自1998 年以來，我們先后鉆鑿了40 多眼地熱井，井深從2000m 至4080m 不等， 井口出水溫度48℃至119℃。12 年來，圍繞著保質量、樹信譽、保生存第一的目標，堅持實踐中找難點，從難點中找辦法，歷經艱難曲折，不斷探索和積累經驗，逐步在鉆井工程、完井工藝、熱儲層保護和試水工藝技術方面取得了新的突破， 在實際應用中成效顯著。

 

  1998 ～ 2005 年7 年間，在成功鉆鑿20 余口地熱井，取得了良好的社會效益和經濟效益的基礎上。自2006 年以來，圍繞優質快速鉆井和確保地熱井水溫、水量指標這一中心，大膽進行科技創新，建立和不斷完善裸眼濾水管成井、聯體傘式止水器止水、泵室段與技術套管穿袖封固連接以及高壓空氣壓縮機洗井四大技術，取得了重要進展。同期在陜西關中地區共鉆鑿地熱井24 眼，居本區各地熱井鉆井公司之首。在實現設備更新換代，隊伍技術素質和管理水平提高的同時，瞄準全國《可再生能源中長期發展規劃》中明確地熱新能源發展的宏偉目標，為建立和完善具有我國特色的地熱井工藝技術中找到自己的位置和發展空間。

 

  1 裸眼濾水管成井

 

  1. 1 裸眼濾水管成井由來

 

  一直以來，很多人都認識到渭河盆地第三系地層不會有流動的砂子，但傳統的地熱井成井工藝要求地熱井的濾水管必須包網纏絲。地熱井的投資很高，如果采用裸眼濾水管成井，一旦采出地熱水中砂子源源不斷涌出，不但管理部門不予驗收，甲方也不會接受，施工方得不償失。因此，一直以來沒有人對渭河盆地內地熱井采用裸眼濾水管成井。

 

  我們采用裸眼濾水管成井最早是在2006 年10月咸陽綠源公司的WR2 號井，緣于一次偶然的機會。當時該井井深2600m，起初準備了500m 的纏絲包網濾水管，與以往的地熱井比較，濾水管可謂富富有余了， 可是經測井后發現， 含水層厚度在600m 多，對濾水管包網纏絲已來不及了，因為施工區的裸眼井是不能久等的，時間長了不僅會對井身安全造成威脅，亦會污染熱儲層。根據以往我們對濾水管的認識和93 年在華陰秦嶺電廠水源地24號井修井經驗(93 年在華陰秦嶺電廠水源地24 號井修井時，發現包網纏絲的濾水管是短命的，僅10個月就沖斷，我們將下入的濾水管拔出， 發現有2m 的濾水管纏絲被沖斷了，有的則像發絲一樣連著，而更多的濾水管完好如初亮澤猶在。分析原因有二: 一是該井原始成井時下部的水層根本沒有洗開，只有上部水層出水，沖刷集中所致; 二是傳統的打眼纏絲是短命的) ; 結合以往的成井經驗，經與甲方協商同意，我們在500m 以外下入裸眼濾水管。后經抽水試驗證明，地熱井產出地熱水沒有出砂，后續使用情況良好。因為地熱井不投礫，環空是上下暢通的，雖然下部沒有纏絲亦說明上部不出砂。根據這口井的經驗，在以后地熱井中就大膽的全井段裸眼成井，不再對濾水管包網纏絲。

 

  1. 2 纏絲包網濾水管成井缺陷

 

  從已有的地熱井使用情況分析，多數纏絲包網濾水管地熱井在使用一年后會出現出砂情況，影響地熱井的正常使用。從砂的巖性分析，為上部第四系松散地層，分析原因是由于止水器的直徑大于鉆頭，止水器在下入井內通過上部砂層時刮割下去所致，這些砂子由于纏絲包網的原因在洗井過程中被阻隔至濾水管以外，使用一年后，隨著絲網損壞而使得砂涌入井內。一方面影響地熱井的正常使用，另一方面，由于絲網的阻擋使得地熱井在洗井時不能將砂粒徹底洗清，砂粒在絲網外的阻隔加大了地熱水進入濾水管時的阻力， 影響地熱井的正常出水。加之濾網纏絲亦會腐蝕生銹，在水的沖力不足以將其沖開的情況下，會嚴重阻水，使水位下降、溫度降低、流量減少。

 

  1. 3 裸眼濾水管成井優勢

 

