自流地热井井口封堵装置与使用方法

赵明亮

（山西省第二地质工程勘察院，山西侯马 043007）

各类地温能资源作为一种可再生、可重复利用的清洁能源，具有非常广阔的开发应用前景，越来越多地受到人类社会的普遍关注和重视。在开发地热资源的钻井工程施工中，由于热储层埋藏较深，地热水具有较高的水头压力，加之受周围地质结构影响，常常会遇到水温、涌水量条件很好的自流地热井，为地热井的开采和利用提供了很好的先天条件。但是，在成井施工中，如果遇到自流量较大、地热水温较高的地热井，则会给地热井井口止水工作带来一些技术难题。在施工运城南风集团地热勘探井时，我们就遇到了地热井自流井口封堵的问题，现将我们当时采用的井口封堵工具、安装方法以及采取的一些技术措施介绍如下。

1 基本情况

1.1 项目概况

运城市地处山西省南部，为温暖半干旱大陆性气候，四季分明冬寒夏热，年平均降雨量为610mm，年平均蒸发量2258.2mm，平均气温13.61℃。运城地区地势平坦，土地肥沃物产丰富，是山西省主要的粮棉生产基地，经济发达，文化底蕴深厚。大运高速、同蒲铁路从城北通过，交通极为便利。受运城南风集团公司委托，我单位在位于运城市盐湖湖区中心地带进行地热资源勘探。地热勘探井设计井深2000m，预计水量100m3/h，出水温度60℃，施工工期为4个月。

1.2 水文地质条件

运城地处汾渭断陷带，第四、第三系沉积较厚，受构造影响，地温梯度异常，地下储藏有大量可利用地热资源。该勘探井位于运城盐湖湖区中心，属于内敛排泄湖，地表出露地层为第四系全新统新近堆积。据本次揭露地层由新到老如下：

1.2.1 第四系

（1）上更新统（Q3）及全新统（Q4）：厚度在124m左右，岩性以青黑色淤泥质粘土为主，局部层位夹砾石，砾石粒径多为0.5～2cm。

（2）中更新统（Q2）：埋深在124～405m 间，厚约281m，岩性以黑色、青黑色、青灰色粘土为主，夹数层中粗砂、细粉丝，砂层单层厚度在5～13m间。

（3）下更新统（Q4）：埋深在405～590m 间，厚约185m。岩性以淡黄色、褐色、青灰色粘土为主，偶夹砾石，底部为棕黄色粘土、亚砂土互层。

1.2.2 第三系

（1）上中新统（N2）：埋深在590～1125m间，厚约535m，岩性主要以棕红色、青灰色粘土为主，局部夹砾石，底部为厚约5m的中粗砂，呈泥质半胶结。

（2）下中新统（N1）：埋深在1125～1795m间，厚约670m，岩性为棕红色、青灰色泥岩及细砂岩、粗砂岩，局部夹砾石，底部有10m厚的砂砾岩。

（3）渐新统（E3）：埋深在1795m以下，其岩性以棕褐色泥岩、中粗砂岩、砖红色泥岩为主。

目的层为1000m以下第三系的粗—细砂岩及砂砾岩。

1.3 井身结构

一开采用Ø311mm牙轮钻头钻进至1100m，下Ø244.5mm×9.65mm石油套管并用水泥固井，达到护壁与封闭低温含水水层之目的；

二开采用Ø215mm牙轮钻头钻进至2121m终孔，下Ø139.7mm×7.72mm石油套管及滤水管，2层套管相互重叠30m并采用止水胶带止水。

1.4 施工概况

该地热深井施工项目采用ZJ-15型石油转盘钻机及其配套设备，于2003年6月7日开钻，2003年8月26日终孔，终孔深度为2121m，施工历时80d。终孔下管完毕后，按照相关技术规程要求，先后进行了冲孔、捞渣、换浆、破皮等工序。在此过程中，由于该井井口高程低于含水层区域水位高程，加之换浆过程引起井内泥浆比重大幅度降低，施工过程中的泥浆压力平衡关系被打破，最终导致地热井产生自流，自流涌水量达到160m3/h，井口出水温度达到70℃，水头压力0.5MPa(止水后实测值)。为了有效保护地热资源，便于有计划地开采利用，对地热井进行了井口止水封堵作业，有效地控制了地热井自流。

