關中地區中深層地熱鉆井開發與發展趨勢

浦靜怡，張曉宏，陳粵強

(陜西省煤田地質集團有限公司，陜西 西安 710021)

0 引言

中深層地熱具有儲量大、分布廣、穩定可靠、可利用率高等特點，已成為當前地熱開發的重點。關中地區中深層地熱資源豐富，是我國著名的地熱開發區之一，近年以鉆井方式開發已形成了一定的規模，西安、咸陽等地更是成為國內地熱綜合開發的示范區。隨著陜西能源產業向綠色低碳轉型，加之“鐵腕治霧霾、保衛藍天”行動的迫切需要，對中深層地熱資源的需求越來越多，政府、企業都進一步加大了對中深層地熱的研究和開發利用力度。

關中地區從陜煤地質集團西安工人療養院第一口熱水井開始，本區開發地熱已有近40年歷史，但目前開發產生了新要求和新問題。一是由于初期不加限制地開采地熱水，導致地面沉降、地裂縫等次生地質災害加劇，目前已采取限采、禁采甚至關停措施，新地熱井的審批受到嚴格控制，在此情況下如何進一步推動中深層地熱資源開發成為關鍵問題；二是從西安、咸陽兩地的尾水回灌試驗來看，地熱回灌技術在關中地區短期內還難以突破，采灌結合、以灌定采、采灌平衡的地熱開發方式在區內還不具備完全應用條件，研發新的地熱開發方式成為緊迫問題；三是國家近年提倡地熱要“取熱不取水”開發，雖然陜西在中深層地熱換熱某些方面領先國內，已出現西咸地區應用直井同心管換熱、水平對接井換熱兩種新的鉆井開發方式，但有些處在試驗階段，還有許多新的換熱技術問題需要解決。

關中地區中深層地熱要真正實現規模化開發，就必須著力解決這些困惑和問題，而鉆井暨井下換熱技術將是首先面臨的、亟需解決的核心技術問題。因此，分析區內中深層地熱鉆井技術現狀、存在問題和瓶頸，探索發展趨勢，為關中地區中深層地熱實現高效、無干擾、產業化開發提供技術支撐十分必要。

1 關中地區中深層地熱鉆井技術現狀

1.1 3大類地熱井型

關中地區擁有目前國內最豐富多樣的地熱井型，大體可以分為3大類。

第1類：該類是常規地熱井，占到區內地熱井總數的95%以上。其設計理念就是通過鉆井最大限度地采出地熱水，典型技術特點有兩種。一是開孔后在孔口大口徑段中下入抽水泵；二是在熱儲層中下入濾水管，并配合洗井等措施增產。

第2類：該類是回灌試驗井，這類地熱井并不多，目前西安、咸陽兩地回灌井總數在16口左右；其成井工藝與常規地熱井沒有什么區別，只不過是在回灌層下入濾水管，便于尾水壓入地層。

第3類：該類是“取熱不取水”地熱井，包括陜西四季春公司開發的同心管換熱井和陜煤地質集團的水平對接換熱井兩種。鉆井設備方面，2 000 m以淺的地熱井采用水井類鉆機較多，2 000 m以深的地熱井主要采用石油類鉆機，定向井及水平井基本上都用石油鉆機。鉆進工藝方面，主要還是傳統的泥漿正循環回轉鉆進，配合不同排量的NBB和F系列泥漿泵，基本能滿足2 000～4 000 m的鉆深需求。

1.2 地熱鉆井的完井工藝

完井工藝方面，常規地熱井和回灌井都采用濾水管完井，同心管換熱井和水平對接換熱井采用的是套管完井；部分同心管換熱井熱儲層裸眼完井。

1.3 地熱鉆井的封固止水

封固止水方面，常規地熱井和回灌井采用的一般是橡膠傘臨時止水，靠井壁垮塌永久止水，而同心管換熱井和水平對接換熱井采用的是水泥固井止水；也有同心管換熱井依靠井壁垮塌止水。

2 存在問題和現有技術瓶頸

2.1 鉆井設備不能滿足城區施工的運輸拆裝和環保要求

中深層地熱一個非常顯著的特點是原位使用，不能遠距離運輸后使用，因此其開發地區基本上為使用地區。這些地區大部分都是人口密集的城鎮地區，施工存在以下幾方面的問題。

運輸困難：設備的運輸困難，進出施工場地不便，特別是ZJ30以上的石油鉆機，一些構件和配套設備裝車往往超長超寬超重，與城市道路標準不符。

場地受限：城鎮區施工場地有限，有些位于已建成的居民小區內，按石油天然氣行業標準《鉆前工程及井場布置技術要求》(SY/T 5466—2013)，施工面積大多不符合場地標準的要求。

