地熱井，指的是井深3500米左右的地熱能或水溫大於30℃的溫泉水來進行發電的方法和裝置，地熱分高溫、中溫和低溫三類。高於150℃，以蒸汽形式存在的，屬高溫地熱；90℃～150℃，以水和蒸汽的混合物等形式存在的，屬中溫地熱；高於 25℃、低於90℃，以溫水、溫熱水、熱水等形式存在的，屬低溫地熱。2010年3月12日在北京市大興區鳳河營村成功打出一口地熱井，經過測量溫度達到103℃，打破了北京地熱出水溫度的紀錄，成為北京首箇中溫地熱井。
基本介紹
簡介,提高成功率,預判地層,有效防斜,孔斜的預判,孔斜的原因,孔斜的預防,止水質量,鑽井工藝,洗井工藝,工程實例,資源特點,熱儲層的分布,地熱鑽井現狀,主要鑽井設備,鑽機類型,鑽具組合,泥漿泵,固控系統,鑽井工藝方法,鑽井液工藝技術,存在的問題,問題,建議,結語,
簡介
地熱是一種新型的清潔資源和能源，它集熱、礦、水為一體，在洗浴、醫療保健、供暖、發電、種植與養殖、礦泉飲用等領域有著廣泛的套用。
世界能源專家預計，到2100年地熱資源的利用將占世界能源總量的30% ～ 80%。我國對地熱資源的勘探開發與利用始於20世紀70年代。“十五”期間，我國利用遙感技術、地球物理、地球化學、地熱地質、同位素地質和鑽井勘探等多種手段，對國內地熱資源儲量進行了初步查探，確定我國可開採地熱儲量相當於4626. 5億t標準煤。
鑽井是地熱資源重要的勘察手段，了解地熱鑽井現狀及其發展趨勢，對做好地熱勘查工作具有積極作用。
提高成功率
近幾年北京很多深井的施工過程中都碰到了地層預判不準、孔斜、套管事故、卡埋鑽具事故、止水效果不佳、洗井困難等問題，雖然大部分井最後都成功交驗，但施工單位為此也付出了高昂的代價，人力、物力、財力的支出遠遠超出了預算，少數報廢的深井更是造成了巨大的經濟損失。分析這些地熱深井工程出現事故和成井困難的原因，大多是由於前期勘查工作不紮實、對預防事故不夠重視和違章操作引起，也有部分是由於地層賦水條件差等客觀原因所致。如何有效迴避地熱深井施工風險，提高交井成功率成為地熱施工隊伍生存和發展的關鍵。前期勘查論證結果是否可靠，鑽孔質量是否優良，止水是否有效，能否合理保護含水層，洗井工藝是否合理，都是決定地熱井能否成功的關鍵因素。
預判地層
前期勘查論證工作是地熱鑽井設計和施工組織設計的基礎，前期勘查論證工作是否紮實，可行性論證的地熱賦存情況是否真實可靠，直接關係到地熱井鑽井設計的準確性和可行性，也直接決定了該井能否順利成井。
前期勘查論證工作主要是以以往地質工作成果為基礎,結合地面地質調查、物探、化探等多種勘查手段，對擬開採地熱區域地熱賦存情況做出比較準確的描述，分析推測地層層序，目的層埋藏深度、厚度，可能的水溫、水量和水質情況，提出地熱鑽井的最佳井位和設計建議。
有效防斜
孔斜既會導致地熱深井後期施工難度加大，也是產生套管事故和其他鑽井事故的重要原因，要想順利完成施工任務，必須採取有效措施預防孔斜。
孔斜的預判
如果鑽孔已經產生了一定孔斜，必然會導致鑽具在孔內非正常彎曲變形，出現一些不正常的跡象，可以做為判斷是否已經孔斜的依據，一般情況下跡象越明顯時孔斜越嚴重。
(1)鑽具磨損加劇，接頭磨亮或偏磨嚴重；
(2)鑽具升降困難，合立軸困難；
(3)鑽桿折斷事故增多；
(4)鑽進效率降低。
孔斜的原因
