鐵嶺市凡河地區地熱鉆井技術與評價

王洪偉，許和奇，袁子波

（1.遼寧省第九地質大隊，遼寧鐵嶺112000；2.遼寧省第一水文工程地質大隊，遼寧錦州121000）

鐵嶺市凡河地區地熱鉆井技術與評價

王洪偉*1，許和奇2，袁子波1

（1.遼寧省第九地質大隊，遼寧鐵嶺112000；2.遼寧省第一水文工程地質大隊，遼寧錦州121000）

地熱資源是清潔可再生的礦產資源。地熱含水的綜合性質、施工地層的特點和施工地區區域的復雜情況對地熱成井工藝提出了不同要求。針對鐵嶺市凡河地區地熱空白區薊縣系鐵嶺組或霧迷山組白云巖地層，從設備選型、鉆井結構、成井工藝等方面進行了分析研究，并對該地區地熱資源進行了評價，為該地區和其它類似的地區進一步勘查開發地熱資源提供指導和借鑒。

地熱；鉆井；鐵嶺；評價

1 概述

地熱資源作為一種能源和獨特的旅游療養等資源，已受到各級政府的高度重視，并得到了快速發展。地熱資源的開發，對城市建設和地區經濟發展具有一定的推動作用，擴大地區知名度、招商引資，都具有現實和長遠的意義。

鐵嶺市是地熱空白區，首先運用地球物理勘探新技術新方法，初步查明鐵嶺市凡河地區的地質構造條件，分析地熱資源的生成條件和開發利用前景，找出地熱工作勘探靶區，為政府實施地熱資源勘探規劃提供地質依據。本次工作首先進行地球物理勘探，自2007年5月開始，相繼開展了高精度磁法測量、重力測量、可探源音頻大地電磁測深、地震勘探和大地電磁頻譜巖性探測等5種方法，確定了確定在鐵嶺市凡河地區腰堡進行該市的首眼地熱井施工，設計鉆井深度2500m，取水層位為深部的薊縣系鐵嶺組或霧迷山組白云巖。

鐵凡熱ZK1井于2009年4月20日開鉆，同年10月13日終孔，井深2501.08m。經反復洗井和多次抽水試驗，出水溫度36℃，日出水量810t，達到《天然礦泉水地質勘探規范》（GB/T13727-92）規定的命名標準，可命名為淡溫泉水。取得了本區熱儲結構和地熱參數等重要資料。

2 區域地質特征

鐵嶺市凡河地區大地構造位置處于膠遼臺隆（Ⅱ級構造單元）鐵嶺—靖宇臺拱（Ⅲ級構造單元）凡河凹陷（Ⅳ級構造單元）腰堡隆起（Ⅴ級構造單元）內。工區附近主要出露第四系，區域有太古界、中上元古界及中生界出露。

3 地熱地質條件

凡河地熱井實鉆地層。根據地質錄井、鉆井錄井和測井等資料綜合對比分析本井實際鉆遇地層如下：

（1）第四系（Q）：主要為沖積物和洪積物，巖性為亞砂土、亞粘土和砂礫石，厚度約50m。

（2）古近系沙河街組（E1s1-3）：上部為灰紫色、紫紅色粉砂巖、泥巖，下部為灰色深灰色砂礫巖。本組巖石成巖固結較差，頂部風化較強，與第四系界線不甚清楚。埋藏深度50～575m，視厚度525m；

（3）白堊系得勝臺組（K2d）：巖性為紫紅色泥巖、含礫泥巖，底部為黃褐色砂礫巖，埋藏深度575～655m，視厚度80m；

（4）薊縣系霧迷山組：

①霧迷山組下亞段第六段（Jxw16）：巖性為淺灰色、灰白色燧石（條帶）白云巖，下部（1025～1060m、1070～1085m）夾微褐色石英砂巖，埋藏深度655～1110m,視厚度455m；

②霧迷山組下亞段第五段（Jxw15）：上部為褐色、灰色石英砂巖，下部為灰綠色石英砂巖，偶夾深灰色石英砂巖，埋藏深度1110～1650m，視厚度540m；

③霧迷山組下亞段第四段（Jxw14）：巖性為深灰色、灰黑色中細粒石英砂巖，底部為中粗粒石英砂巖，埋藏深度1650～2330m，視厚度580m；

④霧迷山組下亞段第三段（Jxw13）：巖性以灰黑色泥灰巖含砂泥灰巖為主，頂部夾中粗砂巖，下部為硅質巖及粉砂巖，埋藏深度2330～2501.08m，鉆遇視厚度271.08m，未穿透。

4 熱儲層及構造條件

鐵凡熱ZK1井實鉆結果，蓋層較薄，第四系厚度僅50m左右，古近系沙河街組視厚度525m,白堊系得勝臺組視厚度80m，以上蓋層加在一起僅655m。由于過早地揭露熱儲層，致使出水溫度比原設計低了十幾度。但該井熱儲層處于構造裂隙帶中，巖石較破碎，節理裂隙發育，地下水徑流和儲存條件較好，故出水量仍達到原設計指標（大于800t/d）。

