我国地热资源开发利用及钻进技术

2013-12-04许刘万伍晓龙王艳丽

钻探工程 2013年4期

许刘万，伍晓龙，王艳丽

(中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊065000)

1 概述

地热能是一种重要的能源，与其他可燃冰、页岩气新能源比较，地热能具有使用方便、经济、无污染、易于开采的特点。在此条件下国务院提出了我国对环境与发展采取的10条对策和措施。明确指出要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能和地热能等清洁能源”。从全国各地的地热能直接利用来看，正以强劲势头向规模化、产业化方向健康地发展。尤其自改革开放以来，随着人民生活质量的不断提高和对环保意识的增强，特别在人口密集的大、中城市，人们对地热的采暖、保健、疗养、旅游等方面的需求更为迫切，这也是国内地热市场日益兴旺的根本。有广阔内需市场的牵动，同时又有丰富的地热资源保障，这就能促进我国地热市场的持续发展。

另外，地热勘查技术的日趋成熟，大大提高了地热生产井的成井率，减少了投资风险，增强了开发者的积极性。

我国作为一个以中低温地热为主的地热资源大国，地热资源潜力几乎遍布全国各省市自治区。随着全球环境保护意识的增强，地热开发已兴起了直接利用新的高潮，如:东北、华北、西北地区都加大了以地热供暖为主的开发力度。这对减少大量有害物质的排放，并结合当前国家对雾霾天气的治理措施，有着非常重要的作用，取得的经济效益也显而易见。

2 我国地热资源开发利用的趋势

在回顾总结历年来地热开发工作的基础上，为更好地开发利用地热资源，进一步促进地热能开发利用，国家能源局、财政部、国土资源部、住房和城乡建设部于2013年1月还专门下达了“关于促进地热能开发利用的指导意见”(国能新能［2013］48号)，这对于开发利用地热能工作的展开树立了信心。

地热能是大家公认的清洁环保的新型再生能源，分布广、储量达、易开发、具有发展前景广阔、市场潜力巨大，已作为我国21世纪重点发展的方向。

根据我国地热市场的需求，要想真正利用好地热资源，就应该从以下几方面认真考虑。

2.1 正确树立开发利用地热能必须遵守的事项

认真贯彻四部委下达的“关于促进地热能开发利用的指导意见”的精神，大力推进地热能技术进步，按照技术先进、环境友好、经济可行的总体要求，使得地热能资源实现合理有效利用。优先发展城市区域供热，用地热能替代大多数传统的燃煤锅炉取暖。促进城市地热旅游业，坚持“一热多用”的开发原则，首选大中城市地热。因地制宜，多元发展。根据当地这一资源特点和需求，可因地制宜开展浅层地热能、中层地热能及深层地热能的综合利用。

2.2 搞好开发利用，必须做到开发与保护并重的原则

地热能作为我国的重要资源，合理开发利用的确会对改善各省市的投资环境、招商引资、发展旅游、房地产开发、医疗保健等产业有着非常重要的意义。但我们也要清醒地认识到，地热资源是有限的资源，其补给的过程是相当缓慢的。要实现该资源的可持续开发，应在扩大开发规模的同时，首先要重视资源的保护。否则地热田由于过量开采而导致水位持续下降，资源枯竭，严重影响地热田的寿命。因此，开发与保护工作应做到以下几点。

(1)结合当地实情，进一步研究、调整有效保护和合理开发地热资源的相关政策，以便很好地实现地热资源可持续利用，高度重视资源保护。

(2)加强与相关部门的协调，尽快淘汰在地热开发中存在的只采不灌、尾水排放温度高、资源利用严重浪费，严格实行保护性限量开采，积极推进地热回灌及节能、节约地热水的管理，降低地热资源量的实际消耗，建立统一的地热开采动态监测。

(3)加大各种宣传力度，建立地热示范项目，重点发展以能源利用为主的可实现回灌的地热供暖项目，支持发展新农村建设的地热利用，特别是精品农业项目的发展，适量发展高效低耗的休闲健身项目，控制发展单一洗浴等纯消耗性项目，以提高城市宜居环境水平和促进旅游服务业的发展。

现以北京市国土资源局《北京市地热资源2006～2020年可持续利用规划》在地热能领域的开发利用保护规划来看，2020年将全市地热水的开采总量控制在2000万m3/a左右，回灌量提高至1000万m3/a，使地热水的年实际消耗维持在1000万m3/a以内。各个时期的工作都搞得很细，目标任务明确，在全国树立了榜样(见表1)。

