地热钻井技术的发展

五彩神牛 · 发表于 2011-3-2 14:32

　　

　　1、井身结构及套管结构：

　　70-80年代井身结构多为：153/8″+81/2″，相应套管结构为103/4″(表层)+51/2″(技套和采水套管)组合。
　　90年代中期至今，随着单井的热储层埋深、岩性、构造等的差异和石油钻井先进技术不断与地热钻井的融合，井身结构也由单一变为因井而宜，多样化并存。常选用的有：
　　A.井身结构：171/2″(表层)+121/4″(置泵段)+81/2″(技套+采水段)
  　　套管结构：133/8″(表套)+103/4″(置泵管)+51/2″(技套+滤水管)
  　　典型井为1994年所完成的“陕西省邮电管理局地热井”。
　　B.井身结构：171/2″(表层)+121/4″(置泵段)+95/8″(技套+采水段)
　　套管结构：133/8″(表套)+103/4″(置泵管)+7″(技套+滤水管)
  　　典型井有1997年所完成的西安市“中国通信建设第二工程局地热井”，1998年完成的渭南华阴市“中国兵器工业零五一基地地热井”等。值得说明的是，当时地热市场上采用A、B两种结构在施中均是分段钻开，分段下套管，最后将技套和滤水管串插入置泵管并重叠一段，用水泥强行自上往下挤入重叠段连接、封固的方法，其弊端有：
　　①.滤水管需插入井底，从而其对位率受制于井底沉砂之多少，难以保证；
　　②.挤水泥固井时水泥浆的压差会加剧水层部位泥浆对水层的污染；
　　③.固井候凝延长了水层部位泥浆静置时间，增加了洗井难度。针对以上弊端，在施工过程中采用了一次连续钻开置泵段和全部采水段，然后将置泵段与采水套管用自行设计的变径装置连接，完钻后一次下入井内的工艺，有效地解决了上述问题，钻成了一批高质量地热井，也使该种工艺成为后来钻凿孔隙型地热中—深井的各家首选方案。
　　C.井身结构：171/2″(表层+置泵段)+95/8″(技套+采水段)
　套管结构：133/8″(表套和置泵管一体)+7″(技套和滤水管)
  　　该方案是基于地热深井泵泵体，功率不断增大而改型的，在实施过程中，置泵管与水层套管之间三普自行设计了套管悬挂装置和软金属密封装置，有效地避免了前述I、H普通方案中的问题，该方案在完成的“陕西省省委地热井”中取得了巨大成功。
　　D.井身结构：171/2″(表层)／121/4″(置泵段)+95/8″(技套段) +81/2″(采水段)
  　　套管结构：133/8″(表套)／103/4″(置泵室)+7″(技套)+81/2″(裸眼采水段)
  　　该方案用于基岩采水层地热井，典型利用为西安市临潼区“骊山微电子公司地热井”。2001年后在北京施工的地热井也多采用类似方案。
　　2、钻井工艺
　　占领地热市场开发市场优势在于将石油钻井中先进、成熟的工艺与相关水文、地热施工进行了有机地结合。充分利用现有设备，优选钻头和机械参数，积极推广和采用近喷射钻井，大大提高了钻井效率，缩短了建井周期。1994年西安地热市场主要由水文钻机占领，钻井速度慢，风险大，半年一口井，台月效率不足500米，而石油钻机创造了17天完成2013米，28天完成全部测试工作的记录，台月效率提高到3300多米，机械钻速提高到8-10m/h。从工程质量到成井水温、水量指标均远超合同指标。
　　2)引进科学的泥浆工艺
　　在地热开发中，一进入既摒弃水井市场通行的“坂土+碱”原始分散型泥浆，针对不同地层采用科学的泥浆配方，引进近平衡钻井和完井液概念，有目的使用了细分散、不分散低固相聚合物泥浆、抗高温泥浆，在目的层尽量降低泥浆比重，达近平衡钻进。
　　1998年华阴施工的“零五一”地热井中，吸取邻井由于地层污染导致废井的教训，在钻遇目的层及完井过程中，坚持使用低固相、低密度不分散聚合物钻井和完井液，确保了施工顺利和水层保护，使该井成为所在工区第一口高温高产地热井。
　　1999年随着地热井的不断加深，井底温度急剧增高，在施工陕西省委地热井中出现了泥浆在井底高温高压下变质、变性的问题，在紧接着施工的“中国兵器工业二0六研究所地热井”中，到3000米以下目的层井段，及时更换了抗高温泥浆，在完钻后泥浆井内静置4天以上时间情况下，性能并无重大变化，确保了3400米套管不到24小时全部顺利入井。
　　3．完井工艺
　　70-0年代，由于非专业从事地热钻探，所发现地热井均沿用水井完井方式，水层采用笼式过滤管入井后投填砾料，止水采用投泥球封隔止水的古老方式。
  90年经过对水井完井工艺的研究，结合石油完井工艺，针对不同水层采用：包网缠丝滤水管、不包网缠丝滤水管完井(大多数孔隙型地热井)、裸眼完井(基岩、裂隙-溶洞型热储，如骊山微电子公司地热井”北京白云岩裂隙—溶洞型热储)、滤水管+射孔等完井方式，均获得了理想的产量。止水方式完善了传统止水装置，改进为海带加伞状橡胶加金属托盘的混合止水器，针对地热井多为大段混合开采的特点，在单个水层顶部又增加了伞状防塌装置，确保了每个水层的畅通和寿命。
　　4．洗井工艺
　　原始的水井洗井就是反复抽吸。在地热洗井中逐步引入高压喷射冲洗，活塞抽吸(如省邮电局地热井)，压风机气举洗井(陕西省185煤田地质队地热井)，二氧化碳气举、酸化(北京地热井)，高能气体压裂(二零六地热井)，这些方法针对不同井场产生了良好的效果。
　　地热是一种清洁、环保的绿色能源，我国地热资源储量丰富，从国家和世界范围分析，地热有望成为绿色能源的生力军。我国经济发达地区如北京、天津地热已被广泛开发、利用，
已开始将资源优势转化为产业优势。地热钻井技术通过不断研究、探索，特别是在安全钻井、水层保护、完井方式、洗井作业、随钻分析、判断等方面加强研究和改进，逐步完善成系统化、多样化，能适应不同地质条件的钻井技术方法和工艺技术，利用石油钻探技术优势开发地热开发资源，地热钻井必将成为未来能源一大支柱产业。