5 地熱井鉆探施工方法及質量評述

鐵凡熱1井井身結構原設計“四開”結構，由于地層埋藏深度和巖性變化，為保證出水量，改為“三開”結構，將原設計“三開”井徑?216mm施工到1600m改為直到井深2500m，取消了“四開”段的?152mm的井徑。

5.1 鉆探施工

成井主要設備：

（1）鉆機：GZ-2600型水源鉆機1臺；

（2）鉆塔1套；

（3）泥漿泵（QZ3NB-500）1套；

（4）鉆具：

①?178mm鉆鋌6根；

②?159mm鉆鋌12根；

③?121mm鉆鋌12根；

④?89mm鉆桿2500m；

⑤震動篩、除砂器各1套；

⑥泥漿循環泵2臺。

5.2 井孔實際結構及成井主要材料

根據本井確定的井孔結構和鉆進中鉆遇地層情況，各階段鉆具組合、井孔結構及成井主要材料如下：

（1）一開：孔徑為?444.5mm，深度12.4m。

鉆具組合：鉆頭為?444.5mm三牙輪鉆頭，鉆鋌?178mm 1根；

下入?339.7mm無縫鋼管，壁厚9.65mm，鋼級為J55，下入深度0～12.4m，作為護壁管。

（2）二開：孔徑?311mm，深度411.67m。

鉆具結合：鉆頭為?311mm三牙輪鉆頭，鉆鋌?178mm 6根，鉆桿?89mm多根；

下入?244.5mm無縫鋼管，壁厚8.94mm，扣型為短螺紋，鋼級為J55（附件一），下入深度0～411.67m。

固井選用開原水泥有限公司生產的P042.5型礦渣水泥，環空體積13m3（擴徑系數取1∶1），水泥用量16t，水泥漿密度1.80g/cm3，水泥漿返至地表，候凝96h。

（3）三開：孔徑?216mm，深度2501.08m。

鉆具組合：鉆頭為?216mm三牙輪鉆頭，鉆鋌?159mm 12根，鉆桿為?89mm多根。

利用懸掛器下入?177.8mm無縫鋼管（技術套管和濾水管），壁厚8.05mm，扣型為長圓螺紋，鋼級為N80。

濾水管位置根據鉆遇地層及漏失情況，并結合巖屑錄井、測井曲線解釋含水層位置決定下入的位置。

5.3 鉆井施工方法

5.3.1 鉆進泥漿

該地熱井地區地表為第四系，厚度50m左右，僅施工12.4m，第四系下伏古近系、白堊系及薊縣系等，由于深度和巖性不同，因此各施工階段鉆進泥漿性能也不同，各階段鉆進泥漿性能詳見表1。

表1 泥漿性能配置一覽表

5.3.2 地質錄井

（1）做好地質觀察與編錄工作，觀察巖屑成份、巖性變化、并保留巖屑樣品；注意觀測鉆井液性能及漏失量變化，詳細記錄鉆進涌水、漏水、掉塊、坍塌、放空及縮徑等現象。

鐵凡熱ZK1井在940～1047m白云巖段漏失40m3，在1465～1471m石英砂巖段漏失6m3。其它井段未發現大的漏失。

（2）巖屑錄井：

①第四系不取樣，由于古近系沙河街組巖石固結較差，上部井內返出的巖屑認為砂礫石，造成未見基巖的假象。上部僅觀察，未取樣，實際從410m開始取樣，取樣間距5m，撈取后立即清洗干凈，及時進行深度標識、干燥及時裝袋。巖屑袋按井深由淺到深，自上而下順序排列。

②實事求是地區分每包巖屑的真假巖屑，找出代表性巖屑，進行巖性描述。

5.4 洗井和抽水試驗

5.4.1 洗井作業

首先用清水替漿后，再用清水沖洗井壁，將井內泥漿替出；然后將三聚偏焦磷酸鈉制成濃度為1%的化學洗井液注入井內，靜止浸泡24h，之后再用上述藥液循環并沖刷井壁，將井內殘存泥漿替出，該方法反復進行2次。后用2臺250個壓力的大型空壓機進行氣水混合和接力氣舉聯后洗井。

為了更徹底的清理孔內巖屑和污染的殘漿，同時考慮本井主要含水層為薊縣系霧迷山組白云巖，又灌入鹽酸36t進行酸化洗井，后再用大型空壓機沖洗，在主要水層還進行了射孔工藝，增大出水量，至水清砂凈后做抽水試驗。

5.4.2 抽水試驗

本井抽水試驗依據設計要求做了2個降深試驗，每個落程穩定時間均大于24h。觀測項目：水位埋深、水量和水溫等，按觀測時間頻率同步進行。大降深用40m3水泵進行，泵下到291m；小降深用20m3水泵進行，水泵下到185m。抽水試驗結果水量為810t/d，達到設計指標，出水溫度最高為36℃，低于設計指標，主要原因是熱儲（含水）層提前1000m左右見，主要水層在940～1050m（鉆探錄井950～1047m漏失40m3，巖性為白云巖），該段測井溫度為30℃～32℃。從該井出水溫度看本井主要出水段在此940～1050m深度內，本井深部巖性以石英砂巖為主，水量不大。

