黄河中下游地热设计

黄河中下游地热资源开发技术研究 来源：人民黄河 作者：刘志国,吴青松,周运兴,刘丕新,刘新红 发布时间：2007.04.28 摘　要:介绍了黄河中下游(河南段)千米地热井施工技术20多年的发展过程,重点强调了设备机具的配套、钻井参数的合理选择及后期成井技术的保障措施,指出虽然该区地热资源开发深度已达3 000 m,但与国内外先进地区相比技术仍有差距,须借鉴国内外先进技术、经验。 关　键　词: 地热资源; 施工技术; 钻井工艺; 黄河中下游 中图分类号: TV211. 1　　　文献码:A　　　文章编号: 1000 1379 (2006) 07 0065 02 黄河中下游(河南段)千米地热井的施工始于20世纪80年代初期,根据施工技术大体上分为3个阶段: 1995年之前为技术工艺起步探索期; 1995～2003年为技术工艺突破与创新期; 2003年后钻井工艺逐步向石油钻井工艺过渡,成井工艺结合施工队伍自身优势处于不断的创新且部分技术向石油成井方面发展。施工深度从当初的千米左右发展到现在的3 000余m,温度从当初的40℃左右达到现在的90℃左右。 1 地质背景 黄河中下游(河南部分)属中朝准地台的南部,二级分区则为华北台坳的中南部,由于基底构造及断裂活动影响,形成一系列次级断(坳)陷盆地和断块隆起。古近系厚度可达5 000m。古近纪以后,本区继续大幅度下沉接受沉积,堆积了厚500～1 000 m的新近系、第四系松散堆积物。其中新近系地层是目前本区地热资源开发的主要目的层位。新近系地层自下而上为: ①馆陶组(Ng) ,底板埋深开封为1 685 m,郑州为1 000～1 200 m; ②明化镇组(Nm) ,厚度为990 m左右。 2　钻井工艺 2. 1　设备选择 (1)钻机。由当初的岩心钻机过渡到水源1 000、2 000 m并向石油钻机系列发展。现在的发展趋势是:扭矩及提升力加大,即钻井配置(储备)能力增强。常用的钻机主要有TSJ -660、TSJ - 2000、CZ - 2000、CZ - 2600、GZ - 3000。 (2)泥浆泵。它的选择主要考虑钻孔结构、钻具结构、孔深及泥浆流速等。从目前实际情况看,排量小、压力低的泥浆泵逐渐被淘汰,对于水泵的要求均向“大压力、大流量”方向发展,实现喷射钻井有利于钻速提高及孔内安全。 (3)附属设施。由过去的非常简陋或不完善、不配套逐渐向合理、配套方向发展。超过1 500 m的地热井使用了石油钻塔、钻井平台、孔口拧卸装置,配备了较为完善的泥浆处理系统等。 2. 2　钻井方法   (1)钻孔结构[ 1 ]。钻孔结构应根据钻孔深度、孔径、地层特性、钻井方法、成井结构,按照“安全、合理、经济、实用”的原则设计。钻孔结构的选择大体经历了三个阶段,已逐渐趋于小型化、合理化。一般情况下钻孔结构不超过三级。三个阶段的典型钻孔结构见表1。 　(2)钻进方法。当初普通合金回转钻进及全孔取心等方法逐渐被旧牙轮钻头全面钻进方法所取代,并逐渐向采用新的牙轮钻头与PDC钻头联合钻进方向发展[ 2 ]。 (3)钻柱结构。钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组合三大部分组成,钻柱组合一般应遵循以下两个原则:满足强度(抗拉强度、抗挤强度)要求,保证钻柱安全工作;尽量减轻整个钻柱的重力,以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井[2]。 (4)钻井参数[ 2 ]。在钻井过程中,钻进的速度、成本和质量将会受到多种因素的影响和制约,这些因素可分为可控因素和不可控因素。现已对影响钻井过程中的主要因素(钻压、转速、水力、钻井液性能、钻头类型等)进行了重点设计和控制。一般常用的钻井参数为:钻压5～10 kN / in;转速60～180 r/min;泵量> 10 L / s;泵压> 3. 0MPa。 (5)泥浆选择。就中低温地热而言,一般的钻井液可满足要求,对于高温( > 150℃)地热井,主要考虑泥浆的抗高温性能,目前主要选择不分散低固相聚合物泥浆。