一、岩石的机械性质

1、岩石的机械性质

　　⑴岩石的强度：岩石的强度是指抵抗外力破坏的能力。

　　⑵硬度：岩石的硬度是指岩石抗压入的极限强

　　⑶岩石的塑性：在外力作用下，岩石破碎前呈现永久变形的性质叫岩石的塑性。

　　⑷岩石的研磨性：钻头破碎岩石的同时，其本身也受到岩石磨损，这种岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。

　　⑸岩石的可钻性：是指在一定条件下，钻进岩石的难易程度。也可理解为钻进过程中岩石抗破碎强度的大小。

　　2、岩石性质对钻井的影响

　　其影响主要表现在：影响钻进速度与钻头进尺：使钻进过程中出现井漏、井喷、卡钻等复杂情况：钻井液受到污染，性能变坏，井径不规则，进而影响到测井、固井等。

　　⑴粘土岩层。泥岩和页岩一般较软，钻速快，但容易产生钻头泥包。这种地层极易吸收钻井液中的自由水而膨胀，导致井径缩小。随着浸泡时间的延长，井壁会产生垮塌现象，井径扩大。

　　⑵砂岩层。砂岩一般来说是较好的渗透层，在井壁上易形成较厚的滤饼，易引起泥饼粘附卡钻。另外滤饼对测井也有影响，所以必须使用优质钻井液。

　　⑶砾岩层。在砾岩层中钻进易发生跳钻、蹩钻和井壁垮塌。