地热井常见主要问题分析与研究

【摘 要】地热能是一种新型的能源和资源，具有绿色环保、可再生、用途广等特点，其热量源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变释放的能量以及地球板块相互碰撞错动产生的摩擦热。目前地热资源已利用于地热供暖、生活热水、洗浴、水产养殖、农业种植、工业生产及旅游综合服务等众多领域。到目前为止，地热能利用的唯一手段为地热井，因此地热井的成井是地热利用的基础和关键。本文结合肃宁北站地热采暖系统工程对地热井常见主要问题进行了分析研究。

【关键词】地热井常见问题分析研究

一、地热钻井

地热钻井是一项非常重要的特殊技术，它用于地热蒸气和地热水的钻井，是勘探和开采地热流体必须采用的手段之一。地热钻井的深度一般在1000米到3000米之间，大多数是在2000米左右，有少量的超过了3000米。随着时间的推移和科学技术的不断发展变化，地热钻井技术也在不断发展着。其中井身结构及套管结构、钻井工艺、完井工艺以及洗井工艺不断发展随着时间的变化逐渐表现出来。

1、井身结构及套管结构。

从20世纪70年代至今，井身结构经历了153/8”+81/2”、171/2”+121/4”+82/2”、171/2”+121/4”+95/8”、171/2”+95/8”、171/2”+121/4”+95/8”+81/2”等几种不同型号的变化，与其配套的套管结构则经历了相应的103/4”+51/2”、133/8”+103/4”+51/2”、133/8”+103/4”+7”、133/8”+7”、133/8”+103/4”+7”+81/2”等几种型号。不得不说由简入精，井身结构及其配套的套管结构已经越来越成熟完善。

2、钻井工艺。

地热市场的占领在于将石油钻井中先进成熟的工艺和相关的水文、地热等条件有机结合起来，并且充分引进各种现代的设备，选用优质的钻头和各种机械参数，提高钻井的工作效率，缩短建井周期。再加上引进现代科学的泥浆工艺，在地热钻井过程中，针对不同的地层，采取不同的科学泥浆配方，以达到平衡钻井的目的。从70年代至今，钻井工艺也历经了非常大的变化，其变化更好地适应了现代地热钻井的施工和完成。

3、完井工艺。

70年代的地热井的完井工艺主要采用水井式的完井方式，对于水层采用笼式过滤管，入井后采用投填砾料的方式，止水则采用投泥球封隔止水的古老方法。而90年代之后，由于地热井完井工艺的不断发展和完善，采用水井完井方式的同时还结合了石油完井工艺，针对不同的水层采取不同的方法。

如：包网缠丝滤水管、不包网缠丝滤水管完井、裸眼完井等方式都产生了非常好的效果。止水方式上改进了传统的止水方法及装置，改进为混合式装置，又根据地热井多为大段混合开采的特点，在水层顶部设置了伞状防塌装置，确保了水层的稳定和寿命。

4、洗井工艺。

传统的水井洗井方法就是反复地抽取和吸取。在地热井中则逐步引进了二氧化碳气举、酸化，高能气体压裂，压风机气举洗井以及活塞抽吸、高压喷射冲洗等方法，这些方法对于不同的地热井的施工都产生了良好的影响。

二、成井技术的分析

成井过程是地热井施工中最为重要的工序之一，由于不同的地热井所处的大地构造背景和热储层岩性不同，因此需要采用不同的成井方法来实现工程的顺利完成。就目前国内相对比较成熟完善的成井方法而言，先期完成法、后期完成法、裸眼完成法、筛管完成法和射孔完成法这几种成井方法是比较具有代表性的。

1、先期完成法。

先期完成法适用于井比较深、上部地层比较复杂的地热井，它是在钻井中采用分别排除的方法的一种钻井工艺，完井工艺较为安全。先期完成法是在钻达到目的层的顶部时，先下入技术套管来固定井壁，再用小尺寸的钻头钻至井深。下技术套管是为了能够封固住非采水段的井壁，隔绝深浅地层水以及满足下部施工的需要。先期完成法的缺点在上文中也显而易见了，它实施起来较为麻烦，因此造成工期较长，投入相对较大。

