维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第７期 ２ＯＯ６年７月 人民黄河 Ｖｏ１．２８．Ｎｏ．７ ＹＥＬ【Ｊ０Ｗ ＲＩＶＥＲ Ｊｕ１．，２ＯＯ６ 【专题研究】 黄河中下游（河南段）地热资源开发技术研究 刘志国，吴青松，周运兴，刘丕新，刘新红 （河南省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队，河南郑州４５００５３） 摘要：介绍了黄河中下游（河南段）千米地热井施工技术２Ｏ多年的发展过程，重点强调了设备机具的配套、钻井参数的 合理选择及后期成井技术的保障措施，指出虽然该区地热资源开发深度已达３ ０００ ｍ，但与国内外先进地区相比技术仍 有差距，须借鉴国内外先进技术、经验。 关键词：地热资源；施工技术；钻井工艺；黄河中下游 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１３７９（２００６）０７－－００６５－９２ 中圈分类号：ＴＶ２１１．１ 黄河中下游（河南段）千米地热井的施工始于２０世纪８ｏ 年代初期，根据施工技术大体上分为３个阶段：１９９５年之前为 技术工艺起步探索期；１９９５～２Ｏ０３年为技术工艺突破与创新 期；２００３年后钻井工艺逐步向石油钻井工艺过渡，成井工艺结 合施工队伍自身优势处于不断的创新且部分技术向石油成井 方面发展。施工深度从当初的千米左右发展到现在的３ ０００余 ｍ。温度从当初的４ｏ℃左右达到现在的９ｏ℃左右。 ２．２钻井方法 （１）钻孔结构…。钻孔结构应根据钻孔深度、孔径、地层特 性、钻井方法、成井结构，按照“安全、合理、经济、实用”的原则 设计。钻孔结构的选择大体经历了三个阶段，已逐渐趋于小型 化、合理化。一般情况下钻孔结构不超过三级。三个阶段的典 型钻孔结构见表１。 表１典型钻孔结构 第一阶段 ０－２００ｍ， ６００ｒａｉｎ ２０－２００ ｍ， ５５０ ｍｍ １地质背景 黄河中下游（河南部分）属中朝准地台的南部，二级分区则 为华北台坳的中南部，由于基底构造及断裂活动影响，形成一 系列次级断（坳）陷盆地和断块隆起。古近系厚度可达５ ０００ ｍ。古近纪以后，本区继续大幅度下沉接受沉积，堆积了厚５００ ～第二阶段 ０—２００ｍ， ６００ｍｍ 第三阶段 ０－２５０ｍ。 ４５０ｍｍ ２０－２５０ ｍ， ４５０ ｍｍ ２５０—１０００ ｍ， ３１１ ｍｍ ２００ ｍ至终孔，中４５０∞２５０ ｍ至终孔。 ３１１ ｍｍ１ ０００ ｍ至终孔，咖２１６ ｍｍ （２）钻进方法。当初普通合金回转钻进及全孔取心等方法 逐渐被旧牙轮钻头全面钻进方法所取代，并逐渐向采用新的牙 １ ０００ ｍ的新近系、第四系松散堆积物。其中新近系地层是 轮钻头与ＰＤＣ钻头联合钻进方向发展 。 （３）钻柱结构。钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组合三 大部分组成，钻柱组合一般应遵循以下两个原则：满足强度（抗 拉强度、抗挤强度）要求，保证钻柱安全工作；尽量减轻整个钻 柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井【２ｊ。 （４）钻井参数 Ｊ。在钻井过程中，钻进的速度、成本和质量 目前本区地热资源开发的主要目的层位。新近系地层自下而 上为：①馆陶组（Ｎｇ），底板埋深开封为ｌ ６８５ ｎｒｌ，郑州为１ ０００～ １ ２Ｏ０ ｍ；②明化镇组（Ｎｍ），厚度为９９Ｏ ｍ左右。 ２钻井工艺 ２．１设备选择 （１）钻机。由当初的岩心钻机过渡到水源１ ０００、２ ０００ ｎｌ 并向石油钻机系列发展。现在的发展趋势是：扭矩及提升力加 大，即钻井配置（储备）能力增强。