对地热井成井工艺技术的探讨与认识

 自1998 年以来，我们先后钻凿了40 多眼地热井，井深从2000m 至4080m 不等， 井口出水温度48℃至119℃。12 年来，围绕着保质量、树信誉、保生存第一的目标，坚持实践中找难点，从难点中找办法，历经艰难曲折，不断探索和积累经验，逐步在钻井工程、完井工艺、热储层保护和试水工艺技术方面取得了新的突破， 在实际应用中成效显著。

 

  1998 ～ 2005 年7 年间，在成功钻凿20 余口地热井，取得了良好的社会效益和经济效益的基础上。自2006 年以来，围绕优质快速钻井和确保地热井水温、水量指标这一中心，大胆进行科技创新，建立和不断完善裸眼滤水管成井、联体伞式止水器止水、泵室段与技术套管穿袖封固连接以及高压空气压缩机洗井四大技术，取得了重要进展。同期在陕西关中地区共钻凿地热井24 眼，居本区各地热井钻井公司之首。在实现设备更新换代，队伍技术素质和管理水平提高的同时，瞄准全国《可再生能源中长期发展规划》中明确地热新能源发展的宏伟目标，为建立和完善具有我国特色的地热井工艺技术中找到自己的位置和发展空间。

 

  1 裸眼滤水管成井

 

  1. 1 裸眼滤水管成井由来

 

  一直以来，很多人都认识到渭河盆地第三系地层不会有流动的砂子，但传统的地热井成井工艺要求地热井的滤水管必须包网缠丝。地热井的投资很高，如果采用裸眼滤水管成井，一旦采出地热水中砂子源源不断涌出，不但管理部门不予验收，甲方也不会接受，施工方得不偿失。因此，一直以来没有人对渭河盆地内地热井采用裸眼滤水管成井。

 

  我们采用裸眼滤水管成井最早是在2006 年10月咸阳绿源公司的WR2 号井，缘于一次偶然的机会。当时该井井深2600m，起初准备了500m 的缠丝包网滤水管，与以往的地热井比较，滤水管可谓富富有余了， 可是经测井后发现， 含水层厚度在600m 多，对滤水管包网缠丝已来不及了，因为施工区的裸眼井是不能久等的，时间长了不仅会对井身安全造成威胁，亦会污染热储层。根据以往我们对滤水管的认识和93 年在华阴秦岭电厂水源地24号井修井经验(93 年在华阴秦岭电厂水源地24 号井修井时，发现包网缠丝的滤水管是短命的，仅10个月就冲断，我们将下入的滤水管拔出， 发现有2m 的滤水管缠丝被冲断了，有的则像发丝一样连着，而更多的滤水管完好如初亮泽犹在。分析原因有二: 一是该井原始成井时下部的水层根本没有洗开，只有上部水层出水，冲刷集中所致; 二是传统的打眼缠丝是短命的) ; 结合以往的成井经验，经与甲方协商同意，我们在500m 以外下入裸眼滤水管。后经抽水试验证明，地热井产出地热水没有出砂，后续使用情况良好。因为地热井不投砾，环空是上下畅通的，虽然下部没有缠丝亦说明上部不出砂。根据这口井的经验，在以后地热井中就大胆的全井段裸眼成井，不再对滤水管包网缠丝。

 

  1. 2 缠丝包网滤水管成井缺陷

 

  从已有的地热井使用情况分析，多数缠丝包网滤水管地热井在使用一年后会出现出砂情况，影响地热井的正常使用。从砂的岩性分析，为上部第四系松散地层，分析原因是由于止水器的直径大于钻头，止水器在下入井内通过上部砂层时刮割下去所致，这些砂子由于缠丝包网的原因在洗井过程中被阻隔至滤水管以外，使用一年后，随着丝网损坏而使得砂涌入井内。一方面影响地热井的正常使用，另一方面，由于丝网的阻挡使得地热井在洗井时不能将砂粒彻底洗清，砂粒在丝网外的阻隔加大了地热水进入滤水管时的阻力， 影响地热井的正常出水。加之滤网缠丝亦会腐蚀生锈，在水的冲力不足以将其冲开的情况下，会严重阻水，使水位下降、温度降低、流量减少。

 

  1. 3 裸眼滤水管成井优势

 

