提高地热井固井质量的研究和应用

提高地热井固井质量的研究和应用

申晓璇

山西二建集团有限公司 山西省太原市030000

摘要：地热能是一种埋藏在地下的新型绿色能源，已广泛应用于发电、供暖、医疗、农业等诸多方面。特别是在我国北方，发展迅速，形成了一定的产业规模，具有良好的社会、经济和环境效益。中国地热资源清洁高效、面积广、储量丰富，地热能利用率居世界首位。然而，由于地热资源的特殊性，如何绿色、高效、安全地开发地热资源是我国地热资源开发中亟待解决的热点和难点。

关键词：地热井；施工；地热；钻井；工序；工艺；

近些年来受到社会各界的广泛关注，地热资源在各行各业中得到了广泛应用，因此对于地热井施工工艺相关问题的研究就显得非常重要。通过查阅大量资料，收集和分析前人成果，并结合多年的工作经验，对地热井施工工艺的主要流程和质量控制点进行了分析与研究。

一、地热井施工工艺的质量控制点

地热井施工工艺流程是由很多道工序组成的，而工序不是独立存在的，是由很多因素综合组成的，主要包含管理人员、施工人员、仪器设备、施工材料、施工工艺、施工环境等几个方面，施工工序的质量好坏与否直接关系到地热井的施工工艺质量。因此，必须明确地热井施工工艺流程中的质量控制点，对其进行控制。

二、钻进工艺优化

目前，地热井钻井主要采用钻井液正循环钻进工艺、清水正循环钻进工艺、清水充空气正循环钻进工艺和气举反循环钻进工艺。现场施工时以正循环钻进为主，积极推广使用气举反循环钻进工艺。据初步统计，与钻井液正循环相比，气举反循环的钻进效率提高１～２倍，钻探成本降低１／３，钻头寿命提高１～２倍，出水量增大１／３。

1.钻井液正循环钻进工艺。虽然地热井钻井的钻进工艺较多，但目前还是以正循环钻进为主。钻井液设计和管理工作的关键是，正确处理漏失、井底高温、卡钻事故、腐蚀及环境保护等问题。漏失地层往往是热储地层，也是易发生涌喷的层位。在正常地层压力梯度下，常用钻井液的密度一般为１畅０５～１畅２０kg／L，pH值为９.０～１０.０，黏度为３５～４５s，滤失量不大于５mL。地热井钻井以牙轮钻头为主，个别地区使用PDC钻头。

2.清水正循环钻进工艺。地热井用钻井液钻进热储层段容易污染储层，降低出水量，因此推荐采用清水作为循环介质进行正循环钻进。清水正循环钻进工艺具有钻速快、洗井效果好、保护热储层、对含水层伤害小、对环境无污染和成本低等优点；其缺点是影响井壁的稳定性、携岩能力低和大量岩屑充填在含水层裂隙中影响出水量。

3.清水充空气正循环钻进工艺。由于地热井储层段极易发生漏失，因此采取将空气注入清水中进行欠平衡钻进的技术措施，其优点主要是：１）采用清水充空气形成欠平衡状态，使地层水向井内连续流动，阻止清水进入水层，有利于保护热储层；２）消除压差型漏失；３）降低井筒内液柱压力，可提高钻速；４）消除正压差、不形成滤饼，可有效预防压差卡钻。不足之处是：由于空气在清水中很容易滑脱聚集，因此正常钻进时对钻井施工配合和各工序时间控制的要求很高。例如，接单根时间过长时，环空内钻井液中的空气向上滑脱，形成段塞流，会造成钻井液喷出。

4.气举反循环钻进工艺。气举反循环钻进的优势在于：１）采用反循环建立抽汲负压系统，解决了漏失严重只进不返情况下的钻进问题；２）岩渣屑及流体介质均沿钻具中心通道上返，不与井壁及含水层发生接触，且反循环钻进过程同时是抽水洗井过程，有利于疏通含水层孔隙，简化了抽水洗井工序；３）避免了正循环钻进时流体介质高速上返对井壁的冲蚀，有利于保护井壁、防止坍塌和减少井内事故的发生；４）反循环通道过流断面面积较小，在满足最低气流上返速度的前提下所需压缩气体体积流量小，能够节省设备投资、降低空气压缩机燃油消耗；５）压缩气体、岩渣和钻井液等沿双壁钻具中心通道上返至地表后经排渣管排放到半封闭的箱体中，对环境污染小。该工艺如用清水钻进，还可节约钻井液，钻进过程同时又是洗井过程，与钻井液正循环钻进相比，具有出水量大、洗井时间短、不污染含水层和成井质量好的优点，现场应用效果较好，具有推广应用价值。

