1地热井施工工艺流程图2 地热井成井技术的重要性地热井成井技术具有非常独特的工艺，在勘查
4、和利用地热流体参数研究时常采用此方式。伴随经济社会的发展，地热井成井技术发展，成井流程是地热井建设的关键组成部分。各区域的地热井建设自然环境存在差别，采取的成井方式也存在较大区别，必须严格按照实际状况进行建设，这样才能保证投资品质，进而保证地热产生量4。3 地热井钻探地热钻井指利用地热蒸气和地温水的钻井活动，这是一种主要的钻探方式，是利用地面热能流体参数变化的特殊手段。地热钻井的基础条件包括比较详细的岩芯剪接、裂缝等方法，利用采集地岩磨片样和生物化学分析样等手段，通过地层、岩体、生物结构及重要的地貌界线等变化现象，确定前期地热成矿类型。自20 世纪 70 年代起，北京、天津开始进行地面热力勘探
5、271DOI:10.13487/ki.imce.023211和钻井建设，最初探采的埋藏孔深达 5001000m，或进行地热资源开发与利用，钻探成井技术多采取小径打大径扩口成井的方式，但此时的地热井钻探工艺存在质量较差和成井建设周期长的缺陷，需要812h 方可建成一眼千米地热井。20 世纪80 年代，地热勘探技术深入开发，地热勘探规模扩大，开始使用齿轮钻机和刮刃剑钻头等新钻进技术，并广泛使用三级口径成井方法，使成井时间大大缩短，在一定程度上大大提高了钻井质量。地热井深度分级见表 1。表 1地热井深度分级地热井类别 特深井深井中深井浅井深度范围3000m15003000m5001500m500m4
6、 地热井钻井及成井技术分析41 先期完成法先期完成法特别适合下井比较深、上部岩层结构比较复杂的地热井，是采取分别排除热方式的一次钻取工序，完井工序比较保险。先期完成法在钻头到达目的层的最上部时，先下入技术套筒稳定并下沉至井壁，再用小规格钻头下钻至目标井深。下技术套管法封固住非采水段的井壁，并隔绝深浅土壤或地层水，以适应下部工程建设要求。先期完成法执行起来比较困难，工期较长，投资相对较大5。42 后期完成法后期完成法可以依据钻探的情况自主地选定取井段，其钻探时间较短，投资相对较低。后期完成法与先期完成法最大的不同在于，当钻头到达条目的层的顶端后，先不下入技术套管，而是用原来标准的小钻头钻进至完钻
7、井深，而后通过各项信息的提示，再下入技术套管和其他方法稳定下沉井壁。后期完成法也存在一定缺陷，从其稳定下降失水剂的过程可以看出，其对下失水剂操作的要求相当高，完井下管后稳定下降井壁的过程也非常烦琐。43 裸眼完成法裸眼完成技术通常应用在井壁比较稳定的领域，如火成岩层的裂缝型热贮层等，其使用不下井管的方式。相比其他需要下井管的方式，裸眼完成法的优势是排出口的横截面大、出水量大、压力较低，不易出现堵塞问题及投资较低。但该方式并不适合沙泥剖面的深水热井，这是一个遗憾之处。44 筛管完成法筛管完成方法通常应用于在砂泥岩剖面等堆积型的岩层。其采取在取水段直接下入筛管的完井方式，此方法如果再辅以填砂方法，
8、则可以发挥抗塌与防砂的功效，其优势不言而喻，较为简单与安全。45 射孔完成法射孔完成法是比较独特的竣井方式，其原理是根据供水不足在未取水层段通过取孔以克服缺陷，或不下滤池管而直接在取水段喷砂射孔得水。射孔完成法是施工过程中同时发生两个或以上问题时及时采用的竣井办法，从中能够看到竣井办法的多样性和工艺技术的成熟性。5 成井工艺51 钻井要严格按照要求进行钻孔，如果实施过程中遇到与要求不合或不利于工程进行的情形，应及时与相关单位领导、专家讨论，探讨、调整方案，做到防患于未然，使工程能够安全进行，在实施过程中要对材料层层严格把关，保证其全部满足使用条件，避免出现不合格材料。在钻孔过程中，要密切关注复
9、杂岩性地层情况，及时了解井内状态，捞取石样应做到细致而精确，实现对复杂岩性地层的预防性钻孔。地热井常规口径见表 2。表 2地热井常规口径序号 口径/对应最大管径 序号口径/对应最大管径1154mm/116mm2195mm/145mm3203mm/169mm4218mm/180mm5247mm/196mm6281mm/220mm7315mm/247mm8347mm/275mm9407mm/298mm10447mm/342mm52 测井一般使用生物探测井的技术参数，如自然电位、梯度电阻率、电位阻值率、井斜和井温技术参数等，目的是较精确地分析生物含水层结构。尽管测量结果是区分岩层构造、确定含水层构造