  在第三系砂岩热储层中采用裸眼滤水管成井，可以在洗井过程中，一次性将井洗清， 将砂粒携出，不会出现地热井在使用过程中出砂问题。至今在已使用的21 口地热井中，都非常成功。以沁园花都小区地热井为例，该井井深3550m，采用裸眼滤水管成井，成井后自流水量110. 56m3 / h， 井口水温110℃，该井自2006 年12 月成井后，在使用过程中，运行良好，未出现出砂现象。

 

  2 联体伞式止水器的应用

 

  2. 1 传统止水方法的缺陷

 

  地热井的高低温分隔器称止水器，在成井中非常重要。渭河盆地内地热井成井中，止水时通常采用与冷水井一样的止水方法，将止水材料( 海带、牛皮等) 分别或联合包裹在止水套管外壁，后利用这些材料的膨胀性达到止水目的。这些止水材料极易磨损，且很快烂掉， 使用寿命短， 使用不方便，止水效果不好。使用传统止水方法地热井不能得到持久稳定的高产水温和水量， 且一旦这些材料烂掉，深层高温水浸入浅层饮用水层会污染浅层饮用水层。尤其是高压自流井成井后，都有管道连接泵房，这时关井后的压力足以将临时止水层冲开。

 

  2. 2 橡胶伞式止水器在地热井中应用缺陷

 

  最初我们制作橡胶伞式止水器将橡胶皮碗一个个的穿在套管上，穿的时候容易损坏， 尤其在冬季，实施难度很大。可是入井后遇热( 泥浆温度50 ～ 60℃) 下行时，受到反推力的作用就很难确定止水器是否还在原设计的位置上。这个问题在向阳公司地热井修复时被证实了。

 

  向阳公司地热井井深1600m，泵室段有效深度200m，内径只有200mm。通过井下电视清楚地发现井壁管从80m 到200m，被钻杆由窄到宽，由浅到深，磨出了一条槽子，像是用刨床刨过一样。根据此情况， 在允许下泵的情况下， 补一套190mm本体车口连接的管子，并在底部焊接了一段车尖的139. 7mm 的套管， ( 原井下部是139. 7 套管接箍)考虑到插接的严密性和永久性， 在距插接处以上2m 做了一个“气门芯”，把190mm 的套管外车了一道3cm 宽2mm 深的槽子， 在槽子里对称打了4个10mm 的眼，槽子内套了一段直径100mm 的微型车内胎，严丝合缝，紧固密封性很好。准备与变径口的接箍插接后， 堵住下部井口， 向井内注水泥浆，水泥浆从4 个眼里流出，而不能回流，以求永久封固。当时把井下电视从190 管内下去看着对接，经过长时间的努力一直无法插接，因为下部变径套管口是偏心的，靠到一边，在局限的空间根本无法对接。( 从中我们掌握了二开的井眼是不会居中的，在连接时应留有空间。) 只好改成偏心接头再对接。提出后发现橡胶圈不见了，后打捞上来再套上，结果是橡胶圈比190 管子大了许多。从中发现是橡胶遇热膨胀后固化了，在常温下不能恢复。

 

  2. 3 联体伞式止水器在地热井中应用

 

  根据向阳公司地热井修井实践，我们开始研究怎样能使橡胶固定在套管上， 从2000 年一直到2005 年才掌握了橡胶硫化原理，并了解到橡胶在井下封闭情况下50 年不变质和可添加耐高温材料的特性，终于研制出了硫化在套管上的联体伞式止水器。2006 年申报了专利，一年后国家下发了实用新型专利证书( 专利号: ZL 2006 2 0079756. 0)。

 

  止水器由生橡胶通过高温锅炉，硫化在地热井套管本体上，然后根据钻孔直径上车床，车出非常规格的联体伞式止水器，使用时，通过伞式止水器两端的套管丝扣直接与地热井套管连接下入井内，使用方便。

 

  止水器在制作过程中，添加耐磨剂和耐高温材料以保证其遇高温不变形。下井过程中不会因与井壁摩擦而损坏，而且因止水橡胶非常牢固地硫化在地热井套管本体上，下井过程中不会出现受到反推力作用致止水器偏离设计止水位置的问题。

 

  3 穿袖连接封固泵室段与下部技术套管

 