常用的钻机主要有ＴＳＪ一 ６６Ｏ、ＴＳＪ一２００ｏ、ＣＺ一２０００、ＣＺ一２６Ｏ０、ＧＺ一３０００。 将会受到多种因素的影响和制约，这些因素可分为可控因素和 不可控因素。现已对影响钻井过程中的主要因素（钻压、转速、 水力、钻井液性能、钻头类型等）进行了重点设计和控制。一般 常用的钻井参数为：钻压５～１０ ｋＮ／ｉｎ；转速６０～１８０ ｒ／ｒａｉｎ；泵 量＞１０ Ｌ／ｓ；泵压＞３．０ ＭＰａ。 （５）泥浆选择。就中低温地热而言，一般的钻井液可满足 要求，对于高温（＞ｌ５Ｏ℃）地热井，主要考虑泥浆的抗高温性能， 目前主要选择不分散低固相聚合物泥浆。常用泥浆性能设计为： 黏度２ＩＤ～２５ Ｓ；相对密度１．０５～１．２５；失水量ｌ５～加ｍＬ／３０ ｎａｉｎ； 收稿日期：２００６—０５－２０ （２）泥浆泵。它的选择主要考虑钻孔结构、钻具结构、孔深 及泥浆流速等。从目前实际情况看，排量小、压力低的泥浆泵 逐渐被淘汰，对于水泵的要求均向“大压力、大流量”方向发展， 实现喷射钻井有利于钻速提高及孔内安全。 （３）附属设施。由过去的非常简陋或不完善、不配套逐渐 向合理、配套方向发展。超过１ ５００ ｍ的地热井使用了石油钻塔、 作者简介：刘志国（１９６５一），男，河北元氏人，高级工程师，硕 钻井平台、孔口拧卸装置，配备了较为完善的泥浆处理系统等。 士，从事岩心钻探、地基与基础施工、地热钻井等管理和研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・６６・ 人民黄河 ２００６拄 含沙量＜５％。为了确保泥浆的性能应加强钻井液的维护，有效 使用固控手段。目前常用的方法有“振动筛＋旋流器”和稀释法。 当井深小于１ ５００ ｍ，矿化度不大于３．０ ｇ／Ｌ且水温低于 ５０℃时，选择无缝钢管、直缝钢管或螺旋钢管等；当井深大于 １ ５００ ｍ时，建议使用ＡＰＩ套管；对于具有严重超标而且腐蚀的 地热井，选择井管时要采取防腐措施。一般情况下，下人井内 的材质应统一，避免材质的差异导致自身腐蚀。 随着钻井深度的加大，要强化对泥浆性能的研究和处理工作 。 ３成井工艺 地热井施工中，钻井是基础，成井是关键，二者统一于施工 的全过程。成井工艺应根据不同的地层、井深、钻孔结构、井管 结构、钻机提升力及综合技术处理水平等来选择。 ３．４井管安装¨】 ３．４．１ 井管结构 井管结构的选择力求安全、简单、实用。具体有以下原则： ３．１综合测井 ①对于开采比较稳定的基岩水的地热井，一般井管结构（从下 到上）为沉砂孔段一取水层段（裸眼）一导水管一泵室；②对于 综合测井是现代地热井施工不可缺少的技术要求，应采用 数字化测井技术，根据综合测井资料分析，结合钻进效率，岩样 录井描述，泥浆温度，起下钻前后的水位等情况，划分含水层 段，确定止水位置等。 ３．２破壁与探孔ｕ ３．２．１破壁 一般情况下。破壁时至少采用两种以上的方法，这样对于 打开含水层水力通道是有利的。 （１）破壁器。用小于井眼１００ ｍｍ左右的岩芯管作外管，其 上螺旋状布孔，内管用钻杆组成，内管底部长出外管２００ Ｉｎｌｎ左 右；外管孔布 １８ｒａｍ钢丝绳，使外管连同钢丝绳外径比井径 大２０－４０ Ｉｎｌｎ，即可扎好绑牢。其上部与钻具相接，下人目的 层在泵送冲洗液情况下。反复扫孔，使含水层段的泥皮破坏，及 时调整泥浆性能，降低对含水层的损害程度；同时，注意泵量、 泥浆性能及时间的合理掌握。 （２）破壁枪。破壁枪的使用在于进一步打开含水层的水力 通道。具体方法为：采用比井眼直径小５０—８０ Ｉｎｌｎ的高强度无 缝钢管，其上沿螺旋方向布孔，孔眼大小、数量根据现场泥浆泵 的压力与排量来选择。尽量使破壁枪产生高流速、大压降，形 成的水功率大。