[科普中国]-深部地热井

简介

地热是一种新型的清洁资源和能源，它集热、矿、水为一体，在洗浴、医疗保健、供暖、发电、种植与养殖、矿泉饮用等领域有着广泛的应用。

世界能源专家预计，到2100年地热资源的利用将占世界能源总量的30% ～ 80%。我国对地热资源的勘探开发与利用始于20世纪70年代。“十五”期间，我国利用遥感技术、地球物理、地球化学、地热地质、同位素地质和钻井勘探等多种手段，对国内地热资源储量进行了初步查探，确定我国可开采地热储量相当于4626. 5亿t标准煤。

钻井是地热资源重要的勘察手段，了解地热钻井现状及其发展趋势，对做好地热勘查工作具有积极作用。1

提高地热深井施工成功率的几项措施近几年北京很多深井的施工过程中都碰到了地层预判不准、孔斜、套管事故、卡埋钻具事故、止水效果不佳、洗井困难等问题，虽然大部分井最后都成功交验，但施工单位为此也付出了高昂的代价，人力、物力、财力的支出远远超出了预算，少数报废的深井更是造成了巨大的经济损失。分析这些地热深井工程出现事故和成井困难的原因，大多是由于前期勘查工作不扎实、对预防事故不够重视和违章操作引起，也有部分是由于地层赋水条件差等客观原因所致。如何有效回避地热深井施工风险，提高交井成功率成为地热施工队伍生存和发展的关键。前期勘查论证结果是否可靠，钻孔质量是否优良，止水是否有效，能否合理保护含水层，洗井工艺是否合理，都是决定地热井能否成功的关键因素。

充分勘查论证，准确预判地层前期勘查论证工作是地热钻井设计和施工组织设计的基础，前期勘查论证工作是否扎实，可行性论证的地热赋存情况是否真实可靠，直接关系到地热井钻井设计的准确性和可行性，也直接决定了该井能否顺利成井。

前期勘查论证工作主要是以以往地质工作成果为基础,结合地面地质调查、物探、化探等多种勘查手段，对拟开采地热区域地热赋存情况做出比较准确的描述，分析推测地层层序，目的层埋藏深度、厚度，可能的水温、水量和水质情况，提出地热钻井的最佳井位和设计建议。

有效防斜，提高孔身质量孔斜既会导致地热深井后期施工难度加大，也是产生套管事故和其他钻井事故的重要原因，要想顺利完成施工任务，必须采取有效措施预防孔斜。

孔斜的预判如果钻孔已经产生了一定孔斜，必然会导致钻具在孔内非正常弯曲变形，出现一些不正常的迹象，可以做为判断是否已经孔斜的依据，一般情况下迹象越明显时孔斜越严重。

(1)钻具磨损加剧，接头磨亮或偏磨严重；

(2)钻具升降困难，合立轴困难；

(3)钻杆折断事故增多；

(4)钻进效率降低。

孔斜的原因(1)地质因素:①第四系砂卵石地层中的漂石、块石容易造成钻头偏移，导致孔斜;②岩石的各向异性和软硬互层特性，容易造成钻头顶层进或顺层跑,导致孔斜;③钻遇较大断裂构造且钻杆柱和断裂面夹角较小时,钻头会沿断裂面前进，造成孔斜。

(2)技术、工艺因素:①设备安装时地基不稳，或者没有做到孔口、立轴、天车“三点一线”;②钻具组合不合理,粗径钻具(钻铤或加重钻杆)过少,钻杆柱刚性不够;③钻进过程中使用钻杆加压,使得钻杆柱弯曲点不合理,造成孔斜;④钻压不稳,转速过高;⑤换径开下一级新孔不带导向,没有做到“轻压慢转”入岩;⑥错误使用扶正器。

孔斜的预防钻探施工中预防孔斜措施很多,针对地热深井施工特点,预防孔斜应注意以下问题:

(1)设备安装时做到地基稳固,必要时要打水泥基座;严格做到孔口、立轴、天车“三点一线”;

(2)尽量采用塔式钻具组合,配足钻铤,保证钻具同心连接,钻进过程中严禁钻杆加压;

(3)换径开下一级新孔带导向,做到“轻压慢转”入岩;

(4)钻遇复杂地层时要选择合理的钻进参数,操作连续、稳定;

(5)采用“满眼钻具”防斜时至少加3个扶正器,和钻铤合理连接。

提高止水质量，防止浅层水渗入止水质量不过关的直接后果就是浅层低温水从套管搭接部位或其它部位渗入，和目的层热水组成混合水，渗漏量大时可能完全压住深层热水,导致出水温度远远低于目的层的测井温度,达不到设计要求而不能交井。提高止水质量的关键在固井，应做到以下几点:

(1)地热井所用套管必须是符合API管材标准J55、K55或N80钢级的无缝钢管,螺纹加工符合规范要求。

(2)下套管时至少带上中下三组扶正器，保证套管居中,管外间隙基本均匀，防止固井时水泥窜槽,影响固井质量。

(3)表层套管必须全孔段管外水泥固井,技术套管视情况可全段封固也可以“穿鞋戴帽”，采用“穿鞋戴帽”法固井时要求从管柱内注水泥，下部水泥浆返高不少于500m,同时要保证“戴帽”质量。固井水泥浆密度在1.85g/cm3以上,候凝时间不少于3d。

(4)固井时漏失地层可能跑浆,造成水泥浆不能返至地面或者套管外水泥浆柱过低,必要时应进行套管外补浆。

(5)替浆时计算好替浆量，严防替空，套管内水泥塞长度不少于20m。

科学选择钻井工艺,保护目的层含水裂隙地热深井施工中保护好目的层的含水裂隙是成井的关键环节，目前地热施工队伍绝大多数还是以传统的泥浆正循环全面钻进工艺为主，这种工艺给地热深井后期成井带来了很多不利因素：一是井深较大时使得在目的层钻进时泥浆柱压力过大,容易将泥浆和岩粉压入赋水裂隙,堵塞出水通道,构造不发育的微细裂隙更容易被堵死;二是泥浆中的纤维素、胺盐等高分子聚合物和粘土、岩粉在裂隙中形成一种胶结性很强的络合物,洗井作业很难将其破坏,成为影响出水的致命因素。为了保护好目的层的赋水裂隙,可采取如下措施:

(1)目的层钻进最好选用气举反循环清水钻进成孔。该技术是地矿部“七五”、“八五”、“九五”科技成果推广项目,还被列为“国家科技成果重点推广计划项目”。目前该工艺已经在水井、水文地质钻孔施工中等到了广泛应用和推广,钻进深度已经超过3000m,经验成熟。由于气举反循环钻进可以用清水作为循环介质,而且介质上返速度快，携带岩粉能力强，可以很好地保护裂隙不被堵塞，保护含水层，大大降低洗井工作难度。

(2)若取水目的层用泥浆正循环钻进，钻井液宜采用无固相轻质泥浆，泥浆漏斗粘度19～ 22s,密度1.05～ 1.10g/cm3，API失水量10～ 15ml/30min,尽量减小泥浆对含水层的破坏作用。

(3)开始取水目的层钻进前必须做好上部井段的扩孔、下套管和固井等工作,防止扩孔时的大量岩粉、固井作业时的水泥和扫开制做假井底所用木塞产生的木屑进入目的层井段,堵塞含水裂隙。

有针对性的选择洗井工艺，提高出水量目前成熟的洗井工艺很多，但地热深井洗井工作有其自身特点和复杂性，不能盲目选用洗井手段，措施不当很可能效果不佳甚至起反作用，造成不可弥补的损失,应从以下几个方面着手拟定洗井方案:

(1)钻井工作结束后尽快进行洗井作业,防止长时间停待造成泥浆大量浸入裂隙和泥皮大量失水后强度加大,增加洗井工作难度。

(2)开始洗井时首先对目的层井段从上至下清水替浆,替浆要彻底;替完浆后浸泡浓度为8‰的胶磷酸钠洗井液,浸泡时间24h。

(3)喷枪喷射冲孔，清水替浆，破坏残余泥皮，导通部分裂隙。

(4)地热深井洗井不能过份依赖酸化、二氧化碳和空压机联合洗井,拉活塞是最原始也是比较有效的洗井手段之一。如取水层段岩性为灰岩或白云质灰岩，可进行1～ 2次酸化、二氧化碳和空压机联合洗井,如效果不明显则改为在泵室段用钢丝绳拉活塞洗井,活塞浸入水位以下40～ 44m为最佳下深,单次抽洗时间以10min左右为宜。

(5)地热深井洗井作业时根据地层和钻孔实际情况参考选用压裂、射孔等工艺，提高出水量。

(6)及时组织试抽水,观测水温、水量、水位等指标和水质变化情况,研究制定下一步洗井方案。

工程实例2004年在北京施工一口地热深井时，该井设计深度3100m,设计2800m见取水目的层蓟县系雾迷山组白云岩,设计出水温度65°C,日出水量1000m3。该井施工过程比较顺利,但实钻地层与设计地层出入很大,经过两次变更设计,延深至3500m才见到取水目的层蓟县系雾迷山组白云岩,设计地层与实钻地层相差700m,该井终孔深度为3958m。较大井深和设计变更的停待使得洗井工作难度非常大,专业作业队进行盐酸、二氧化碳和压风机联合洗井近20次,水量始终维持在300m3/d左右,采取压裂、射孔等洗井工艺也未见成效,最后选择最原始的洗井方法拉活塞,在一开340mm套管中拉活塞近两个月,水量最终平衡在800m3/d左右,出水温度83℃ ,基本达到了设计指标,成功交验。该井仅洗井工作就超过了6个月,施工总工期达到18个月,严重亏损,给我公司造成了巨大的经济损失。2