  泵室段与下部技术套管的连接在西安地区多是用穿袖水泥封固，也有采取悬挂器连接的。

 

  采用水泥封固法有两大不足: 一是没有止水器的纯水泥封固要等水泥完全凝固后方能进行洗井作业，这样泥浆在井内静止时间过长，可能会造成部分水层的堵塞而不能出水，影响地热井的产出; 二是水泥量的多少很难掌握，水泥量少，不能达到封固效果，量大往往将钻杆一起凝固，严重者将造成地热井报废( 临潼就有一例)。

 

  悬挂器是油田上常用的成熟产品，用在地热井上是否稳妥，笔者认为值得商榷。原因有两点，其一是母悬挂器是下在泵室段尾管上，泵室段一般深400m 至450m，井斜要求不超过1°，即使0. 5°的偏差，从地面到450m 水平位移已经3. 9m; 若是1°偏差，水平位移7. 8m。在下部的2000m 或更深的钻进过程中，钻具都要经过它，磨损它。以3000m 的井为例，不算钻铤，光钻杆就重达105t，PDC 钻头加压不超过5t，这样在钻进中100t 的悬重使钻具对突出点靠得更紧， 磨损会加快，尤其是起下钻时( 向阳公司的井就是例证)。这样，即使母悬挂器能起到悬挂的作用但密封的作用就很难得到保证。建井初期，稠泥浆可以起到密封作用，但随着时间延长，经过建泵房关井，压力会把磨损处冲开，地热水将会流失并将污染浅层地下水; 其二是表层套管的强度将受到挑战， 以外径为177. 8mm， 壁厚9. 19mm，长度3100m 的套管为例，套管重达120t，全部重量悬挂在J55 钢级的表层套管上是很危险的。如果一半重量悬挂于套管上，另外一半重量交给井底，热水洗出后，管体受热膨胀，悬挂器的密封效果降低，后果令人耽忧。

 

  在实践中，我们采用硫化在套管上的联体伞式止水器有两个，中间间隔20m，内填充少量建筑水泥和止水材料，下完套管就可以直接洗井，利用空压机快速洗井法，在水泥还没有凝固时，套管受热膨胀产生的应力得到释放。这样有效达到了止水目的。在所使用的30 余口地热井中，井井成功。

 

  4 地热井洗井

 

  4. 1 常规洗井方法的劣势

 

  地热井洗井是成井工艺中的一个重要环节，洗井的目的是彻底清除井内泥浆，破坏井壁泥皮，抽出渗入含水层的泥浆和细小颗粒［1］，消除钻井过程中的泥浆对热储层的影响，洗出渗入热储层中的细小颗粒，使得热储层恢复其天然特性，洗井的好坏直接影响地热水的产出状况。

 

  目前陕西关中地区地热洗井时大都是使用泥浆泵，先用稀泥浆逐渐替换清水洗井。虽然可行但不经济，耗时、耗水，多则十几天，少则也要7 天左右，洗井时间一长，不仅成本增加，而且泥浆在井内的滞留必将污染热储层，影响地热井的产出; 且采用该法洗井，很难在短时期内将井彻底洗开，对地热井出水有影响。

 

  4. 2 高压空气压缩机负压洗井

 

  本体车口连接的管子，并在底部焊接了一段车尖的139. 7mm 的套管， ( 原井下部是139. 7 套管接箍)考虑到插接的严密性和永久性， 在距插接处以上2m 做了一个“气门芯”，把190mm 的套管外车了一道3cm 宽2mm 深的槽子， 在槽子里对称打了4个10mm 的眼，槽子内套了一段直径100mm 的微型车内胎，严丝合缝，紧固密封性很好。准备与变径口的接箍插接后， 堵住下部井口， 向井内注水泥浆，水泥浆从4 个眼里流出，而不能回流，以求永久封固。当时把井下电视从190 管内下去看着对接，经过长时间的努力一直无法插接，因为下部变径套管口是偏心的，靠到一边，在局限的空间根本无法对接。( 从中我们掌握了二开的井眼是不会居中的，在连接时应留有空间。) 只好改成偏心接头再对接。提出后发现橡胶圈不见了，后打捞上来再套上，结果是橡胶圈比190 管子大了许多。从中发现是橡胶遇热膨胀后固化了，在常温下不能恢复。

 

