地热井常见主要问题分析

2016-01-28韩磊

大科技 2016年24期

关键词：堵塞物铁锈气举

韩磊

（河北省煤田地质局第二地质队河北邢台 054001）

地热井常见主要问题分析

韩磊

（河北省煤田地质局第二地质队河北邢台 054001）

自从人类进人21世纪以来，社会文明在日益进步，社会经济迅速发展，地热资源被广泛得到开发和利用。本文首先介绍了地热井施工技术现状，然后分析了地热钻井施工关键环节，最后探讨了地热井堵塞类型及处理方法。

地热井；施工技术现状；关键环节；堵塞

地热是一种新型的洁净能源，可以应用于供暖、发电、医疗、洗浴、种植与养殖、矿泉饮用等诸多领域，应用地区也在逐日扩大。随着国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，地热资源的利用项目不断增多，尤其是在我国的西安、天津和北京等地区，都有较快的发展，并形成了产业化。由于地热资源开采面积大，领域广，我国从中获得了很大的社会效益、经济效益和环境效益。但是从目前的地热施工技术看，还存在着很大的差距和不足，如工艺和材料的选择等，这样的问题会直接影响到地热井的地质环境和使用期限。

1 地热井施工技术现状

现阶段主要有石油、地矿、煤炭类企业从事国内的地热钻井施工工作，此外还有一些民营企业和个体经营的钻井公司，由于石油系统占有很大的设备优势，所以，市场比较广阔。从钻井深度上来分析，目前的地热井深范围为1000～4000M，地热流体温度大多数在40～100℃，钻探所遇地层主要为第四系、第三系、二叠系、三叠系、奥陶系、石炭系等。在钻井工艺方面，基本上都是以正循环泥浆回转钻进为主，都应用三牙轮的钻头。其差异在于钻井结构、固井止水和成井材料等方面，石油和煤炭类企业采用三开、四开钻井结构，水泥固井和石油套管；而地矿企业则采用二开、三开的钻井结构，碎石粘土球作为固井止水材料，成井材料采用普通钢管、桥式滤水管。无论怎么说，从目前地热井的使用情况看，在现阶段的经济技术条件下，地热井存在以下常见问题：水量逐年减少，金属井管错位、破裂、腐蚀。这样的问题同时又会引发其它问题，比如砂涌、水温下降、地面沉降和区域性的地下深层水污染等。

2 地热钻井施工关键环节

地热钻井能否取得成功除了正确的组织钻井施工，还要把握好以下几点：

（1）钻机设备选型应留有加深钻进深度的余地；

（2）尽可能保持钻井的垂直，最大程度避免井壁管受磨损，降低井内事故率；

（3）进行科学的钻井地质编录，合理分层，依据钻井中的地质变化对可能出现的问题作出预判并找出对策，同时修改完善地质设计；

（4）选择合理的井身结构并严格的固井：表层管口径和下入深度应充分考虑取水设备口径和下入深度的需要；井壁管应下入热储层一定深度并严格封闭热储顶板上部各层位；尽可能做到3径或4径至孔底；

（5）严格使用冲洗液钻进，热储层内钻进严禁使用稠泥浆；

（6）及时进行地球物理测井：下入表层管、井壁管前及达到设计深度时均应测井，以结合地质编录进行地质分层，了解地层温度变化和热储的渗透性、含水性特征，指导钻井施工；

（7）钻井完工应及时进行洗井和产能测试，严禁停滞时间过长，洗井应针对热储地层特征、钻井深度、使用泥浆性质和稠度采用不同的方法，产能测试应满足规范的要求。

3 地热井堵塞类型及处理方法

3.1 类型及成因

地热井常见的堵塞类型有物理堵塞、化学（细菌）堵塞。

3.1.1 物理堵塞

物理堵塞是堵塞物以其自然固体形态存在于水井通道造成的堵塞现象。主要堵塞物有井壁掉块，脱落的碎石屑，岩溶裂隙内原来次生沉积物，残留在岩溶裂隙内的钻屑、泥浆、堵漏材料，管壁脱落的铁锈、铁锈皮，第三系水井中沉积的泥砂等。

（1）井壁掉块。井壁掉块主要发生在基岩地层。井壁掉块，原因是地层压力与井筒内压力失衡所致。

（2）井内残留堵塞物。有钻屑、泥浆及堵漏材料等。残留物是成井洗井时没有完全洗净，后来抽水中，进井水速超过了原洗井进井水速，将其携入井内。还有的井，射孔后防砂处理不好，井外泥砂漏进井内。

（3）第三系地热井的沉砂。沉砂有两种情况：①颗粒较大的细砂或中砂；②细小颗粒的粉砂或粉细砂。当进井水速超限时，将较大颗粒砂推进井内，由于井筒断面增大上返水速变小，不能将其携向地面，因而沉落于井底；细小砂粒因其在水中自由沉降速度小于冲洗液上返水速而随水返上地面。但一旦停泵，井筒内正上升中的粉细砂失去水速托力沉于井底。