用钻具连接下至含水层，打开泥浆泵使破壁枪 冲刷目的层，对于微弱裂隙水层，要掌握冲刷时间与强度。 对于基岩裂隙地热井，为保证冲孔效果，工作结束时，根据 取水段地层特性可压人一定量的酸液。例如，对于砂岩含水层 采用土酸酸化（１０％～１３％ＨＣＬ＋２％～３％ｒｌｒ）以溶解井眼附 近沙粒问的胶结物和部分沙粒，或溶解孔隙中泥质堵塞和其他 结构物，以恢复和提高目的层附近的渗流能力。 ３．２．２探孔 探孔的目的在于进一步检查钻孔是否有超标的弯曲、缩 径、坍塌等不利于下管的部位。探孔时采用长ｌＯ ｉｎ左右的钻 具，从上到下进行通孔，判定整个孔身质量是否能够满足下管 要求。井眼出现异常情况时，应在最短时间内修复。 ３．３过滤器与井管选择【１】 ３．３．１过滤器选择 起步阶段的地热井成井，受技术工艺和思想观念的影响，选 择了笼状滤水管；随着技术的发展和对地层特性认识的不断提高， 使得终孔口径逐渐缩小，现在常用的过滤器主要是桥式过滤器。 ３．３．２井管选择 选择井管应遵循以下原则：①满足抗拉、抗压、抗挤要求； ②抗老化、抗腐蚀；③对地下水不产生污染；④使用寿命长。 全部下人井管的地热井，一般结构（从下到上）为沉砂管一技术 管一过滤器一导水管一泵室。 ３．４．２下入与连接 （１）井管下入。一般分为一次下管和二次下管。黄河中下 游（河南段）千米地热井施工中，前期大多采用了二次下管，由 于二次对接存在质量隐患。因此现在采用一次下管或不同孔段 一次下管；一次下管时，根据情况可采用机械一次法或浮力与 机械相结合的一次下人。 （２）井管连接。一般采用两种方法，即孔口焊接法或丝扣 对接法。孔深小于１ ５００ ｍ的地热井，可使用孔口焊接法；大于 １ ５００ ｍ的井最好采用ＡＰＩ系列套管连接。 ３．５冲孔与填砾ｕ】 ３．５．１ 冲孔换浆 对于松散层施工的地热井一般采用三次冲孔换浆，即测井前、 下管前、下管后；对于基岩地热井，冲孔换浆次数依地层而定。 ３．５．２填砾 （１）动水投砾。指冲洗液在孔内循环状态下从孔口投入砾 料。一般要求冲洗液黏度达到ｌ８ ｓ、相对密度在１．０５左右，把 砾料从孔口均匀填人，速度为３～６ ｒａ ／ｈ。填砾过程中，注意返 水量、压力及冲洗液性能变化并根据情况适当调整。①正循环 投砾：把封隔器下人井底，上部管口密封使冲洗液从沉砂管返 到环空。从环空返到地面，在这样的条件下向孔内投入砾料。 ②反循环投砾：把合适的钻具下人井管内一定深度，组成气举 反循环系统，控制反循环的排量，使冲洗液携带砾料从环空进 入孔内。 （２）砾料跟管法。把适合于地层的砾料事先同过滤器组装 在一起，随井管下人孔内对应含水层。常用组合笼状过滤器或 常温贴砾过滤器。 （３）不填砾技术。随着技术的进一步发展，针对地层特性 研发的无须投入砾料的过滤器即可应用于工程实践。如梯形丝 筛管、纳米技术等。 ３．６止水与固井 ３．６．１ 止水 对于混合取水层的深层地热井下管后的止水是成井后取 得持久性稳定高产的关键。 （１）优质黏土。①黏土球，有人工搓制，直径２５～３０ Ｉｎｌｎ， 阴干后，从孔口投入；②黏土棒，采用机械制作，直径２５ Ｉｎｌｎ，长 度２５～３０ Ｉｎｌｎ，抗侵时间长。在水头压力下自粉自密，一般用 于井深不超过１ ２００ ｍ的地热井。 （下转第７ｌ页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第７期 郭会荣等：三门峡库区上游黄河水与地下水转化量计算 ・７１・ ３１５ ３０５ 暑２９５ ＊ ２８５ ２７５ ２Ｏ０３—１２ ２００６－１２ ２００９－１２ ２０ｌ２一Ｉ２ ０２１５一ｌ２ 时间 图３增加开采１Ｏ年内的远离黄河老水源地观测孔 所处单元水位历时曲线 表２规划扩大开采前后黄河对地下水补排量的比较 万ｍ ／ａ ４结论 （１）＝ｔ－ｉ峡水库上游黄河水位受水库运行影响变化较大， 且河床下存在渗透性差的淤积层，因此不能将黄河处理成流量 和水头边界。