  2. 3 联体伞式止水器在地热井中应用

 

  根据向阳公司地热井修井实践，我们开始研究怎样能使橡胶固定在套管上， 从2000 年一直到2005 年才掌握了橡胶硫化原理，并了解到橡胶在井下封闭情况下50 年不变质和可添加耐高温材料的特性，终于研制出了硫化在套管上的联体伞式止水器。2006 年申报了专利，一年后国家下发了实用新型专利证书( 专利号: ZL 2006 2 0079756. 0)。

 

  止水器由生橡胶通过高温锅炉，硫化在地热井套管本体上，然后根据钻孔直径上车床，车出非常规格的联体伞式止水器，使用时，通过伞式止水器两端的套管丝扣直接与地热井套管连接下入井内，使用方便。

 

  止水器在制作过程中，添加耐磨剂和耐高温材料以保证其遇高温不变形。下井过程中不会因与井壁摩擦而损坏，而且因止水橡胶非常牢固地硫化在地热井套管本体上，下井过程中不会出现受到反推力作用致止水器偏离设计止水位置的问题。

 

  3 穿袖连接封固泵室段与下部技术套管

 

  泵室段与下部技术套管的连接在西安地区多是用穿袖水泥封固，也有采取悬挂器连接的。

 

  采用水泥封固法有两大不足: 一是没有止水器的纯水泥封固要等水泥完全凝固后方能进行洗井作业，这样泥浆在井内静止时间过长，可能会造成部分水层的堵塞而不能出水，影响地热井的产出; 二是水泥量的多少很难掌握，水泥量少，不能达到封固效果，量大往往将钻杆一起凝固，严重者将造成地热井报废( 临潼就有一例)。

 

  悬挂器是油田上常用的成熟产品，用在地热井上是否稳妥，笔者认为值得商榷。原因有两点，其一是母悬挂器是下在泵室段尾管上，泵室段一般深400m 至450m，井斜要求不超过1°，即使0. 5°的偏差，从地面到450m 水平位移已经3. 9m; 若是1°偏差，水平位移7. 8m。在下部的2000m 或更深的钻进过程中，钻具都要经过它，磨损它。以3000m 的井为例，不算钻铤，光钻杆就重达105t，PDC 钻头加压不超过5t，这样在钻进中100t 的悬重使钻具对突出点靠得更紧， 磨损会加快，尤其是起下钻时( 向阳公司的井就是例证)。这样，即使母悬挂器能起到悬挂的作用但密封的作用就很难得到保证。建井初期，稠泥浆可以起到密封作用，但随着时间延长，经过建泵房关井，压力会把磨损处冲开，地热水将会流失并将污染浅层地下水; 其二是表层套管的强度将受到挑战， 以外径为177. 8mm， 壁厚9. 19mm，长度3100m 的套管为例，套管重达120t，全部重量悬挂在J55 钢级的表层套管上是很危险的。如果一半重量悬挂于套管上，另外一半重量交给井底，热水洗出后，管体受热膨胀，悬挂器的密封效果降低，后果令人耽忧。

 

  在实践中，我们采用硫化在套管上的联体伞式止水器有两个，中间间隔20m，内填充少量建筑水泥和止水材料，下完套管就可以直接洗井，利用空压机快速洗井法，在水泥还没有凝固时，套管受热膨胀产生的应力得到释放。这样有效达到了止水目的。在所使用的30 余口地热井中，井井成功。

 

  4 地热井洗井

 

  4. 1 常规洗井方法的劣势

 

  地热井洗井是成井工艺中的一个重要环节，洗井的目的是彻底清除井内泥浆，破坏井壁泥皮，抽出渗入含水层的泥浆和细小颗粒［1］，消除钻井过程中的泥浆对热储层的影响，洗出渗入热储层中的细小颗粒，使得热储层恢复其天然特性，洗井的好坏直接影响地热水的产出状况。

 

  目前陕西关中地区地热洗井时大都是使用泥浆泵，先用稀泥浆逐渐替换清水洗井。虽然可行但不经济，耗时、耗水，多则十几天，少则也要7 天左右，洗井时间一长，不仅成本增加，而且泥浆在井内的滞留必将污染热储层，影响地热井的产出; 且采用该法洗井，很难在短时期内将井彻底洗开，对地热井出水有影响。