表1 北京市2010～2020年规划地热井相关情况

3 我国地热钻探设备种类及要求

从事地热钻探施工，对钻探设备的选择非常重要，它不同于常规水井钻探，基本上与石油井钻探设备雷同，除选购地质钻探厂家生产的设备外，有些施工单位还直接选购石油钻井设备。地热钻探对设备的要求主要有以下几点:

(1)拆装简便。地热钻探设备相对水井而言比较庞大，为组装拆卸方便、缩短施工周期，钻机的各部件如钻塔、机台等，要实现轻质量的整体化。

(2)卷扬机的能力与自动钻进装置。地热钻探是大口径钻探，所钻地层多是坚硬、破碎、高温的岩石。钻头的负荷、回转是钻进的重要影响因素，故卷扬机的能力要大，并要有提高钻进速度和省力的自动钻进装置。

(3)常规钻进大排量泥浆泵。在钻进过程中循环泥浆接触高温地层后，立刻被加热到沸点，有涌喷的危险，且高温对钻头的影响很大，泥浆本身的性能也在变化，往往会产生孔壁坍塌等。为了安全地控制井内温度，必须配有与泥浆冷却装置相匹配的大排量泥浆泵。

目前我国地热井钻探设备随着孔深的增加，设备种类较多，从钻机到泥浆泵方面，基本上能满足用户选择的需要，不论选购地质或石油厂家的钻机，都为转盘结构。有关钻机和泥浆泵的技术性能参数见表2，选购地质或石油厂家的钻机施工分别见图1、图2。

表2 地热工程设备型号及动力配备

(4)防喷装置。钻进时由于井内状态急剧变化，最容易出现热水或者热蒸汽涌喷，此种装置是能够迅速制止涌喷的耐热性防护设备(见图3)。

4 我国地热井钻进工艺方法

在地热井钻探领域施工单位较多，其技术水平及施工质量也存在较大差异，具体反映在设备的选型及钻进工艺方法上。近年来，通过各种学习培训交流，设备的选型及钻进工艺方法的选择已日益引起人们的注意。

4.1 泥浆正循环钻进方法

图1 地热钻探选用的地质钻机

图2 地热钻探选用的石油钻机

图3 防喷器

虽然在地热井施工中工艺方法较多，但目前市场上还是以正循环钻进为主，到了一定深度后，井内地层复杂漏失严重，泥浆正循环无法实现钻进的情况下，才寻求气举反循环钻进工艺方法通井、洗井，不得不采用该工艺解决技术难题。

4.2 多工艺空气钻进方法

常规钻进是利用泥浆循环，而多工艺空气钻进则是利用空气代替泥浆循环的方法。这些方法已经过生产实践证明，取得了显著的经济效益和社会效益。

4.2.1 气举反循环钻进

近年来，气举反循环钻进技术由于它具有排屑能力强、钻进效率高、钻头寿命长、钻进成本低等优点，采用该工艺方法的单位逐年增加。特别是该工艺用清水钻进同泥浆正循环钻进相比节约了泥浆材料，钻进过程又是洗井过程，同泥浆正循环钻进相比出水量大、洗井时间短、不污染含水层、成井质量好，深受施工单位的高度评价，现在许多单位通过各种途径积极组织推广。

4.2.2 多工艺空气组合钻进

在地热钻探市场竞争日趋激烈的形势下，谁拥有先进的设备和高效的钻进技术，谁就会立于不败之地。对此许多单位不得不寻求从这些方面进行突破，克服原来的设备能力差、泥浆正循环钻进工艺效率低、孔内事故多、钻探成本高等难题。优先选用的工艺方法为:在上部基岩段用气动潜孔锤钻进，若遇水量大无法再继续钻进的情况下变为气举反循环钻进，以充分发挥这2种工艺的优势。

另外有些单位地热井工作任务多时，还采用接力式的方法钻进，以便加快施工进度。所谓接力式的钻进方法，就是上部先用车装转盘钻机气动潜孔锤钻进，当遇水量大时，将该钻机搬走，后续工作由地热井钻机气举反循环钻进工艺完成。当然各地的地层情况不同，施工单位可因地制宜选用钻进工艺方法。不同钻进工艺施工现场见图4、5。