用ＭｏｄＦｌｏｗ中的Ｒｉｖｅｒ模块将黄河处理为通用水 头边界，计算的补排量和达西断面法计算结果相近，且现状年 均衡计算结果与实测数据一致，说明参数选择合理。 （２）傍河水源地扩大开采１Ｏ年后黄河附近由于接受黄河 补给，观测孔水位变化趋于稳定，且水位降深小，但远离黄河的 原老水源地超采区，地下水位持续下降。说明靠近黄河的开采 井水量有保证，但由于截取了老水源地的补给量，因此老水源 地的开采方案要适当调整。 （３）傍河水源地扩大开采１Ｏ年后黄河人渗补给增量占增 加开采量的８４．８％，黄河排泄量的减量占增加开采量的８．７％， 而动用的储存量仅占５．Ｏ％。说明开采后主要袭夺黄河水的补 给以及截取向黄河的排泄。 参考文献： 王文科，孔金玲，段磊，等．黄河流域河水与地下水转化关 系研究［Ｊ］．中国科学（Ｅ辑技术科学），２００４，３４（增刊）． ［２］ 赵云章，邵景力，阎振鹏，等．黄河水对两侧地下水补给范 围的初步研究［Ｊ］．人民黄河，２００３，２５（１）． ［３］ 赵云章，邵景力，阎振鹏，等．黄河下游影响带地下水资源评 价及可持续开发利用［Ｍ］．北京：中国大地出版社，２ＯＯ２． ［４］崔亚莉，赵云章，邵景力，等．黄河下游地上悬河段开采条 件下侧渗量变化研究［Ｊ］．水文地质工程地质，２００５， （１）． 【责任编辑赵宏伟】 （上接第６６页） （２）膨胀橡胶¨］。具有优良的弹性、延伸性和膨胀止水性 能，在水中的膨胀率达１５０％以上，膨胀体保持橡胶的弹性和延 伸性，膨胀率不受水质的影响，耐水性、耐化学介质性、耐久性 优良，不含有害物质，无溶胀析出物，不污染环境，在较宽的温 度范围内均可发挥优良的止水性能，耐候性优良。下管时，随 井管一并入孔，形状、尺寸可以自定。 （３）水泥。采用水泥止水时，根据地层特性及井温选择水 泥型号 】。①普通水泥，一般用于井深小于１ ５００ ｍ、水温不超 过５Ｏ℃的地热井；②油井水泥，用于井深大、温度高的地热井， 采用井管内压入或管外压入。 ３．６．２ 固 井 通常情况下，采用钻屑、黏土、碎石等填充环空；随着井深 加大，在“固井”这一环节上建议采用水泥固井；孔深小于１ ５００ ｍ且水温低于５Ｏ℃时，可使用普通水泥；井深大于１ ５００ ｍ且 水温高于５Ｏ℃时，采用油井水泥固井Ｈ 。 ３．７洗井与抽水 （１）洗井。通常采用以下方法：①气举洗井，把合适的钻具 下到一定位置与空压机连接，优点在于钻具可下到含水层部 位；②潜水泵洗井，把潜水泵直接下入泵室内，进行大降深抽 水，达到洗井目的；③喷射洗井，把喷枪下人井内，对准含水层 冲洗；④压水洗井，采用封隔器座封管内某一位置，井口封闭，在 一定压力下向井周注水，疏通含水层；⑤酸化洗井，利用一定浓度、 数量的酸化液，按操作规程压人处理井段，主要用于基岩地层 】。 （２）抽水。按有关要求进行单孔抽水试验，测量水温、水 量、水质、含沙量等技术指标。 ４结语 黄河中下游（河南段）千米地热井施工经历了２０多年的发 展，施工能力、水平在不断提高，不论设备的配置能力，还是技 术水平都有了长足发展；对地层特性的进一步认识及新技术的 推广应用为深层地热井的施工提供了可靠保障；尽管钻井深度 超过３ ０００ ｍ，但与天津、北京等地相比，还有很大差距，须从观 念上有所突破，更须借鉴国内外先进技术、经验为我所用。 参考文献： 刘志国，刘新丽，刘丕新，等．千米地热井施工技术［Ｍ］． 郑州：黄河水利出版社，２００４． ［２］ 陈庭根．钻井工程理论与技术［Ｍ］．东营：石油大学出版社。 ２ＯＯ２． ［３］ 鄢捷年．钻井液工艺学［Ｍ］．东营：石油大学出版社，２００１． ［４］ 李克向．实用完井技术［Ｍ］．北京：石油工业出版社，２ＯＯ２． 【责任编辑赵宏伟】