6 水質評價

6.1 醫療熱礦水評價

6.1.1 水質類型

本井溫泉水pH值為7.75，屬中性水；礦化度為427mg/L，屬淡水，達到醫療礦泉水水質標準；總硬度（以CaCO3計）為189mg/L，屬微硬水；溫度為36℃，屬低溫水，達到醫療礦泉水（≥34℃）的溫度；水中主要陰離子為HCO3—，含量271mg/L，毫克當量百分數為81.3%；主要陽離子為Mg2+，含量27.9mg/L，毫克當量百分數為43.4%；其次為Ca2+和Na+，含量分別為29.7mg/L和30.4mg/L，毫克當量百分數為27.9%和24.9%；本井地下水類型為HCO3—-Mg2+?Ca2+（重碳酸鎂鈣）型水。

6.1.2 熱礦水類型

根據《天然礦泉水地質勘探規范》（GB/T 3727-92）中的醫療礦泉水水質標準，本井熱水中礦化度小于1000mg/L，溫度大于34℃，可命名為淡溫泉水。其他對人體有益元素偏硼酸含量為1.2mg/L，達到有醫療價值濃度，偏硅酸含量為21.6mg/L，接近有醫療價值濃度。對人體有害元素氰化物（小于0.001mg/L）、汞（小于0.000005mg/L）、鉛（小于0.0008mg/L）等含量極微，均在允許范圍之內，對人體不會產生影響。

6.2 礦泉浴的醫療作用

淡溫泉水在醫療上多以浴用為主。淡溫泉中存在著豐富的無機觸媒，具有極強的氧化還原能力；能促進皮膚中正腎上腺素分解增多，對人體的循環機能有保護方面的改善，對內分泌系統亦有類似ACTH的作用。淡泉浴能刺激衰老者植物神經機能，改善機體全身體態和提高內分泌功能，具有“返老還童”的作用。

偏硼酸具有消炎止痛、促進傷口愈合的作用。

6.3 生活飲用水評價

本井水質檢驗報告與《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）對比，水質常規指標中的元素含量均小于規定的限值，水質非常規指標中的元素也均小于限值，初步認為適于飲用。

7 結論與建議

7.1 結論

（1）鐵凡熱ZK1井成井指標如下：井深2501.08m，出水量810t/d，出水溫度36℃，水質達到國家醫療礦泉水（溫泉）水質標準，可命名為淡溫泉水，為鐵嶺地區開發地熱資源起到了示范作用。

（2）鐵凡熱ZK1井主要熱儲（含水層）為埋深1000m左右的霧迷山組下亞段第六段（Jxw16）白云巖裂隙水。

（3）鐵凡熱1井鉆井、錄井、下管（含材質）、固井（含材質）、測井及洗井、抽水試驗、水質分析等施工方法和質量符合設計和規范要求。

（4）基本查明該井地層、熱儲的巖性、厚度，為進一步在凡河地區開展地熱資源勘察提供了可靠的依據。

（5）本井井底溫度65.3℃，平均地熱增溫溫率2.11℃/100m，沒有地溫異常顯示，屬正常地熱增溫范圍。

（6）本井地熱水屬淡溫泉水，偏硼酸含量達到有醫療價值指標，偏硅酸含量接近有醫療價值指標。經初步化驗，達到生活飲用水衛生標準，適于飲用。

（7）通過鐵凡熱1井的實鉆結果證明，凡河凹陷賦存地下熱水，該地區具備形成地熱田的地熱地質條件，開發地熱（溫泉）的前景樂觀。

7.2 建議

通過鐵凡熱ZK1井的施工，認為該井蓋層較薄，過早的揭露到熱儲（含水）層，致使出水溫度未達到設計指標，因此初步認為該井井位沒設計在凹陷里，可能打在隆起上了。因此下步施工應進一步選好井位，確實把井位選擇在凹陷內，以期打到溫度較高的地熱（溫泉）水。

[1]黃尚瑤，楊毓桐.中國城市地熱開發30年[C]//北京地熱國際研討會論文集，地質出版社，2002.

[2]劉久榮，等.中國城市地熱開發30年[C]//北京地熱國際研討會論文集，地質出版社，2002.

[3]彭新明.提高深水井工程效益的幾點探討[J].北京地質,2004（4）.

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[5]劉光志.特種鉆探工藝學[M].武漢：中國地質大學出版社，1999.

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[7]劉志國，劉新麗，劉丕新，等.千米地熱井施工技術[M].鄭州：黃河水利出版社，2004.

P634

A

1004-5716(2015)03-0037-04

2014-03-18

王洪偉（1961-），男（漢族），遼寧遼陽人，高級工程師，現從事鉆探工程技術管理工作。