2、后期完成法。

后期完成法能够根据钻孔的资料自由地选择取水井段，而且其钻井的工期较短，投入相对较小。后期完成法和先期完成法的区别在于，它在钻达到目的层的顶部时，先不下技术套管，而是用原有尺寸的小钻头钻至完钻井深，再根据各项资料的显示进一步下入技套或者其他工具来固定井壁。后期完成法同样具有一些缺点，由其钻井过程可看出，它对钻井的技术要求非常高，而且完井下管和固定井壁的工艺也是相当的复杂。

3、裸眼完成法。

裸眼完成法一般适用于井壁比较稳定的地区，比如火成岩类的裂隙型热储层等。它采用的是不下井管的方法，相较于其他需要下井管的方法而言，裸眼完成法的优点在于其出水口的截面积较大、出水量较大、阻力较小并且不易发生堵塞事故以及投资较少等。但是这种方法却不适用与砂泥浆剖面的地热井，因此不得不说此为一大遗憾。

4、筛管完成法。

筛管完成法一般适用于砂泥岩剖面等沉积型的地层。它采用的是在取水段下入筛管的完井方法，此种方法若辅以填沙工艺即可起到防塌和防砂的作用，其优点不言而喻，即较为简单且安全。

5、射孔完成法。

射孔完成法是一种较为特殊的完井方法，它主要是针对水量不足而未取水层段进行取孔以弥补缺点，或者不下滤水管直接在取水段射孔取水。射孔完成法无疑是在施工过程中出现上述两种或者以上的问题时及时采取的一种完井方法。由此我们可以看出完井方法的多样性以及其技术的成熟和完备。

三、地热井常见的主要问题

一般地，正常使用2-6年后，地热井会出现水量减少，井管错位或井管腐蚀等一系列问题。不同人企业问题存在的问题也不一样。石油、煤矿企业施工的地热井一般会出现水量减少；而、对于地矿企业施工的地热井而言，问题则主要是：水温下降、涌砂、水质恶化、出混水等。有些地区，使用2-3年后就会出现这样的问题。其原因有客观因素，也有钻井材料和钻井工艺方面的因素。任何水井在正常使用2-6年后，都会出现不同程度的水量减少问题，地热井尤为严重，原因是多种多样的，主要有：

1、客观原因

（1）在水流和重力作用下，水中的有机物、地层中粘土、砂砾等固体物会沉淀到井底，造成淤积，从而掩埋或充填含水层。

（2）地下水中含有大量的钙离子和镁离子等，水中的硫酸根和碳酸根等阴离子与这些阳离子会发生反应，生成沉淀物，沉淀物会慢慢填充到裂隙中胶结成垢，堵塞含水层。

（3）在缺氧情况下，地下水中的铁离子主要以无色的2价铁离子形式存在，在静水位和动水位之间，水与空气接触时，或者在抽水时，水中的2价铁离子转换为3价铁离子，以Fe（OH）3黄色沉淀物形式出现，慢慢与其他的沉淀物一起形成化学淤泥，常年下来，就会沉积在井中，一部分滤水管会被掩埋住，水井的有效深度逐步会被减小，从而逐年减少了水量。

（4）还有一个普遍存在的问题是地下金属井管结垢腐蚀，沉淀胶使金属腐蚀速度加快，腐蚀物再形成新的结垢，这种结垢物在滤水管缝隙中填充以后会以其高强度，把地层的进水道堵塞。

（5）微生物粘泥也会造成水井堵塞。这种堵塞微生物主要是硫酸盐还原菌和铁细菌，这些微生物结垢的原因是由于自身的大量繁衍，形成结垢；另外，它其分泌“微生物黏泥”，与别的固体物混合在一起，在井壁上形成胶结物。

（6）城市大量无序开采地下水，会加速地下水水位下降，最终导致地下水资源贫乏直至枯竭。

2、钻井工艺的原因。井管下入后投砾。地下第四系属于松散层，在这个方位进行钻井，一般都是下管后将普通的砾料投入进去进行围填和过滤。为了达到过滤的目的，这种工艺主要采用的投砾方式是扩大井径。其弊端在于：

·既然要扩大钻井的工径，就会增加钻井成本及钻机、钻具的扭矩和危害性；

·在投砾过程中，相对粗的砾料颗粒会下沉到井底，而较细砾料会在上部悬浮，从而造成砾料的分选，那么砾料颗粒与地层级配不合理会导致涌砂，由其对于较深地热井，这种问题会表现得更加严重；