(1)地質因素:①第四系砂卵石地層中的漂石、塊石容易造成鑽頭偏移，導致孔斜;②岩石的各向異性和軟硬互層特性，容易造成鑽頭頂層進或順層跑,導致孔斜;③鑽遇較大斷裂構造且鑽桿柱和斷裂面夾角較小時,鑽頭會沿斷裂面前進，造成孔斜。
(2)技術、工藝因素:①設備安裝時地基不穩，或者沒有做到孔口、立軸、天車“三點一線”;②鑽具組合不合理,粗徑鑽具(鑽鋌或加重鑽桿)過少,鑽桿柱剛性不夠;③鑽進過程中使用鑽桿加壓,使得鑽桿柱彎曲點不合理,造成孔斜;④鑽壓不穩,轉速過高;⑤換徑開下一級新孔不帶導向,沒有做到“輕壓慢轉”入岩;⑥錯誤使用扶正器。
孔斜的預防
鑽探施工中預防孔斜措施很多,針對地熱深井施工特點,預防孔斜應注意以下問題:
(1)設備安裝時做到地基穩固,必要時要打水泥基座;嚴格做到孔口、立軸、天車“三點一線”;
(2)儘量採用塔式鑽具組合,配足鑽鋌,保證鑽具同心連線,鑽進過程中嚴禁鑽桿加壓;
(3)換徑開下一級新孔帶導向,做到“輕壓慢轉”入岩;
(4)鑽遇複雜地層時要選擇合理的鑽進參數,操作連續、穩定;
(5)採用“滿眼鑽具”防斜時至少加3個扶正器,和鑽鋌合理連線。
止水質量
止水質量不過關的直接後果就是淺層低溫水從套管搭接部位或其它部位滲入，和目的層熱水組成混合水，滲漏量大時可能完全壓住深層熱水,導致出水溫度遠遠低於目的層的測井溫度,達不到設計要求而不能交井。提高止水質量的關鍵在固井，應做到以下幾點:
(1)地熱井所用套管必須是符合API管材標準J55、K55或N80鋼級的無縫鋼管,螺紋加工符合規範要求。
(2)下套管時至少帶上中下三組扶正器，保證套管居中,管外間隙基本均勻，防止固井時水泥竄槽,影響固井質量。
(3)表層套管必須全孔段管外水泥固井,技術套管視情況可全段封固也可以“穿鞋戴帽”，採用“穿鞋戴帽”法固井時要求從管柱內注水泥，下部水泥漿返高不少於500m,同時要保證“戴帽”質量。固井水泥漿密度在1.85g/cm3以上,候凝時間不少於3d。
(4)固井時漏失地層可能跑漿,造成水泥漿不能返至地面或者套管外水泥漿柱過低,必要時應進行套管外補漿。
(5)替漿時計算好替漿量，嚴防替空，套管內水泥塞長度不少於20m。
鑽井工藝
地熱深井施工中保護好目的層的含水裂隙是成井的關鍵環節，目前地熱施工隊伍絕大多數還是以傳統的泥漿正循環全面鑽進工藝為主，這種工藝給地熱深井後期成井帶來了很多不利因素：一是井深較大時使得在目的層鑽進時泥漿柱壓力過大,容易將泥漿和岩粉壓入賦水裂隙,堵塞出水通道,構造不發育的微細裂隙更容易被堵死;二是泥漿中的纖維素、胺鹽等高分子聚合物和粘土、岩粉在裂隙中形成一種膠結性很強的絡合物,洗井作業很難將其破壞,成為影響出水的致命因素。為了保護好目的層的賦水裂隙,可採取如下措施:
(1)目的層鑽進最好選用氣舉反循環清水鑽進成孔。該技術是地礦部“七五”、“八五”、“九五”科技成果推廣項目,還被列為“國家科技成果重點推廣計畫項目”。目前該工藝已經在水井、水文地質鑽孔施工中等到了廣泛套用和推廣,鑽進深度已經超過3000m,經驗成熟。由於氣舉反循環鑽進可以用清水作為循環介質,而且介質上返速度快，攜帶岩粉能力強，可以很好地保護裂隙不被堵塞，保護含水層，大大降低洗井工作難度。
(2)若取水目的層用泥漿正循環鑽進，鑽井液宜採用無固相輕質泥漿，泥漿漏斗粘度19～ 22s,密度1.05～ 1.10g/cm3，API失水量10～ 15ml/30min,儘量減小泥漿對含水層的破壞作用。