常用泥浆性能设计为:黏度20～25 S; 相对密度1. 05～1. 25; 失水量15～20 mL /30 min;含沙量< 5%。为了确保泥浆的性能应加强钻井液的维护,有效使用固控手段。目前常用的方法有“振动筛+旋流器”和稀释法。随着钻井深度的加大,要强化对泥浆性能的研究和处理工作[3 ]。 3　成井工艺 地热井施工中,钻井是基础,成井是关键,二者统一于施工的全过程。成井工艺应根据不同的地层、井深、钻孔结构、井管结构、钻机提升力及综合技术处理水平等来选择。 3. 1　综合测井   综合测井是现代地热井施工不可缺少的技术要求,应采用数字化测井技术,根据综合测井资料分析,结合钻进效率,岩样录井描述,泥浆温度,起下钻前后的水位等情况,划分含水层段,确定止水位置等。 3. 2　破壁与探孔[ 1 ] 3. 2. 1　破　壁 一般情况下,破壁时至少采用两种以上的方法,这样对于打开含水层水力通道是有利的。 (1)破壁器。用小于井眼100 mm左右的岩芯管作外管,其上螺旋状布孔,内管用钻杆组成,内管底部长出外管200 mm左右;外管孔布Φ 18mm钢丝绳,使外管连同钢丝绳外径比井径大20～40 mm,即可扎好绑牢。其上部与钻具相接,下入目的层在泵送冲洗液情况下,反复扫孔,使含水层段的泥皮破坏,及时调整泥浆性能,降低对含水层的损害程度;同时,注意泵量、泥浆性能及时间的合理掌握。 (2)破壁枪。破壁枪的使用在于进一步打开含水层的水力通道。具体方法为:采用比井眼直径小50～80 mm的高强度无缝钢管,其上沿螺旋方向布孔,孔眼大小、数量根据现场泥浆泵的压力与排量来选择。尽量使破壁枪产生高流速、大压降,形成的水功率大。用钻具连接下至含水层,打开泥浆泵使破壁枪冲刷目的层,对于微弱裂隙水层,要掌握冲刷时间与强度。   对于基岩裂隙地热井,为保证冲孔效果,工作结束时,根据取水段地层特性可压入一定量的酸液。例如,对于砂岩含水层采用土酸酸化(10% ～13%HCL + 2% ～3%HF)以溶解井眼附近沙粒间的胶结物和部分沙粒,或溶解孔隙中泥质堵塞和其他结构物,以恢复和提高目的层附近的渗流能力。 3. 2. 2　探　孔   探孔的目的在于进一步检查钻孔是否有超标的弯曲、缩径、坍塌等不利于下管的部位。探孔时采用长10 m左右的钻具,从上到下进行通孔,判定整个孔身质量是否能够满足下管要求。井眼出现异常情况时,应在最短时间内修复。 3. 3　过滤器与井管选择[ 1 ] 3. 3. 1　过滤器选择    起步阶段的地热井成井,受技术工艺和思想观念的影响,选择了笼状滤水管;随着技术的发展和对地层特性认识的不断提高,使得终孔口径逐渐缩小,现在常用的过滤器主要是桥式过滤器。 3. 3. 2　井管选择   选择井管应遵循以下原则: ①满足抗拉、抗压、抗挤要求;②抗老化、抗腐蚀; ③对地下水不产生污染; ④使用寿命长。当井深小于1 500 m,矿化度不大于3. 0 g/L 且水温低于50 ℃时,选择无缝钢管、直缝钢管或螺旋钢管等;当井深大于1 500 m时,建议使用AP I套管;对于具有严重超标而且腐蚀的地热井,选择井管时要采取防腐措施。一般情况下,下入井内的材质应统一,避免材质的差异导致自身腐蚀。 3. 4　井管安装[ 1 ] 3. 4. 1　井管结构   井管结构的选择力求安全、简单、实用。具体有以下原则:①对于开采比较稳定的基岩水的地热井,一般井管结构(从下到上)为沉砂孔段—取水层段(裸眼) —导水管—泵室; ②对于全部下入井管的地热井,一般结构(从下到上)为沉砂管—技术管—过滤器—导水管—泵室。 3. 4. 2　下入与连接    (1)井管下入。一般分为一次下管和二次下管。黄河中下游(河南段)千米地热井施工中,前期大多采用了二次下管,由于二次对接存在质量隐患,因此现在采用一次下管或不同孔段一次下管;一次下管时,根据情况可采用机械一次法或浮力与机械相结合的一次下入。 (2)井管连接。一般采用两种方法,即孔口焊接法或丝扣对接法。