  在第三系砂巖熱儲層中采用裸眼濾水管成井，可以在洗井過程中，一次性將井洗清， 將砂粒攜出，不會出現地熱井在使用過程中出砂問題。至今在已使用的21 口地熱井中，都非常成功。以沁園花都小區地熱井為例，該井井深3550m，采用裸眼濾水管成井，成井后自流水量110. 56m3 / h， 井口水溫110℃，該井自2006 年12 月成井后，在使用過程中，運行良好，未出現出砂現象。

 

  2 聯體傘式止水器的應用

 

  2. 1 傳統止水方法的缺陷

 

  地熱井的高低溫分隔器稱止水器，在成井中非常重要。渭河盆地內地熱井成井中，止水時通常采用與冷水井一樣的止水方法，將止水材料( 海帶、牛皮等) 分別或聯合包裹在止水套管外壁，后利用這些材料的膨脹性達到止水目的。這些止水材料極易磨損，且很快爛掉， 使用壽命短， 使用不方便，止水效果不好。使用傳統止水方法地熱井不能得到持久穩定的高產水溫和水量， 且一旦這些材料爛掉，深層高溫水浸入淺層飲用水層會污染淺層飲用水層。尤其是高壓自流井成井后，都有管道連接泵房，這時關井后的壓力足以將臨時止水層沖開。

 

  2. 2 橡膠傘式止水器在地熱井中應用缺陷

 

  最初我們制作橡膠傘式止水器將橡膠皮碗一個個的穿在套管上，穿的時候容易損壞， 尤其在冬季，實施難度很大。可是入井后遇熱( 泥漿溫度50 ～ 60℃) 下行時，受到反推力的作用就很難確定止水器是否還在原設計的位置上。這個問題在向陽公司地熱井修復時被證實了。

 

  向陽公司地熱井井深1600m，泵室段有效深度200m，內徑只有200mm。通過井下電視清楚地發現井壁管從80m 到200m，被鉆桿由窄到寬，由淺到深，磨出了一條槽子，像是用刨床刨過一樣。根據此情況， 在允許下泵的情況下， 補一套190mm本體車口連接的管子，并在底部焊接了一段車尖的139. 7mm 的套管， ( 原井下部是139. 7 套管接箍)考慮到插接的嚴密性和永久性， 在距插接處以上2m 做了一個“氣門芯”，把190mm 的套管外車了一道3cm 寬2mm 深的槽子， 在槽子里對稱打了4個10mm 的眼，槽子內套了一段直徑100mm 的微型車內胎，嚴絲合縫，緊固密封性很好。準備與變徑口的接箍插接后， 堵住下部井口， 向井內注水泥漿，水泥漿從4 個眼里流出，而不能回流，以求永久封固。當時把井下電視從190 管內下去看著對接，經過長時間的努力一直無法插接，因為下部變徑套管口是偏心的，靠到一邊，在局限的空間根本無法對接。( 從中我們掌握了二開的井眼是不會居中的，在連接時應留有空間。) 只好改成偏心接頭再對接。提出后發現橡膠圈不見了，后打撈上來再套上，結果是橡膠圈比190 管子大了許多。從中發現是橡膠遇熱膨脹后固化了，在常溫下不能恢復。

 

  2. 3 聯體傘式止水器在地熱井中應用

 

  根據向陽公司地熱井修井實踐，我們開始研究怎樣能使橡膠固定在套管上， 從2000 年一直到2005 年才掌握了橡膠硫化原理，并了解到橡膠在井下封閉情況下50 年不變質和可添加耐高溫材料的特性，終于研制出了硫化在套管上的聯體傘式止水器。2006 年申報了專利，一年后國家下發了實用新型專利證書( 專利號: ZL 2006 2 0079756. 0)。

 

  止水器由生橡膠通過高溫鍋爐，硫化在地熱井套管本體上，然后根據鉆孔直徑上車床，車出非常規格的聯體傘式止水器，使用時，通過傘式止水器兩端的套管絲扣直接與地熱井套管連接下入井內，使用方便。

 

  止水器在制作過程中，添加耐磨劑和耐高溫材料以保證其遇高溫不變形。下井過程中不會因與井壁摩擦而損壞，而且因止水橡膠非常牢固地硫化在地熱井套管本體上，下井過程中不會出現受到反推力作用致止水器偏離設計止水位置的問題。

 

  3 穿袖連接封固泵室段與下部技術套管

 

  泵室段與下部技術套管的連接在西安地區多是用穿袖水泥封固，也有采取懸掛器連接的。

 