(3)開始取水目的層鑽進前必須做好上部井段的擴孔、下套管和固井等工作,防止擴孔時的大量岩粉、固井作業時的水泥和掃開製做假井底所用木塞產生的木屑進入目的層井段,堵塞含水裂隙。
洗井工藝
目前成熟的洗井工藝很多，但地熱深井洗井工作有其自身特點和複雜性，不能盲目選用洗井手段，措施不當很可能效果不佳甚至起反作用，造成不可彌補的損失,應從以下幾個方面著手擬定洗井方案:
(1)鑽井工作結束後儘快進行洗井作業,防止長時間停待造成泥漿大量浸入裂隙和泥皮大量失水後強度加大,增加洗井工作難度。
(2)開始洗井時首先對目的層井段從上至下清水替漿,替漿要徹底;替完漿後浸泡濃度為8‰的膠磷酸鈉洗井液,浸泡時間24h。
(3)噴槍噴射沖孔，清水替漿，破壞殘餘泥皮，導通部分裂隙。
(4)地熱深井洗井不能過份依賴酸化、二氧化碳和空壓機聯合洗井,拉活塞是最原始也是比較有效的洗井手段之一。如取水層段岩性為灰岩或白雲質灰岩，可進行1～ 2次酸化、二氧化碳和空壓機聯合洗井,如效果不明顯則改為在泵室段用鋼絲繩拉活塞洗井,活塞浸入水位以下40～ 44m為最佳下深,單次抽洗時間以10min左右為宜。
(5)地熱深井洗井作業時根據地層和鑽孔實際情況參考選用壓裂、射孔等工藝，提高出水量。
(6)及時組織試抽水,觀測水溫、水量、水位等指標和水質變化情況,研究制定下一步洗井方案。
工程實例
2004年在北京施工一口地熱深井時，該井設計深度3100m,設計2800m見取水目的層薊縣系霧迷山組白雲岩,設計出水溫度65°C,日出水量1000m3。該井施工過程比較順利,但實鑽地層與設計地層出入很大,經過兩次變更設計,延深至3500m才見到取水目的層薊縣系霧迷山組白雲岩,設計地層與實鑽地層相差700m,該井終孔深度為3958m。較大井深和設計變更的停待使得洗井工作難度非常大,專業作業隊進行鹽酸、二氧化碳和壓風機聯合洗井近20次,水量始終維持在300m3/d左右,採取壓裂、射孔等洗井工藝也未見成效,最後選擇最原始的洗井方法拉活塞,在一開340mm套管中拉活塞近兩個月,水量最終平衡在800m3/d左右,出水溫度83℃ ,基本達到了設計指標,成功交驗。該井僅洗井工作就超過了6個月,施工總工期達到18個月,嚴重虧損,給我公司造成了巨大的經濟損失。
資源特點
貴州省地熱資源分類及分布地熱資源按溫度可分為高溫、中溫和低溫3類;按賦存狀態可分為蒸汽型、熱水型、地壓型、乾熱岩型和岩漿型5類。
貴州省地熱資源屬熱水型低溫地熱資源，其特點是溫度不高( 多為30 ～ 50 ℃) ，分布面積廣，開採價值大。根據其熱儲構造和形成條件，可分為2種類型: 一是受深斷裂和背斜構造控制的對流行熱礦水，二是沉積盆地傳導型熱滷水。除北部習水—赤水一帶，貴州省地熱水均屬於熱滷水。
熱儲層的分布
貴州省熱儲層主要是由碳酸鹽岩與碎屑岩互動更疊組成的多元含水熱流體集儲構造，從元古屆到三疊系，可分為五大儲層，目前正在開發利用的主要是震旦系、寒武—奧陶系2個熱儲構造，其它熱儲層也有少量開採。
貴州省深部地熱儲層一般為碳酸鹽岩地層，溶洞、溶隙、裂隙發育，部分地層含泥質。另外，為保證地層有充分的地下水補給通道，地熱鑽井一般選在構造斷裂帶，熱儲層地層多碎裂，未定性差。在熱儲層鑽井過程中，要保證地層穩定，同時要保證地層和地下水不受污染，對鑽井液要求較高。