10、的主要手段，但必须根据岩屑地质录井对实际地层和岩性进行说明，不可单纯地通过统一模型和程序加以说明。由于勘探井参数具有多解性，不能结合地层和岩性说明测量结果，还会对成井造成误导6。53 固井水温是地热井的主要标准，为了增加水温，必须将较低水温的岩层和含水层全部封死，所以固井也是关键。尽量对天花管裸孔或以上段全孔加以固井。固井必须由专用设备、专业队伍完成。针对各种管道之间的环空区，必须用混凝土固好，否则有可能会降低出流温度。高温地热井防喷水泥浆固井方法见图 2。371图 2高温地热井防喷水泥浆固井方法54 洗井地热井常见的洗井工艺主要有焦磷酸盐洗井、活塞洗井、酸化洗井、液体超临界二氧化碳洗井、空压
11、机洗井等。钻取深度不断增大，常规的洗井方式往往达不到完全洗井的目的。所以，近年来引入大动力空压机(250 个气压以上的特大型空压机)开展气举和气液复合洗井，使油田控制系统的压酸、压裂等洗井技术达到良好的效果。55 抽水试验完成洗井管理工作后还必须进行抽水试验，其主要作用是可以较好地确定地热井的产出水量，对含水层结构进行评估，以便测算出地热井的最大涌水量。抽水试验通过水文地质的有关参数确定半径，同时确定地热井的最大作用半径。在地热井要根据有关标准开展抽水试验，保证降深的固定日期超过一年。经过抽水测试得知，井出水量和出流温度均满足设定条件，具备非常好的效益。6 地热井钻探中应注意的问题事项要对岩层
12、特征采取各种钻井方法。常用的岩层类型包括对流高温原型、异常高温层型、高温岩石、岩浆等。不同的岩层类型对钻井工艺有不同的需求，例如工程中最常用的岩浆类型一般是由裂隙形成的变质岩和由火山岩形成的岩石地层相对较高。热工水力类型的岩层压力基本都超过静水压力，蒸气类型的岩层气压则较低，在钻井过程中易产生钻井液泄漏现象。当钻孔装置长时间处在高温、低 pH 值、H2S、CO2等腐蚀条件下，会出现深度较浅、钻孔质量差、易造成机械和材料损失及疲劳等现象。在泥浆漏掉现象中，有的是部分浆液进入岩石地层，有的是泥浆完全漏掉造成循环断裂，导致孔内石粉滞留，使钻孔效果降低。钻井液面的降低还会造成岩石地层塌陷、浆液沸腾、井
13、喷等问题。在环境保护方面，由于裂缝发育，含水层结构的钻孔和成井往往会引发大量漏掉事故，造成很大的环境污染，要尽量利用气举反循环钻孔工艺，研究和采用不含有膨润土的冲洗液，避免出现该类事件。在钻井过程中，还会产生特殊臭味、瓦斯保护及微粒子的传播、噪声、盐水传播、土壤地层沉降、地面水和地下水环境污染、生态环境影响，所以环境污染防护也是钻井工艺的重要内容。做好洗井和产能检测工作，在钻井结束后应适时开展洗井和产能检测，不得滞留过长时间，洗井应根据热储岩层特点、钻井深浅、泥浆特性和黏度选择不同方式，产能检测也应符合技术规范要求。地热井项目施工流程是由一个个工序组成的，而施工过程又是人、机器、建筑材料、施工
14、方式、作业环境综合影响的结果，所以施工品质管理是整个工程的基石与核心。工艺产品质量管理的要点是设定工艺活动质量控制点，并对其进行预控制。产品质量控制点指为提高工艺产品质量而设定的重要管理对象、关键部位或薄弱环节。产品质量控制点的确定原则是选择保证质量风险较大的、对产品质量危害较大的、产品质量缺陷风险较大的对象。7 结束语综上所述，加强地热井勘探技术与方案的调研分析，对实现钻井效益有关键作用，在未来的地热井勘探实践中，必须提高对关键环节和关键因素的关注度。参考文献:1 史秀辉地热井钻完井施工工艺措施探讨J 中国石油和化工标准与质量，2022，42(13):184186 2 崔松地热井施工工艺的分析与研究J 化工设计通讯，2019，45(12):57+77 3 靳廷朝，黄烜火山岩沉积地层的地热井施工工艺 J 地质装备，2018，19(03):2729 4 吝瑞华香格里拉地区复杂地质条件下地热钻探工艺及方法研究 J 煤炭与化工，2021，44(11):4850+53 5 张鸿飞伊春西岭地热井钻探施工工艺与方法J 地质装备，2017，18(04):2428+32 6 吴志刚探讨地热井施工工艺J 西部探矿工程，2017，29(05):101102+109作者简介:何东(1987)，男，四川成都人，本科，工程师，研究方向:钻探工程。471