2 井口封堵装置设计

2.1 井口封堵装置结构

井口封堵装置为“三通结构”，分别与不同的功能组件，采用法兰盘方式连接。其下部法兰盘与Ø244.5mm护孔井管连接；上部法兰盘与带有测量水压头压力表的封闭盖盘连接；侧面的出水管法兰盘与水量控制阀门连接。井口封堵装置结构如图1所示。

图1 井口装置

2.2 止水器结构功能

止水材料选择海带。为了使海带临时止水作业顺利进行，止水器设置了热水临时导流出口及导流软管，便于将热水排到水池。利用丝杠所连接的动法兰盘，压缩海带，完成导流管外壁与井口套管内壁的环状间隙密封，将地热储层的高压、高温水流从导流通道排出。留出密封段上部空间进行井口管法兰盘的焊接作业。井口管上部焊接好法兰盘后，即可安装井口装置，实现对高温、高压地热水的人工控制。

2.3 止水器设计原理

尽量使用井场现有材料。导流管使用Ø139.7mm石油套管加工，将海带编成辫，紧紧缠绕在上下2个法兰之间，上部法兰是固定的，下部法兰可以通过旋转顶部丝杆螺母随着丝杆上下活动。止水时，正时针旋转上部螺栓，丝杆带动下部法兰向上运动，挤压两法兰间的海带，实现导流管与井口套管环状间隙的密封，涌出来的热水则从导流管排出。止水器结构如图2所示。

图2 止水器

3 井口止水封堵装置使用方法

3.1 操作步骤

（1）加工好井口控制装置，提前安装好控制阀门，并将阀门处于打开位置。

（2）加工止水器。止水器的具体尺寸要根据使用不同钻机型号决定：法兰外径以小于井口套管内径5～10mm为宜；上下两法兰盘的间距应大于300mm，中间部位将编好的海带填实并绑扎牢固；丝杆有效长度大于500mm；导流出口接排水胶管。

（3）安装止水器。先将井口装置、密封垫片、井口套管法兰依次套入止水器上部并临时固定，将止水器下入井口套管设计位置，密封垫片及井口法兰则临时放置在井口管上端，等待作业连接。

（4）旋转上部螺栓，实现导流管与井口套管环状间隙的密封，热水从导流管内经控制阀门排出。

（5）用割枪割掉井口多余的套管，把套管法兰焊接牢固，并与井口装置加垫密封连接。

（6）提出止水器，热水从控制阀门流出。井口装置的顶部加盖密封，关闭阀门，高温高压地热井实现控制。

3.2 制作及安装注意事项

（1）制作封堵装置时，不同口径的管体应匹配合理，法兰盘的宽度、厚度、螺杆螺帽数量应满足水压强度和安装空间要求；盖板上焊接的丝扣接头应与水压表配套；水压表量程及密封件选材、设置应满足自流井涌水压力要求。

（2）制作止水器时，丝杠、丝母旋转灵活，止水法兰动盘沿管壁母线运动自如，动盘与静盘间距合理，海带编织与捆绑满足临时性止水要求，确保在井口管焊接法兰时，无水流涌出。

（3）井口止水作业采取分步安装。密封件放置到位，螺杆连接件紧固均匀。

4 结语

完井后的自流地热井或常温井，对井口进行封堵止水，实现人工控制井水自流是十分必要的，也是避免地下水资源浪费，顺利实现水井工程移交应完成的本分工作。

我们在该地热井施工项目中，设计制作的井口封堵装置制作简单、操作便易、经济实用，达到了预期的目的，实现了工程的顺利移交，取得了较好的经济效益和市场声誉。