地熱鑽井現狀
貴州省地熱資源深 部地 熱鑽井 研究 起始 於2006年，至今已得到一定的發展，但總體來說，無論裝備還是工藝，都還有著極大的提升空間。
井身結構
貴州省地層岩性多變，軟硬不均，溶裂隙發育、破碎，軟硬互層，地質情況複雜，為保證鑽井施工安全順利完成，目前大部分深部地熱井採用三開井深設計，個別鑽井採用四開。隨著鑽井技術的不斷提高，目前已經開始出現兩開的深部地熱鑽井。
為了方便地熱資源的開採，地熱鑽井一般要求終孔直徑≮150 mm，因此貴州省深部地熱鑽井終孔直徑一般為152 mm，開孔直徑則為395或311 mm。
地熱井完井方法主要有裸眼法、襯管( 篩管和濾水管) 法和射孔法3種。貴州省深部地熱鑽井主要採用前2種完井方法。當熱儲層完整堅實，不易垮塌、掉塊時，採用裸眼法完井; 若地層鬆散、易垮塌，則需採用襯管法完井，一般情況下，所用襯管為篩管。
主要鑽井設備
鑽機類型
貴州省深部地熱鑽井普遍採用石油鑽機或水源鑽機，最初使用的是立軸鑽機和轉盤鑽機。但由於立軸鑽機動力小、普通標配的泥漿泵排量偏小，難以滿足深部地熱鑽井的要求，現在基本上都使用的轉盤鑽機。
但轉盤鑽機也存在其缺陷，如導向和定向性能相對較差，轉盤扭矩大，影響了轉速的提高等。
目前貴州省常用的深部地熱鑽井鑽機有RPS系列、SPS系列等幾個系列的類型。目前國內其他部分省份已經開始更新深部地熱鑽井設備，如引進先進的頂驅式鑽機，將石油鑽探與岩心鑽探技術相結合以提高鑽探效率等，但貴州省還未見相關研究信息。
鑽具組合
常規牙輪鑽鑽柱自上而下為方鑽桿、鑽桿、鑽鋌、鑽頭及其間的接頭。方鑽桿為主動鑽桿，由轉盤、方補心通過方鑽桿帶動整個鑽柱旋轉並向下鑽進。鑽鋌壁厚體重，可以給鑽頭提供壓力，減輕鑽頭的振動、擺動和跳動，使鑽頭平穩工作，控制孔斜。
泥漿泵
鑽井液被譽為鑽井的“血液”，而泥漿泵就是鑽井的“心臟”。泥漿泵通過泵送鑽井液維持鑽井液系統的循環。深部地熱鑽井井眼口徑大，岩屑多，岩屑粒徑大，只有使用大泵量、高壓力的泥漿泵才能保證鑽井液排量，提高攜砂能力，保持孔底乾淨，從而減少井內事故，提高鑽井效率。
貴州深部地熱井常用的泥漿泵有QZ3NB － 350型、BW － 1200型、F － 1300型等。深部地熱井泥漿泵的選擇應當向石油鑽井學習，提倡“大馬拉小車”，採用高壓力、大排量鑽進，對提高鑽井效率和經濟效益都有著積極意義。
固控系統
深部地熱鑽井一般採用全面鑽進，岩屑量大，對鑽井液要求高，尤其是使用螺桿鑽具時，必須對鑽井液中的有害固相進行控制和淨化，才能保證螺桿的使用安全和壽命。
當前鑽井行業廣泛使用的固控設備有振動篩、除砂器、除泥器、清潔器、除氣器、離心機等。常規地熱鑽井施工一般主要使用振動篩和旋流除砂器，部分鑽井隊還配備了除泥器。使用螺桿鑽具的地熱井至少使用四級固控，即振動篩、除砂器、除泥器、除氣器。目前常規鑽井的固控已經可以達到鑽井液的使用要求，但螺桿鑽對固控系統的要求還有待提高。
鑽井工藝方法
目前貴州省深部地熱鑽井施工絕大部分採用的是常規的牙輪鑽頭全孔正循環全面迴轉鑽進，鑽頭一般選用三牙輪鑽頭。
常規牙輪鑽進作為目前深部地熱鑽井的主要鑽進方法，其優點在於牙輪鑽頭適用範圍廣，從軟地層到硬基岩均可鑽進，而且該鑽進方法的工藝技術已經基本成熟。但其鑽進速度相對較低，已經不能滿足當前貴州深部地熱鑽井的要求。
