[科普中国]-地热钻探

地热钻探，为勘探和开发蕴藏在地壳内部的地热能源进行的钻探和成井技术。1

简史远在公元前就有利用地下热水灌溉、医疗以及从高矿化地下热水中提取各种盐类的记载。大规模利用地热水供热最早的国家是冰岛，1930年已建成相当规模的地热水供热系统。日本、新西兰、美国、苏联等许多国家也于同期先后建成不同规模的地热水供热系统，将地热能直接用于采暖和工农业。

意大利于1904年开始地热能转换为电能的研究。1913年首次在拉德瑞罗(Larderello)安装了一台250kW的地热发电机，1958年以前地热发电只在意大利有较大的发展。1958年以后，新西兰、美国、日本等国家参与了地热能转换为电力的研究和开发工作。据对22个国家和地区的调查，1976年地热发电的装机容量为1325MW。

中国自20世纪60年代开始有计划地对地热能进行研究和开发，全国20多个省、市、自治区先后钻凿了数百口热水井，用于采暖、沐浴、农业温室，以及纺织产品洗涤等。自1975年起，在西藏羊八井钻了数十口温度为150℃的蒸汽井，并建立了地热电站。2

特点地热钻探主要特点：①钻探中遇到的热储层常具有多孔性、裂隙性，属低压或常压地层，极为脆弱，钻井液易于漏失。因此，必须用清水、优质轻泥浆或空气进行压力平衡钻探或减压钻探，以免使热储层被损坏。②钻入高温热储层(温度达100～200℃)后，下入的生产套管因受热膨胀应力的作用，可造成套管断裂或顶裂井口地盘、套管外水泥环酥裂，酿成热水、热蒸气喷发事故。故要采用套管悬挂或伸缩装置，用加硅粉的耐高温水泥固井，并要加固井口地盘。③孔底高温能破坏泥浆的稳定性，使其组分分解不能发挥钻井液的基本功能（冷却、清洗、护壁、携粉），故地热超过200℃时,要用耐高温的海泡石泥浆、高温处理剂，还必须配备固相控制设备和冷却塔。④防喷设备要齐全，除配齐防喷器组外，还要备10倍于井筒容积的冷水，以备用“冷水控制井喷”。⑤严防腐蚀和环境污染，如废泥浆损害农田、噪音干扰，硫化氢 (H2S)剧毒危及人员生命及腐蚀各类管材、配件，甲烷 (CH4)气体易失火爆炸。必须采用机械的（消声器、分离器、面具、防喷器等）、化学的（如过氧化氢、海绵铁）等方法予以防范。

施工地热井施工的主要工序，有井身结构设计、钻进、固井、完井和引喷。

井身结构设计内容包括：确定套管的层次，各层套管的直径和下入深度;各层套管相应的钻头直径;各层套管外水泥浆的返回高度。井身结构设计主要取决于钻井目的、岩层和热储层的性质、钻井装备和工艺技术水平等。合理的井身结构应符合优质、快速、安全钻进的原则，满足开采地热时要求，并有利于节约材料，降低成本。对中、高温地热井井身结构设计还要着重考虑热流带来的特殊困难，主要是：热应力对套管的影响;高速热流对套管的冲蚀磨损;套管和过滤管结垢;较大的地层压力梯度等。

钻进地热井的钻进与油、气、水井钻进相似，为克服钻进中的特殊困难，需要对钻进方法、冲洗介质、钻具、套管头结构、井口装置等采用相应的工艺技术措施。

(1)钻进方法。地热井根据其地热温度分为低温井(250℃)四级。不同温度的地热井采用不同的钻进方法。低温地热井多采用牙轮钻头或刮刀钻头全面钻进，钻进工艺与管井钻进工艺相似;中、高温地热井常采用压力平衡钻进，即在井底最小压力与裸眼地层孔隙内流体压力相平衡条件下的钻进，以防止井喷和提高钻进效率; 较深地热井多采用综合钻进方法施工，即对非热储层或中、低温热储层采用常规钻进方法，干蒸汽热储层采用干空气、雾化空气、充气泥浆和泡沫钻进，深部地层采用潜孔锤 和金刚石钻头钻进。

(2)冲洗介质。对中、低温地热井，通常采用土—褐煤—苛性钠泥浆，可在井温150℃以内保持稳定。对高温地热井则采用热稳定性、抗盐性、分散性较好的海泡石泥浆、坡缕石泥浆、经特殊处理的高温聚合物泥浆等。为减轻冲洗介质中氧对钻具的腐蚀，常在冲洗介质中加入过量的氢氧根、高分子氨基树脂、亚硫酸氢胺等，或用惰性气体作冲洗介质。

(3)钻具。采用抗高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、强度高的合金钻杆、钻铤，并在钻杆、钻铤表面加防腐蚀涂料或作表面氮化处理。使用具有高硬度保径齿的三牙轮钻头和聚晶金刚石钻头等。

(4)套管头结构。中、高温地热井的井口套管头部受到很大的热应力，若结构不当，可导致井口严重破坏。合理的套管头结构应允许生产套管轴向热伸缩、对生产套管具有扶正作用和能泄排水泥环中的气体。图1为套管头结构型式之一。

(5)井口装置。低温热水井钻进时，井口设导流槽或导流管，将返回的热泥浆引出井场;中、高温地热井钻进，井口要装设由防喷器、各种管路、闸门、压力表等组成的井口装置，以保证安全钻进和完井后气、水生产控制。

固井下套管和注水泥封固作业的总称。钻进至设计深度后，下入套管，并注入水泥浆封固套管与井壁之间的环形空间，以封隔易塌、易漏地层和避免含水体地层之间的干扰，为继续钻进和完井创造条件。地热井的高温会使水泥强度蜕化和渗透率增加，因此应采用抗高温水泥固井。通常是往水泥中添加一种细微分散的硅粉，添加量为水泥质量的30%～60%便可达到高温稳定; 也可在水泥中加入苯乙烯、丙烯腈和丙烯酰胺等来提高水泥的抗高温能力。

完井地热井工程的最后环节，主要指热储层或目的层部位的井身结构(图2)的建造。地热井完井有裸眼、衬管和射孔套管完井三种基本方法。(1)裸眼完井。在钻入热储层之前将生产套管安置固定在生产层以上，再钻开热储层，生产井段为裸眼 (图2a)。(2)衬管完井。在钻达热储层之前即下套管固井，再换径钻开热储层，将滤水管或衬管下到生产套管以下的热储层中，以防止井孔被岩屑充填。如下入衬管，还需注水泥固定后射孔(图2b、c)。(3)射孔套管完井。生产套管贯穿热储层并注水泥胶结，在热储层段射孔完井 (图2d)。

引喷采用有控制地降低井内压力的方法，将热储层中的热流体引入生产套管，使其由井口喷出的过程。选择引喷方法的主要依据是地层压力梯度。对地层压力梯度大、自喷能力强的热储层，采用轻泥浆或替入部分清水的一次替喷法或二次替喷法引喷;对压力梯度小、自喷能力较弱的热储层，采用气举引喷或回挤引喷;无自喷能力或为防止热水扩容结垢而采用潜入式热泵抽水的热储层，则无需引喷。

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学