·投砾过程中，在不稳定地层容易引起坍塌，致使砾料不到位，或者砾料泥皮混合，填充井管外围，就会给洗井造成困难，对于单井出水量会有严重影响；

·下管弯曲或者井斜时，围填砾料的厚度是不均匀，很难得到保证，也是钻井工艺存在的问题之一；

·有的砾料中石英的含量较少，会造成胶结，从而使出水量受到影响。所以，进管下入后投砾的工艺虽然使用较广，但是水井采用这种工艺会出现含砂量偏高、涌砂和水量减少等的质量问题，其质量难以得到保证。

·井管下入后不投砾。

即钻井时只在下部下入滤水管或技术套管，而不投砾。这种钻井工艺需要满足条件的岩层，如部分稳定的基岩内可以采用，但是对于容易产生应烽释放的岩层，会有遇水膨胀、剥落、掉块等弊端，如泥岩、页岩、砂岩等地层，必须进行投砾隔离或围填，否则就会在1-3年的时间内，由于应力释放或者吸水而形成以上问题，从而慢慢地造成井下堵塞和坏状间隙淤积，最终使含水层封闭不出水，之后水量会逐年减少，直至衰竭。

·正循环泥浆钻进。目前国内主要采用这种工艺。正循环泥浆钻进的主要问题是，由于井内较高的泥浆柱静压和动压，导致的水量偏低。

四、工程实例

1、地热井系统概况。

肃宁北站地热采暖系统工程建成于2006年，并于当年11月1日投入运行使用，共有地热井两眼，分别位于生活区人工湖1#井（简称生活区井）和汽修厂2#井（简称汽修厂井），井口出水温度81度，井深2200米，单眼井出水量110立方米/小时，为肃宁北站13万平米房屋提供采暖，散热末端采用钢串片散热器、铜铝复合散热器、铸铁散热器、地板辐射散热以及风机盘管等多种形式。部分地热尾水提供洗浴。系统主要设备包括水井、耐热潜水泵、除砂器、板式换热器、曝气塔、除铁器、保温水箱、定压罐、加压泵、反冲泵、采暖循环泵、补水泵以及两台水源热泵机组等。

2、地热井系统工艺流程、特点及运行效果。

1）工艺流程分采暖和洗浴，采暖部分，耐热潜水泵从2200米地下抽取81度高温地热水，经过除砂器进入板式换热器，在除砂器中地热水中的砂质杂物沉积过滤掉，地热水在板式换热器中与采暖系统循环水充分热交换，采暖系统循环水被采暖循环泵输送到各取暖用户使用，部分尾水通过水源热泵机组，水温提升后供肃北高层公寓采暖；洗浴部分，从板式换热器中流出的经过充分热交换的尾水进入曝气塔和除铁器，在曝气塔中将地热水中的二价铁离子氧化成不溶于水的三价铁离子，三价铁离子呈胶体状悬浮于地热水中，再经过除铁器过滤，彻底清除地热水中铁离子，满足生活热水洗浴的需要，其中，每隔72小时采用反冲泵反洗除铁罐，去除沉淀下的铁，处理后的地热水进入保温水箱暂时储存，再通过热水供水泵送到浴池使用。

2）系统特点。

（1）地热属于可再生能源，地热井采暖系统利用了深埋在地壳中的热能，地球内部是一个巨大的能量体，地热能的产生和补充由地壳运动所控制，地热能可再生。（2）系统运行稳定可靠，地热能一年四季十分稳定，温度波动很小，温度恒定，使系统运行可靠、稳定。（3）系统运行简单，维护费用低，自动控制程度高。（4）环境效益显著，污染物排放为零，同锅炉采暖相比，杜绝了粉尘、煤渣以及二氧化硫、温室气体的排放，减少了锅炉房、煤场、渣场、烟囱等设施占地，消除了煤场二次扬尘。

3）运行效果。

自2006年11月投入运行以来，截止到现在已经过三个采暖期，累计运行16个月115200小时，设备运行稳定，采暖温度达标。采用地热井采暖系统后，可节约9000吨煤炭，减少温室气体（二氧化碳）排放2.81万吨、二氧化硫排放90吨，减少炉渣产生3000立方米；消除了锅炉特种设备采暖所带来的风险。