孔深小于1 500 m的地热井,可使用孔口焊接法;大于1 500 m的井最好采用AP I系列套管连接。 3. 5　冲孔与填砾[ 1 ] 3. 5. 1　冲孔换浆    对于松散层施工的地热井一般采用三次冲孔换浆,即测井前、下管前、下管后;对于基岩地热井,冲孔换浆次数依地层而定。 3. 5. 2　填砾 (1)动水投砾。指冲洗液在孔内循环状态下从孔口投入砾料。一般要求冲洗液黏度达到18 S、相对密度在1. 05左右,把砾料从孔口均匀填入,速度为3～6 m3 /h。填砾过程中,注意返水量、压力及冲洗液性能变化并根据情况适当调整。①正循环投砾:把封隔器下入井底,上部管口密封使冲洗液从沉砂管返到环空,从环空返到地面,在这样的条件下向孔内投入砾料。②反循环投砾:把合适的钻具下入井管内一定深度,组成气举反循环系统,控制反循环的排量,使冲洗液携带砾料从环空进入孔内。 (2)砾料跟管法。把适合于地层的砾料事先同过滤器组装在一起,随井管下入孔内对应含水层。常用组合笼状过滤器或常温贴砾过滤器。 (3)不填砾技术。随着技术的进一步发展,针对地层特性研发的无须投入砾料的过滤器即可应用于工程实践,如梯形丝筛管、纳米技术等。 3. 6　止水与固井 3. 6. 1　止　水   对于混合取水层的深层地热井下管后的止水是成井后取得持久性稳定高产的关键。 (1)优质黏土。①黏土球,有人工搓制,直径25～30 mm,阴干后,从孔口投入; ②黏土棒,采用机械制作,直径25 mm,长度25～30 mm,抗侵时间长。在水头压力下自粉自密,一般用于井深不超过1 200 m的地热井。 (2)膨胀橡胶[ 1 ]。具有优良的弹性、延伸性和膨胀止水性能,在水中的膨胀率达150%以上,膨胀体保持橡胶的弹性和延伸性,膨胀率不受水质的影响,耐水性、耐化学介质性、耐久性优良,不含有害物质,无溶胀析出物,不污染环境,在较宽的温度范围内均可发挥优良的止水性能,耐候性优良。下管时,随井管一并入孔,形状、尺寸可以自定。 (3)水泥。采用水泥止水时,根据地层特性及井温选择水泥型号[ 4 ]。①普通水泥,一般用于井深小于1 500 m、水温不超过50 ℃的地热井; ②油井水泥,用于井深大、温度高的地热井,采用井管内压入或管外压入。 3. 6. 2　固　井   通常情况下,采用钻屑、黏土、碎石等填充环空;随着井深加大,在“固井”这一环节上建议采用水泥固井;孔深小于1 500m且水温低于50 ℃时,可使用普通水泥;井深大于1 500 m且水温高于50 ℃时,采用油井水泥固井[ 4 ]。 3. 7　洗井与抽水 (1)洗井。通常采用以下方法: ①气举洗井,把合适的钻具下到一定位置与空压机连接,优点在于钻具可下到含水层部位; ②潜水泵洗井,把潜水泵直接下入泵室内,进行大降深抽水,达到洗井目的; ③喷射洗井,把喷枪下入井内,对准含水层冲洗; ④压水洗井,采用封隔器座封管内某一位置,井口封闭,在一定压力下向井周注水,疏通含水层; ⑤酸化洗井,利用一定浓度、数量的酸化液,按操作规程压入处理井段,主要用于基岩地层[4 ]。 (2)抽水。按有关要求进行单孔抽水试验,测量水温、水量、水质、含沙量等技术指标。 4　结　语 黄河中下游(河南段)千米地热井施工经历了20多年的发展,施工能力、水平在不断提高,不论设备的配置能力,还是技术水平都有了长足发展;对地层特性的进一步认识及新技术的推广应用为深层地热井的施工提供了可靠保障;尽管钻井深度超过3 000 m,但与天津、北京等地相比,还有很大差距,须从观念上有所突破,更须借鉴国内外先进技术、经验为我所用。 参考文献: [ 1 ] 　刘志国,刘新丽,刘丕新,等. 千米地热井施工技术[M ].郑州:黄河水利出版社, 2004. [ 2 ] 　陈庭根. 钻井工程理论与技术[M ]. 东营:石油大学出版社,2002. [ 3 ] 　鄢捷年. 钻井液工艺学[M ]. 东营:石油大学出版社, 2001. [ 4 ] 　李克向. 实用完井技术[M ]. 北京:石油工业出版社, 2002.  最新评论 查看更多评论