空氣污染：鉆機使用常規柴油機作為動力，排氣物會造成不同程度的環境污染。在霧霾嚴重的關中地區，如果柴油機煙氣排放達不到城鎮環保要求，施工中經常被環保部門要求停工，影響環境也影響施工效益。

噪音污染：傳統鉆機的噪音污染嚴重，柴油機動力噪聲在110 dB左右，泥漿泵在100 dB左右，空壓機在95 dB左右，而且由于鉆井工程的特殊性，夜間必須連續施工，根據《建筑施工場界環境噪聲排放標準》(GB 12523—2011)，白天施工場界環境噪聲排放限值70 dB，夜間限值55 dB，夜間最大聲級超過限值的幅度不得高于15 dB，傳統鉆機的噪音聲級是超出標準的。

水污染：一些城鎮區施工的地熱井仍在采用坑槽循環的泥漿工藝，撈出的巖屑和廢棄泥漿中均含有許多化學藥品，會污染淺層水與地表，不符合環境和水資源保護的要求。

2.2 鉆進工藝與復雜多樣的地熱開發不匹配

關中地區中部為新生界砂巖、砂礫巖孔隙裂隙熱儲，北部為下古生界碳酸鹽巖巖溶熱儲，南部為秦嶺山前構造斷裂裂隙熱儲，這3種熱儲的開發層位、埋藏深度、地層巖性、構造、水文地質條件均不相同，地熱井的開發和設計要求也不同。同時，區內不僅有采水井，還有回灌井和換熱井，井型結構不僅有直井，還有定向井和水平井。這些復雜多樣的地熱開發條件組合在一起，僅采用正循環回轉鉆進工藝遠遠不能滿足要求，而且在關中地區中部采用泥漿正循環工藝鉆進，會對井筒周圍的地層產生傷害，影響成井后的出水效果，對回灌井的影響尤為嚴重。目前，區內的地熱井成井后如果采取氣舉洗井等措施，可以消除一部分傷害，增加出水或回灌效果。但有資料表明，泥漿鉆井過程中地層受侵害的距離達到距井壁300～400 mm，顯然僅靠洗井難以清除對地層的影響。

2.3 采水取熱開發方式已不適應地熱開發新要求

目前，關中地區地熱井已超過500口，但絕大多數都是過去采水取熱的常規地熱井。這種開發方式簡單粗放，不僅嚴重浪費地熱資源，也帶來了環境污染和城市地質災害問題。據有關資料記載，到2000年底，多年的地熱開采，已使西安地區形成以四醫大、測繪學院和西光廠為中心的水位降落漏斗，最大水位下降幅度達94.56 m，成為西安市地面沉降幅度大、地裂縫活動顯著的地區。這種開采地熱水導致地面沉降的現象并非只在西安地區出現。北京、天津、河北等地熱開發區也存在這種情況，但與西安地區不同的是，這些地區的熱儲主要為碳酸鹽巖巖溶熱儲，地熱尾水回灌較為容易，可以通過采灌結合方式控制地下水位下降和地面沉降。而西安、咸陽先后進行的地熱回灌試驗表明，關中部分地區平均回灌量小、回灌效率低、回灌衰減快、回灌堵塞及回灌成本高的問題還難以解決。

2.4 落后的止水工藝滿足保護淺層地下水要求難

關中地區的地熱井過去多采用橡膠傘成孔、井壁垮塌永久止水工藝。但近年的水質監測數據表明，一些地熱井附近發現淺層飲用水的Ca2+、Mg2+含量上升，表明這種止水工藝效果并不理想，有深層地下水侵入淺層飲用水現象。其原因：一是由于下管時，為防止中途受阻，止水橡膠傘的直徑偏小；二是橡膠傘沿孔壁下滑經過長距離磨損后才到達止水位置，止水效果受到影響；三是井壁垮塌的泥沙并不能完全將套管四周封嚴，在深層地下水高壓下可能形成竄槽。因此，在今后地熱能井的施工中，為更好保護淺層地下水，這種止水方式應重新研究。