3、地热井系统经济成本分析。

地热井采暖系统投入使用前，肃宁北站采暖主要采用2台10T/H锅炉，现以锅炉采暖和地热井采暖以2006年11月至2009年3月三个采暖期成本为基础进行比较。

表一：地热井系统和锅炉两个采暖期运行成本比较

根据以上统计数据比较，二者相差悬殊，地热井系统采暖运行成本消耗指标仅为锅炉采暖的27.8%，经济效果十分明显。

4、地热井系统存在问题

地热井系统采暖虽然经济效果十分突出，节省了大量成本，但是该系统运行至今仍然存在一些不容忽视的问题，这些问题主要有以下几个：

1）地热井出水量、水温下降。目前，水温水量已达不到当初设计要求，刚投入使用时，地热井自喷，现在动水位已下降至100米以下，水温下降3-5度。

2）地热井多次发生漏沙现象，水中含沙量大，机组设备无法正常运行。2009年1月生活区1#地热井出水含沙量骤然增大，造成机组停机，原因为井深256米处井管相接处错位、断裂，之后采取混凝土灌注的方法将其堵住；2009年10月20日汽修厂2#地热井出水含沙量突然增大，造成机组停机，原因同样是井深254米处井管相接变径处错位、断裂，采取混凝土灌注的方法将其堵住，2009年11月16日，该井再次漏沙，机组停机，经混凝土灌注后，重新投入使用。共造成机组停机延时累计33天。

3）地热井未进行回灌。由于设计之处并未考虑回灌，近年来，地热水大量抽取，造成地热水资源的不可持续，地热资源面临着日益枯竭的处境。

4）肃宁站修所和机辆分公司院内均为单眼井供暖，一旦地热井发生故障，将面临整个供暖系统的瘫痪，地热井修复最快也要5天，单眼地热井采暖可靠性差。

5）地热尾水梯度利用程度不高，未做到物尽其用。目前，地热井系统仅用于采暖和部分尾水洗浴，仍然排放了大量含有低位热能的尾水（尾水排放温度40度左右），这部分热能白白的流失了。

6）现有的井用潜水泵流量、扬程不能满足需要，由于长期浸泡在高温地热水中，泵管锈蚀严重。由于水位下降，为了保证抽水量，需要更新现有的井用潜水泵和配套电缆等设备。

5、建议

地热井系统有着诸多技术上的优点和良好的经济运行效果，如果上述存在问题不加以解决完善，将影响地热井系统效益的进一步发挥。

1）采取必要的技术措施对地热井进行回灌，达到地热水开采量、回灌量大致平衡，保证地热资源的水载体具有可持续性，才能确保地热系统的可再生和可持续，延长地热井的使用寿命，保证水位不再下降。

2）改造既有建筑的末端采暖方式。现有末端采暖方式多为散热器形式，采暖热指标为60W/m2，逐步改造成地板辐射采暖，采暖热指标为30W/m2，地板辐射采暖热指标仅为散热器的一半。采暖面积不变的情况下，使用地板辐射采暖后，地热井可以减少一半的抽水量，节省大量运行成本。

3）推进肃宁北站地热井系统并网运行，提高单眼井运行可靠性。可采取机辆分公司院内、站修所、生活区、汽修厂4眼地热井用管道勾通，一旦一眼井发生故障，其他三眼可保证肃宁北站整体供暖不受影响。

4）提高地热尾水梯度开发利用程度。充分挖掘利用40度尾水内的低位热能，除采暖外，可考虑游泳、养殖、种植蔬菜大棚等，最后收集低于25度以下的尾水用于肃宁北站的景观绿化用水，减少污水处理厂的污水处理量。

5）更换现有井用潜水泵及配套电缆等设备，采用更大功率、流量、扬程的潜水泵，选用更耐腐蚀的泵管。

结束语：

发展低碳经济，利用新能源，是我国“十二五”规划的一个大目标。地热能是人类注意寻找和开发的新能源之一，它具有分布较广、成本低、可开采、可直接利用，无环境污染等优点。在肃宁北站地热采暖中，严格遵守和执行了操作规程及施工技术方案对存在的问题进行了优化，通过本次施工取得了一定的施工经验，为后续工程打下了良好的基础，创造了良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

1、《地热能开发与应用技术》朱家玲等编著

2、《地热资源地质勘察规范》GB/T11615-2010

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