贵州省地热资源特点贵州省地热资源分类及分布地热资源按温度可分为高温、中温和低温3类;按赋存状态可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型5类。

贵州省地热资源属热水型低温地热资源，其特点是温度不高( 多为30 ～ 50 ℃) ，分布面积广，开采价值大。根据其热储构造和形成条件，可分为2种类型: 一是受深断裂和背斜构造控制的对流行热矿水，二是沉积盆地传导型热卤水。除北部习水—赤水一带，贵州省地热水均属于热卤水。1

贵州省热储层的分布及其钻进难点贵州省热储层主要是由碳酸盐岩与碎屑岩交互更叠组成的多元含水热流体集储构造，从元古届到三叠系，可分为五大储层，目前正在开发利用的主要是震旦系、寒武—奥陶系2个热储构造，其它热储层也有少量开采。

贵州省深部地热储层一般为碳酸盐岩地层，溶洞、溶隙、裂隙发育，部分地层含泥质。另外，为保证地层有充分的地下水补给通道，地热钻井一般选在构造断裂带，热储层地层多碎裂，未定性差。在热储层钻井过程中，要保证地层稳定，同时要保证地层和地下水不受污染，对钻井液要求较高。1

贵州省深部地热钻井现状贵州省地热资源深 部地 热钻井 研究 起始 于2006年，至今已得到一定的发展，但总体来说，无论装备还是工艺，都还有着极大的提升空间。

井身结构贵州省地层岩性多变，软硬不均，溶裂隙发育、破碎，软硬互层，地质情况复杂，为保证钻井施工安全顺利完成，目前大部分深部地热井采用三开井深设计，个别钻井采用四开。随着钻井技术的不断提高，目前已经开始出现两开的深部地热钻井。

为了方便地热资源的开采，地热钻井一般要求终孔直径≮150 mm，因此贵州省深部地热钻井终孔直径一般为152 mm，开孔直径则为395或311 mm。

地热井完井方法主要有裸眼法、衬管( 筛管和滤水管) 法和射孔法3种。贵州省深部地热钻井主要采用前2种完井方法。当热储层完整坚实，不易垮塌、掉块时，采用裸眼法完井; 若地层松散、易垮塌，则需采用衬管法完井，一般情况下，所用衬管为筛管。1

主要钻井设备钻机类型贵州省深部地热钻井普遍采用石油钻机或水源钻机，最初使用的是立轴钻机和转盘钻机。但由于立轴钻机动力小、普通标配的泥浆泵排量偏小，难以满足深部地热钻井的要求，现在基本上都使用的转盘钻机。

但转盘钻机也存在其缺陷，如导向和定向性能相对较差，转盘扭矩大，影响了转速的提高等。

目前贵州省常用的深部地热钻井钻机有RPS系列、SPS系列等几个系列的类型。目前国内其他部分省份已经开始更新深部地热钻井设备，如引进先进的顶驱式钻机，将石油钻探与岩心钻探技术相结合以提高钻探效率等，但贵州省还未见相关研究信息。

常规牙轮钻进钻具组合常规牙轮钻钻柱自上而下为方钻杆、钻杆、钻铤、钻头及其间的接头。方钻杆为主动钻杆，由转盘、方补心通过方钻杆带动整个钻柱旋转并向下钻进。钻铤壁厚体重，可以给钻头提供压力，减轻钻头的振动、摆动和跳动，使钻头平稳工作，控制孔斜。

泥浆泵钻井液被誉为钻井的“血液”，而泥浆泵就是钻井的“心脏”。泥浆泵通过泵送钻井液维持钻井液系统的循环。深部地热钻井井眼口径大，岩屑多，岩屑粒径大，只有使用大泵量、高压力的泥浆泵才能保证钻井液排量，提高携砂能力，保持孔底干净，从而减少井内事故，提高钻井效率。

贵州深部地热井常用的泥浆泵有QZ3NB － 350型、BW － 1200型、F － 1300型等。深部地热井泥浆泵的选择应当向石油钻井学习，提倡“大马拉小车”，采用高压力、大排量钻进，对提高钻井效率和经济效益都有着积极意义。