  采用水泥封固法有兩大不足: 一是沒有止水器的純水泥封固要等水泥完全凝固后方能進行洗井作業，這樣泥漿在井內靜止時間過長，可能會造成部分水層的堵塞而不能出水，影響地熱井的產出; 二是水泥量的多少很難掌握，水泥量少，不能達到封固效果，量大往往將鉆桿一起凝固，嚴重者將造成地熱井報廢( 臨潼就有一例)。

 

  懸掛器是油田上常用的成熟產品，用在地熱井上是否穩妥，筆者認為值得商榷。原因有兩點，其一是母懸掛器是下在泵室段尾管上，泵室段一般深400m 至450m，井斜要求不超過1°，即使0. 5°的偏差，從地面到450m 水平位移已經3. 9m; 若是1°偏差，水平位移7. 8m。在下部的2000m 或更深的鉆進過程中，鉆具都要經過它，磨損它。以3000m 的井為例，不算鉆鋌，光鉆桿就重達105t，PDC 鉆頭加壓不超過5t，這樣在鉆進中100t 的懸重使鉆具對突出點靠得更緊， 磨損會加快，尤其是起下鉆時( 向陽公司的井就是例證)。這樣，即使母懸掛器能起到懸掛的作用但密封的作用就很難得到保證。建井初期，稠泥漿可以起到密封作用，但隨著時間延長，經過建泵房關井，壓力會把磨損處沖開，地熱水將會流失并將污染淺層地下水; 其二是表層套管的強度將受到挑戰， 以外徑為177. 8mm， 壁厚9. 19mm，長度3100m 的套管為例，套管重達120t，全部重量懸掛在J55 鋼級的表層套管上是很危險的。如果一半重量懸掛于套管上，另外一半重量交給井底，熱水洗出后，管體受熱膨脹，懸掛器的密封效果降低，后果令人耽憂。

 

  在實踐中，我們采用硫化在套管上的聯體傘式止水器有兩個，中間間隔20m，內填充少量建筑水泥和止水材料，下完套管就可以直接洗井，利用空壓機快速洗井法，在水泥還沒有凝固時，套管受熱膨脹產生的應力得到釋放。這樣有效達到了止水目的。在所使用的30 余口地熱井中，井井成功。

 

  4 地熱井洗井

 

  4. 1 常規洗井方法的劣勢

 

  地熱井洗井是成井工藝中的一個重要環節，洗井的目的是徹底清除井內泥漿，破壞井壁泥皮，抽出滲入含水層的泥漿和細小顆粒［1］，消除鉆井過程中的泥漿對熱儲層的影響，洗出滲入熱儲層中的細小顆粒，使得熱儲層恢復其天然特性，洗井的好壞直接影響地熱水的產出狀況。

 

  目前陜西關中地區地熱洗井時大都是使用泥漿泵，先用稀泥漿逐漸替換清水洗井。雖然可行但不經濟，耗時、耗水，多則十幾天，少則也要7 天左右，洗井時間一長，不僅成本增加，而且泥漿在井內的滯留必將污染熱儲層，影響地熱井的產出; 且采用該法洗井，很難在短時期內將井徹底洗開，對地熱井出水有影響。

 

  4. 2 高壓空氣壓縮機負壓洗井

 

  本體車口連接的管子，并在底部焊接了一段車尖的139. 7mm 的套管， ( 原井下部是139. 7 套管接箍)考慮到插接的嚴密性和永久性， 在距插接處以上2m 做了一個“氣門芯”，把190mm 的套管外車了一道3cm 寬2mm 深的槽子， 在槽子里對稱打了4個10mm 的眼，槽子內套了一段直徑100mm 的微型車內胎，嚴絲合縫，緊固密封性很好。準備與變徑口的接箍插接后， 堵住下部井口， 向井內注水泥漿，水泥漿從4 個眼里流出，而不能回流，以求永久封固。當時把井下電視從190 管內下去看著對接，經過長時間的努力一直無法插接，因為下部變徑套管口是偏心的，靠到一邊，在局限的空間根本無法對接。( 從中我們掌握了二開的井眼是不會居中的，在連接時應留有空間。) 只好改成偏心接頭再對接。提出后發現橡膠圈不見了，后打撈上來再套上，結果是橡膠圈比190 管子大了許多。從中發現是橡膠遇熱膨脹后固化了，在常溫下不能恢復。

 

  2. 3 聯體傘式止水器在地熱井中應用

 