4.2.3 地热井定向钻进技术

图4 地热井浅孔段气动潜孔锤钻进现场

图5 地热井气举反循环施工现场

在钻井过程中遇地层复杂、可钻性差、孔内漏失严重、施工中需变更设计及井底温度高无法测量的情况下，可以在孔底实施定向钻进技术。此种钻进技术最适合当前要求的开采与回灌结合的均衡模式，是一种既保护地热资源，又便于地面管理的一种钻进工艺。在国家特别强调开采与回灌模式的推广下，地热定向钻进技术应深入的研讨，以便于地热能高效、经济、安全的开采。

5 地热钻井技术难点

目前，在国内地热井钻探技术方面的最大问题是高温措施，也可以说在地热井以外的深钻、科学钻井也同样存在着这个问题。随着钻井深度的增加，温度升高，即使不在地热地区也是这样，地热钻探就是在高温前提下进行的钻进，钻进的难点就是工艺方法如何适应高温。近年来，由于高温泥浆和水泥的开发以及钻进工艺方法的进步等，难点逐渐得到改善。地热钻井产业，目前已具备施工5000 m地热深井钻探水平。在华北地区从事地热钻探的单位和钻机较多，形成了全国最大的地热钻探群体，已具备大规模开发地热资源的能力，并朝着专业化、规模化方向发展。地热法规和标准正在进一步健全和完善，1989年8月推出了《地热资源地质勘查规范》，2010年11月又推出了新的《地热资源地质勘查规范》(GB/T 1165－2012)取代了1989年的规范。地热回灌正处在研究阶段和初级阶段。

地热技术目前形成了一套比较完善的地热勘查技术方法、评价方法;地热开发利用的工程勘探、设计、施工已有资质实体;设备配套国产化并有专业制造商;检测仪器基本完备并国产化。

此外，随着地热源开发深度的增加，环境问题也是要注意的一个方面，如泥浆处理、噪声措施、安全措施(防喷)都需引起重视。要坚持环境保护和经济效益的协调一致，保护生态平衡，提高地热资源的利用率。

6 地热井钻进事故的预防和处理措施

虽然地热井钻进时孔内事故难以避免，但制定很好的预防措施以及正确的处理方法非常关键，要严格按规程操作，以利于安全有效地开展工作，确保工程任务圆满完成。

6.1 孔斜的原因及预防

6.1.1 孔斜的原因

钻井人员对所钻地层不太清楚，心中无数，只追求钻井速度而忽视了质量。特别是在安装钻机过程中，天车、转盘、孔口三点未对准成一直线，甚至井架不平导致转盘倾斜。没有严格按钻井技术参数操作，钻具配套不合理，或者钻铤、扶正器严重磨损了还凑合使用。另外使用的钻压表不准、未使用记录仪等等，这一系列的问题都是造成孔斜的主要原因。

6.1.2 预防孔斜的措施

首先要弄清产生孔斜的原因，在钻进前严把钻机的安装质量验收。钻进技术参数要合理掌握，如:钻具的下部结构要用满眼钻具钻进，泵压的稳定，转盘的转速，均匀的加减压，正确用好机台各种仪表，遇到问题马上分析，以利于施工正常进行。

6.2 井喷的预防及处理

当钻进到高压汽、水层时因压力过大，加之泥浆的侵入，引起泥浆密度急速降低，就会造成井喷。

一旦发生蒸汽喷出，井口的防喷装置应当立刻关闭。如果安装防喷装置的套管没有固好，蒸汽就会流到套管外边和钻机周围，因此安装防喷器的套管必须安装牢固。当防喷装置关闭时，应尽快向孔内泵入冷水压井，冷却喷发蒸汽的岩层，制止蒸汽喷出。若防喷装置关闭延误，压头变形，再想关闭将会很难，可能发生不良后果，只能等待孔内坍塌来减弱喷出。因此钻进时一定要将泥浆性能处理好，并运用好其他辅助装置，根据不同井喷情况采取不同的措施。

6.3 正确选择三牙轮钻头，防止牙轮掉落井内

地热井不同于其他普通水井，一方面孔深，而且随着孔深的增加温度也在上升，所以一定要选用质量好的三牙轮钻头，千万不能图便宜。在钻进过程中司钻人员要及时分析孔内情况，发现有跳钻、憋钻现象，相同的地层进尺明显变慢，停钻后转盘有倒转现象，钻压表摆动异常，这些都视为钻头出现问题，应及时提钻检查，严禁打懒钻而导致牙轮钻头损坏掉落井内。并要严格按厂家说明书进行选择和操作。