（4）过量开采。取水量超过了井的允许开采量，导致井壁失稳，井壁泥皮脱落，地层内的泥浆、钻屑及堵漏材料进入井内。

（5）铁锈皮的堵塞。铁锈皮是铁的氧化物，大部分产生在井内动水位以上的置泵管内壁、泵管内外壁及测管管壁上和长井管内壁，尤其泵管外壁和内壁产生铁锈皮量较大，如每次提下潜水泵时由于震动泵管壁不少铁锈皮脱落于井内。近几年来，由于区域静水位不断下降，加上井内出水水阻增大，综合因素导致动水位不断延深，氧化面逐渐增大，铁锈皮产生、脱落日益增多，它已逐渐上升为井的主要堵塞物。铁锈皮堵塞表现有两种：①沉于井底淤埋进水井段；②中途架桥堵住井筒通道。

3.1.2 化学（细菌）堵塞

化学堵塞是井水内两种离子经过化学反应生成的第三种不溶于水物质沉淀导致的堵塞，如有3价铁、硫化亚铁的沉淀，碳酸钙（水垢）的沉淀。地热井内铁细菌、硫酸盐还原菌等可造成细菌腐蚀沉淀。

（1）3价铁及硫化亚铁沉淀。地下水中的2价铁经过氧化或铁细菌作用生成了3价铁。3价铁不溶于水而沉淀，铁在井中呈黄红色类似泥浆胶状液体。硫化亚铁是水中2价铁与水中的硫酸根，在硫酸盐还原菌作用下生成的。硫化亚铁不溶于水，呈黑色胶体，沉于井底，有臭鸡蛋味。3价铁、硫化亚铁以胶体态充填于地层空隙、裂隙、岩溶和井筒内。它密度大，运动粘滞系数大，阻塞着地热水流动。

（2）碳酸钙水垢的沉淀。水垢是水中重碳酸钙化学还原的产物。地热井水内含有大量重碳酸钙，而重碳酸钙来原于碳酸钙加二氧化碳加水化合而成；但重碳酸钙在水中是不稳定盐类。当外因压力、温度变化时，会导致二氧化碳溢出，又还原成不溶于水的碳酸钙。实践证明，一般碳酸盐地层热水井碳酸钙沉淀是不可避免的，因为，在受高压下的地热水渗流入井筒时压力降低，二氧化碳溢出产生碳酸钙，这个过程是必然发生的，故结垢是不可避免的。常用的地热井结垢较轻。原因是地下热水在井筒内停留时间较短。抽水时热水进井后，还来不及反应或未完全反应，就被吸排出井外。闲置井结垢较重。

3.2 处理方法

3.2.1 简易气举反循环工艺洗井

简易气举反循环钻具是在现行双壁钻杆基础上简化而成的新技术。气举反循环洗井与现行的气举正循环洗井相比有以下五个优点：

（1）吸程缩小。简易气举反循环钻具是一种井下水力吸砂器，吸点在钻头上，钻头到哪，就抽吸到哪。吸砂时，钻头在砂面上吸程为零，洗含水层时吸程仅为钻头直径与井壁间环空间隙（40～50mm）。而一般气举正循环吸砂洗井，下风管450～500m。它的负压吸点固定在500m。假设地热井深1500m，含水层顶在1000m，吸力从500m开始延深1000m，吸程为500m。若吸程500m与气举反循环吸程50mm相比，即气举反循环的吸程仅是现用正循环吸程的万分之一。

（2）携砂力增大。简易气举反循环钻具冲洗液上返水速成倍增高了，携砂能力增大了。我们现用气举反循环钻具平均吸排上返水速达5.36m/s，是气举正循环同等水量下所经152mm井筒上返水速1.33m/s的4倍，是7in（177.8mm）井管内上返水速0.202m/s的26.5倍。由于上返水速增大，原来携不动的钻屑、掉块被携上来了。

（3）清洗能力强。因钻头（吸头）距井壁很近，抽吸力比常规洗井抽吸力大，能从井壁上吸排出。

（4）不靠井内出水。简易气举反循环钻具可从井口注水循环吸砂；而现行气举正循环排砂，离不开井内出水，若所洗含水层不能出水，气举正循环无法成立。

（5）洗井质量上下一致。它对含水层吸洗可从上向下，或从下向上所洗之处吸排力度一样，故洗井质量上下一致；而现行气举正循环负压吸抽点不能随意移动，抽吸力上大下小，洗井质量上好下差。

3.2.2 酸化处理

酸化洗井是一种化学溶蚀性洗井方法，是物理洗井后的进一步洗井措施。它将物理洗井无力解决的堵塞物，由固体转化为液体，溶蚀在残酸内，再用物理洗井将残酸排出井外。常用酸有盐酸和土酸。盐酸是溶蚀碳酸盐堵塞物如水垢、石灰岩、白云岩、铁锈皮及碳酸盐地层的专用酸；土酸是溶蚀硅酸盐堵塞物如石英、砂岩、火成岩、泥皮及硅酸盐地层的专用酸。

3.2.3 对置泵管、泵管进行液体防氧化保护

对置泵管、泵管进行液体防氧化保护，减少铁锈皮发生，是目前解决铁锈皮堵塞的一种有效方法。进行液体保护的先决条件是井内不能有动水位。因过去曾有人充氮气保护，因动水位无法控制，耗氮量过大，未能如愿。