  根據向陽公司地熱井修井實踐，我們開始研究怎樣能使橡膠固定在套管上， 從2000 年一直到2005 年才掌握了橡膠硫化原理，并了解到橡膠在井下封閉情況下50 年不變質和可添加耐高溫材料的特性，終于研制出了硫化在套管上的聯體傘式止水器。2006 年申報了專利，一年后國家下發了實用新型專利證書( 專利號: ZL 2006 2 0079756. 0)。

 

  止水器由生橡膠通過高溫鍋爐，硫化在地熱井套管本體上，然后根據鉆孔直徑上車床，車出非常規格的聯體傘式止水器，使用時，通過傘式止水器兩端的套管絲扣直接與地熱井套管連接下入井內，使用方便。

 

  止水器在制作過程中，添加耐磨劑和耐高溫材料以保證其遇高溫不變形。下井過程中不會因與井壁摩擦而損壞，而且因止水橡膠非常牢固地硫化在地熱井套管本體上，下井過程中不會出現受到反推力作用致止水器偏離設計止水位置的問題。

 

  3 穿袖連接封固泵室段與下部技術套管

 

  泵室段與下部技術套管的連接在西安地區多是用穿袖水泥封固，也有采取懸掛器連接的。

 

  采用水泥封固法有兩大不足: 一是沒有止水器的純水泥封固要等水泥完全凝固后方能進行洗井作業，這樣泥漿在井內靜止時間過長，可能會造成部分水層的堵塞而不能出水，影響地熱井的產出; 二是水泥量的多少很難掌握，水泥量少，不能達到封固效果，量大往往將鉆桿一起凝固，嚴重者將造成地熱井報廢( 臨潼就有一例)。

 

  懸掛器是油田上常用的成熟產品，用在地熱井上是否穩妥，筆者認為值得商榷。原因有兩點，其一是母懸掛器是下在泵室段尾管上，泵室段一般深400m 至450m，井斜要求不超過1°，即使0. 5°的偏差，從地面到450m 水平位移已經3. 9m; 若是1°偏差，水平位移7. 8m。在下部的2000m 或更深的鉆進過程中，鉆具都要經過它，磨損它。以3000m 的井為例，不算鉆鋌，光鉆桿就重達105t，PDC 鉆頭加壓不超過5t，這樣在鉆進中100t 的懸重使鉆具對突出點靠得更緊， 磨損會加快，尤其是起下鉆時( 向陽公司的井就是例證)。這樣，即使母懸掛器能起到懸掛的作用但密封的作用就很難得到保證。建井初期，稠泥漿可以起到密封作用，但隨著時間延長，經過建泵房關井，壓力會把磨損處沖開，地熱水將會流失并將污染淺層地下水; 其二是表層套管的強度將受到挑戰， 以外徑為177. 8mm， 壁厚9. 19mm，長度3100m 的套管為例，套管重達120t，全部重量懸掛在J55 鋼級的表層套管上是很危險的。如果一半重量懸掛于套管上，另外一半重量交給井底，熱水洗出后，管體受熱膨脹，懸掛器的密封效果降低，后果令人耽憂。

 

  在實踐中，我們采用硫化在套管上的聯體傘式止水器有兩個，中間間隔20m，內填充少量建筑水泥和止水材料，下完套管就可以直接洗井，利用空壓機快速洗井法，在水泥還沒有凝固時，套管受熱膨脹產生的應力得到釋放。這樣有效達到了止水目的。在所使用的30 余口地熱井中，井井成功。

 

  4 地熱井洗井

 

  4. 1 常規洗井方法的劣勢

 

  地熱井洗井是成井工藝中的一個重要環節，洗井的目的是徹底清除井內泥漿，破壞井壁泥皮，抽出滲入含水層的泥漿和細小顆粒［1］，消除鉆井過程中的泥漿對熱儲層的影響，洗出滲入熱儲層中的細小顆粒，使得熱儲層恢復其天然特性，洗井的好壞直接影響地熱水的產出狀況。

 

  目前陜西關中地區地熱洗井時大都是使用泥漿泵，先用稀泥漿逐漸替換清水洗井。雖然可行但不經濟，耗時、耗水，多則十幾天，少則也要7 天左右，洗井時間一長，不僅成本增加，而且泥漿在井內的滯留必將污染熱儲層，影響地熱井的產出; 且采用該法洗井，很難在短時期內將井徹底洗開，對地熱井出水有影響。