3 未來中深層地熱鉆井技術發展趨勢

3.1 適合城區施工的模塊化、電控化鉆井設備

2010年以后，關中地區施工的地熱井深度基本在3 000 m以上，最深的超過4 500 m，因此未來鉆井設備的能力應按照滿足3 000～5 000 m深度考慮。在滿足施工能力要求的同時，要具有結構緊湊、占地面積小、布置靈活的特點，以適應城市施工井場緊湊化布置要求；最好是采用模塊化結構，拆裝便捷，運輸方便。為滿足狹小井場井架起升要求，宜采用垂直起升結構形式的井架；動力傳動系統要考慮環保和噪聲控制以及節能運行等要求，尤其從環保控制霧霾考慮，采用電驅電控鉆機已成為一種趨勢。因此，關中地區地熱井用鉆機也應改變原有單一柴油機驅動方式，采用電力驅動或柴電互換混動，并設計網電接口。對高噪聲源設備，進行隔音罩、隔聲屏設計，將整機噪聲控制在50 dB以下。

未來鉆機自動化、電控智能化是發展趨勢，包括頂部驅動裝置、自動排管設備、井口鐵鉆工、自動控壓鉆井系統、一體化司鉆控制室等。為適應環保要求，要配備泥漿固控不落地設備，采用模塊化結構，以便于靈活組裝和運輸。

3.2 推廣氣動潛孔錘和氣舉反循環鉆進工藝

近年，國內許多地熱井施工采用氣動潛孔錘和氣舉反循環鉆進工藝，取得了較好的應用。從地層來看，關中北部和西部奧灰巖地層分布較廣，采用氣動潛孔錘鉆進可以大幅度提高效率，應該對深孔潛孔錘施工配套和應用大力研究與推廣。結合地層采用正反循環工藝，不僅能夠滿足大口徑和深井的施工要求，而且具有保護井壁、防止坍塌、不污染含水層和減少井內事故發生、成井質量好等優點，具有在關中盆地的推廣應用價值。

3.3 研發換熱定向鉆井工藝

定向井應用于地熱開發，不僅可以增加在熱儲層的采熱井筒長度，而且在一個井場可以布置多口地熱井，井底獲得更大的采熱面積，在城市小區施工具有很高的應用前景。對采灌結合開發方式而言，可以將開采井和回灌井布置同一個場地，通過定向井拉大井底灌采層距離。水平U型對接井能大幅度增加熱儲層換熱效果，如果提高技術控制成本，會成為中深層地熱開發的新趨勢。

3.4 研發應用抗污染抗高溫鉆井液和工器具

鉆井過程中，防止地層污染是需要解決的長遠問題。因此研發應用防止熱儲層污染的屏蔽暫堵型抗高溫鉆井液體系是現實課題。

3.5 完善取熱開發配套的新材料新技術

在地熱尾水回灌短期內難以突破的情況下，關中地區應大力發展同心管換熱和水平對接井換熱這2種真正的取熱不取水開發方式，但是這2種方式也有一些新要求：一是要研發真正適合地熱井的固井水泥，包括用于井底的高效熱傳導水泥和用于上部井段的隔熱水泥。二是研發地熱井用套管，最主要的是用于上部井段的套管要有保溫隔熱措施，以降低套管內外的熱交換。三是研發新型同心管換熱。目前油田稠油熱采技術中的真空管，保溫隔熱效果比較理想，但有待進一步降低成本；也可以借鑒其他隔熱管柱的結構，盡快淘汰普通的PVC塑料同心管材。

4 結論

(1)鉆井及其配套技術是關中地區中深層地熱產業化、規模化開發的關鍵突破點，要從模塊化、場地集約化、環保節能等方面完善鉆井設備，以符合城市施工要求。定向鉆井、深孔潛孔錘、氣舉反循環、抗污染抗高溫鉆井液和工器具技術有利于提高地熱井開發成功率，應加快研發應用。

(2)從提高中深層地熱資源可持續利用出發，采水取熱開發方式要予以限制。同時在關中地區回灌技術難以突破的情況下，應積極發展取熱不取水的同心管換熱和水平對接井換熱方式。

(3)新型的取熱不取水方式要繼續研發高傳熱/隔熱效果的水泥，研發隔熱保溫同心換熱管，以提高取熱效果，提高井口出水溫度。