固控系统深部地热钻井一般采用全面钻进，岩屑量大，对钻井液要求高，尤其是使用螺杆钻具时，必须对钻井液中的有害固相进行控制和净化，才能保证螺杆的使用安全和寿命。

当前钻井行业广泛使用的固控设备有振动筛、除砂器、除泥器、清洁器、除气器、离心机等。常规地热钻井施工一般主要使用振动筛和旋流除砂器，部分钻井队还配备了除泥器。使用螺杆钻具的地热井至少使用四级固控，即振动筛、除砂器、除泥器、除气器。目前常规钻井的固控已经可以达到钻井液的使用要求，但螺杆钻对固控系统的要求还有待提高。

钻井工艺方法目前贵州省深部地热钻井施工绝大部分采用的是常规的牙轮钻头全孔正循环全面回转钻进，钻头一般选用三牙轮钻头。

常规牙轮钻进作为目前深部地热钻井的主要钻进方法，其优点在于牙轮钻头适用范围广，从软地层到硬基岩均可钻进，而且该钻进方法的工艺技术已经基本成熟。但其钻进速度相对较低，已经不能满足当前贵州深部地热钻井的要求。

近年来，为提高钻进效率和经济效益，贵州省各地热勘察施工队伍均开始探索更先进的钻进工艺，如贵州省地矿局111地质大队曾尝试使用过气举反循环钻井工艺和螺杆钻具钻井工艺，贵州省地矿局114地质大队在尝试使用空气潜孔锤钻进工艺，另外，欠平衡钻井工艺也已经进入贵州深部地热钻井的研究议程。

这些先进钻井工艺，有些已经取得一定的成果，有些才刚展开相关研究，总体来说还都不太成熟，但都具有巨大的发展潜力。1

钻井液工艺技术贵州省深部地热井钻井液相关研究目前基本空白，主要有2方面原因: 一是贵州省深部地热井钻井队主要由冷水钻井队( 如贵州省地矿局111地质大队、贵州省地矿局114地质大队) 转化而来，队上缺少钻井液相关研究人员; 二是前期钻井队借助地矿井的钻井液使用经验也能完成钻井任务，从而没有太过重视地热井所需的钻进液。

目前贵州省深部地热井使用的钻井液材料主要为纤维素、植物胶、聚丙烯酰胺、腐植酸钾、磺化沥青、重晶石等最常用的几种添加剂，尚没有形成有针对性的钻井液体系。

而贵州地层地质、水文条件极为复杂，地层裂隙溶洞发育、破碎，软硬互层等，使得钻井难度急剧提升，近年来有多口井因为地层复杂，钻井液技术和钻井工艺落后而影响了施工进度甚至导致施工无法进行。1

存在的问题及开展研究的建议存在问题目前贵州省深部地热钻井存在着诸多问题:(1) 钻井设备相对落后，对设备改造和对先进的钻井设备引进都还存在;(2) 钻井工艺主要为单一的常规牙轮钻头全孔正循环全面钻进，其它工艺使用与研究相对不足;(3) 针对贵州地层与钻井工艺的深部地热井钻井液研究太少，应该加强相关研究，形成相关理论与实践体系;(4) 地热井固井技术与增产技术的研究也相对落后;(5) 钻井事故应以预防为主，目前贵州省深部地热钻井还未形成相关规范，基本处于遇到事故再处理的状态。

建议为提高贵州省深部地热钻井钻探效率和效益，应该在多方面展开研究:

(1) 完善钻井管理制度，提高钻井管理能力，使钻井施工向规范化、正规化发展;

(2) 引进先进的钻井设备，如引进顶驱钻机等更先进的钻机应用于地热井施工中; 使用液动大钳等自动化设备代替落后的自由钳等设备;

(3) 研究在地热钻井施工中采用多工艺钻井技术，在不同情况下使用不同的钻井工艺，保证钻井施工始终保持较高的效率，如开孔可采用空气潜孔锤工艺，浅部干孔或漏失地层可采用空气反循环或泡沫钻井工艺，稳定岩层可采用螺杆钻具孔底动力钻井工艺，深部漏失地层可采用气举反循环钻井工艺等;

(4) 研究适应贵州地质情况和钻井工艺的钻井液体系。1

结语斜孔钻进时，由于斜孔特殊的车轮效应使钻孔轨迹方位易发生向钻头自转方向偏斜，偏斜异常出现孔段往往是地质构造或岩性组合复杂部位。

控制钻孔偏斜必须从地质设计与施工工艺2方面着手。(1) 矿区详查—勘探地质设计，可将多数钻探工程改成在沿脉巷道内施工坑内钻孔，不仅能节省约一半钻探工作量，而且减少钻程是降低偏斜规律对勘探控矿间距的影响最有效的途径。(2) 施工深孔时，地质设计应根据偏斜规律而预留设计方位角，并在地质柱状图上详细标明引起钻孔偏斜异常出现的地质构造和岩层部位。(3) 钻探施工时应合理改进钻探工艺，减弱甚至抵消偏斜程度，以满足钻孔见矿点落在地质设计的允许范围内。1