三．固井

泵室段底部密封止水方式优化。早期地热井泵室段底部密封止水方式主要是异径连接密封和重叠挤水泥密封。异径连接密封是将泵室管与下部井管使用异径接头连接形成整体管串一次下入，两级井管间无薄弱点重叠挤水泥密封是泵室管（表层套管）与下部井管（技术套管）重叠段采用挤水泥密封。该密封方式不易形成水泥环塞，自流地热井更适合采用技术套管戴帽固井技术。泵室段底部密封止水方式改进为悬挂连接密封，其基本原理就是将下部井管悬挂于泵室管底部，依靠两级井管间的特殊结构实现密封连接。根据密封接触面材料的不同，将其分为橡胶密封与金属密封。悬挂连接采用橡胶密封时，通常是下泵室管底部连接小一级的井管收径头，下部井管顶部连接大一级的井管扩径头，扩径处加设橡胶层坐封于变径锥面处。采用特制的悬挂器可实现悬挂连接金属密封，特制悬挂器由内套和外套２部分组成，内外套均选用高级合金钢锻造而成，可满足底部悬挂4000 m长套管的要求。内套的密封锥面上熔涂10mm厚的铅质，上部加工成反扣扣型，通过特制反扣接头连接钻杆入井，下端与下部井管相连；外套实质上为带内锥面的短节套管，可以连接于泵室段的任何位置。特制悬挂器的内套依靠铅质坐封于外套锥面上，使外套内锥面与内套外锥面配合形成密封连接。悬挂连接水泥密封止水方式是从石油钻井结构中引进过来的，地热井泵室段底部采用悬挂器连接，滤水管以上用水泥封固。这种密封止水效果好，安全可靠，正在现场推广应用。早期二开井身结构地热井开采段顶部采用在套管外设置橡胶托盘（伞式、盂式）或缠牛皮带、海带架桥，利用井壁自行垮塌和缩径的方式形成永久性的天然止水，但这种止水方式可靠性差，难以保证止水质量。目前，滤水管以上部分全部采用油井水泥封固的方式止水。

三、地热井施工工艺的发展建议

1.加强对地热井工程市场的管理。地热勘探是20世纪90年代出现的一个新兴产业，近些年以来发展十分迅速，但是由于有关部门疏于管理、政策执行到位等原因，导致地热井市场出现很多问题，如多头管理、豆腐渣工程、人情工程等。在施工方面，一些技术弱、能力差，甚至都没有相关资质的个人和单位都可以承揽地热井施工工程，很多招标、投标、验收都是形式，严重影响了地热井工程的施工质量，会造成很多问题，如经济损失、环境污染等。因此，有关部门必须加强地热井市场的监管力度。

2.提高施工人员的综合素养。施工人员的专业水平和素养对于地热井施工的质量具有至关重要的作用，因此，必须提高施工人员的综合素养，主要有以下4个方面：①加大施工企业和人员的经济投入，聘用高水平人才；②重视施工人员的培养工作，经常开展专业技能培训和比赛；③加强与科研院校的联系和合作，构建人才培养和来源的新渠道；④建立相应的管理机制和奖惩措施，奖罚分明，提高施工人员的工作积极性，减少施工人才的流失。

3.加强新材料新技术的研究与应用。目前，在地热井施工过程中，地热井经常会出现腐蚀与结垢的现象，究其原因，主要与使用的材料有比较大的关系。例如：碳钢井管，由于这种井管的材质不纯，含有一些杂质，而且井管表面不平，比较粗糙，导致井管遇到地下水时极易形成腐蚀电池，因此，研究人员应该加强新材料、表面处理等相关方面的研究工作。另外，还应该将绿色技术渗透到钻井工程中，尤其是各种新技术的应用和推广，如气举反循环技术、液动潜孔锤技术等，最大限度地减少钻井介质对地下地层的堵塞和污染。与此同时，充分利用各个方面的钻探技术优势，如石油、煤田和水文等。

参考文献：

[1]赵萍.提高地热井固井质量的研究和应用探讨2022

[2]魏浩宇。钻井液正循环地热井施工技术与管理策略.2020.