近年來，為提高鑽進效率和經濟效益，貴州省各地熱勘察施工隊伍均開始探索更先進的鑽進工藝，如貴州省地礦局111地質大隊曾嘗試使用過氣舉反循環鑽井工藝和螺桿鑽具鑽井工藝，貴州省地礦局114地質大隊在嘗試使用空氣潛孔錘鑽進工藝，另外，欠平衡鑽井工藝也已經進入貴州深部地熱鑽井的研究議程。
這些先進鑽井工藝，有些已經取得一定的成果，有些才剛展開相關研究，總體來說還都不太成熟，但都具有巨大的發展潛力。
鑽井液工藝技術
貴州省深部地熱井鑽井液相關研究目前基本空白，主要有2方面原因: 一是貴州省深部地熱井鑽井隊主要由冷水鑽井隊( 如貴州省地礦局111地質大隊、貴州省地礦局114地質大隊) 轉化而來，隊上缺少鑽井液相關研究人員; 二是前期鑽井隊藉助地礦井的鑽井液使用經驗也能完成鑽井任務，從而沒有太過重視地熱井所需的鑽進液。
目前貴州省深部地熱井使用的鑽井液材料主要為纖維素、植物膠、聚丙烯醯胺、腐植酸鉀、磺化瀝青、重晶石等最常用的幾種添加劑，尚沒有形成有針對性的鑽井液體系。
而貴州地層地質、水文條件極為複雜，地層裂隙溶洞發育、破碎，軟硬互層等，使得鑽井難度急劇提升，近年來有多口井因為地層複雜，鑽井液技術和鑽井工藝落後而影響了施工進度甚至導致施工無法進行。
存在的問題
問題
目前貴州省深部地熱鑽井存在著諸多問題:(1) 鑽井設備相對落後，對設備改造和對先進的鑽井設備引進都還存在;(2) 鑽井工藝主要為單一的常規牙輪鑽頭全孔正循環全面鑽進，其它工藝使用與研究相對不足;(3) 針對貴州地層與鑽井工藝的深部地熱井鑽井液研究太少，應該加強相關研究，形成相關理論與實踐體系;(4) 地熱井固井技術與增產技術的研究也相對落後;(5) 鑽井事故應以預防為主，目前貴州省深部地熱鑽井還未形成相關規範，基本處於遇到事故再處理的狀態。
建議
為提高貴州省深部地熱鑽井鑽探效率和效益，應該在多方面展開研究:
(1) 完善鑽井管理制度，提高鑽井管理能力，使鑽井施工向規範化、正規化發展;
(2) 引進先進的鑽井設備，如引進頂驅鑽機等更先進的鑽機套用於地熱井施工中; 使用液動大鉗等自動化設備代替落後的自由鉗等設備;
(3) 研究在地熱鑽井施工中採用多工藝鑽井技術，在不同情況下使用不同的鑽井工藝，保證鑽井施工始終保持較高的效率，如開孔可採用空氣潛孔錘工藝，淺部乾孔或漏失地層可採用空氣反循環或泡沫鑽井工藝，穩定岩層可採用螺桿鑽具孔底動力鑽井工藝，深部漏失地層可採用氣舉反循環鑽井工藝等;
(4) 研究適應貴州地質情況和鑽井工藝的鑽井液體系。
結語
斜孔鑽進時，由於斜孔特殊的車輪效應使鑽孔軌跡方位易發生向鑽頭自轉方向偏斜，偏斜異常出現孔段往往是地質構造或岩性組合複雜部位。
控制鑽孔偏斜必須從地質設計與施工工藝2方面著手。(1) 礦區詳查—勘探地質設計，可將多數鑽探工程改成在沿脈巷道內施工坑內鑽孔，不僅能節省約一半鑽探工作量，而且減少鑽程是降低偏斜規律對勘探控礦間距的影響最有效的途徑。(2) 施工深孔時，地質設計應根據偏斜規律而預留設計方位角，並在地質柱狀圖上詳細標明引起鑽孔偏斜異常出現的地質構造和岩層部位。(3) 鑽探施工時應合理改進鑽探工藝，減弱甚至抵消偏斜程度，以滿足鑽孔見礦點落在地質設計的允許範圍內。
