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            地熱鉆探

            添加時間:2017-09-13 11:09:23   瀏覽次數: 次   作者:不詳   出處:網絡    【 】   打印   關閉窗口

             地熱鉆探(geothermal drilling)

            以勘探或開發地熱資源為目的的鉆探工作。是工程鉆探的一部分。地下熱能儲量巨大,僅陸地以下地殼中儲存的熱能就相當于固體燃料、原油和天然氣等石化燃料的全部能量的1.3×103倍,是一種開發利用前景廣闊的能源。

            簡史 遠在公元前就有利用地下熱水灌溉、醫療以及從高礦化地下熱水中提取各種鹽類的記載。大規模利用地熱水供熱最早的國家是冰島,1930年已建成相當規模的地熱水供熱系統。日本、新西蘭、美國、蘇聯等許多國家也于同期先后建成不同規模的地熱水供熱系統,將地熱能直接用于采暖和工農業。

            意大利于1904年開始地熱能轉換為電能的研究。1913年首次在拉德瑞羅(Larderello)安裝了一臺250kW的地熱發電機,1958年以前地熱發電只在意大利有較大的發展。1958年以后,新西蘭、美國、日本等國家參與了地熱能轉換為電力的研究和開發工作。據對22個國家和地區的調查,1976年地熱發電的裝機容量為1325Mw。

            中國自20世紀60年代開始有計劃地對地熱能進行研究和開發,全國20多個省、市、自治區先后鉆鑿了數百口熱水井,用于采暖、沐浴、農業溫室,以及紡織產品洗滌等。自1975年起,在西藏羊八井鉆了數十口溫度為150℃的蒸汽井,并建立了地熱電站。

            特點 主要是:(1)溫度高。井口溫度超過60℃時,夏季施工困難,冬季水霧濃重;當井口溫度達80℃時易發生燙傷事故。普通水基泥漿在溫度60~80℃時開始變質,當溫度達190℃時就絮凝而不能使用。高溫時有害元素對設備和管材的腐蝕加劇。(2)巖層碎、深度大。地熱田大多處于火山活動地帶,巖石硬而碎,且埋藏深度大,鉆進中易釀成事故。(3)成井要求嚴格。處于高溫、高壓和高速氣流下工作的地熱井,對套管、過濾管的安裝和固井作業有嚴格要求。

            施工 地熱井施工的主要工序,有井身結構設計、鉆進、固井、完井和引噴。

            井身結構設計內容包括:確定套管的層次,各層套管的直徑和下入深度;各層套管相應的鉆頭直徑;各層套管外水泥漿的返回高度。井身結構設計主要取決于鉆井目的、巖層和熱儲層的性質、鉆井裝備和工藝技術水平等。合理的井身結構應符合優質、快速、安全鉆進的原則,滿足開采地熱時要求,并有利于節約材料,降低成本。對中、高溫地熱井井身結構設計還要著重考慮熱流帶來的特殊困難,主要是:熱應力對套管的影響;高速熱流對套管的沖蝕磨損;套管和過濾管結垢;較大的地層壓力梯度等。

            鉆進  地熱井的鉆進與油、氣、水井鉆進相似,為克服鉆進中的特殊困難,需要對鉆進方法、沖洗介質、鉆具、套管頭結構、井口裝置等采用相應的工藝技術措施。

            (1)鉆進方法。地熱井根據其地熱溫度分為低溫井(<100℃)、中溫井(100~150℃)、高溫井(150~250℃)和超高溫井(>250℃)四級。不同溫度的地熱井采用不同的鉆進方法。低溫地熱井多采用牙輪鉆頭或刮刀鉆頭全面鉆進,鉆進工藝與管井鉆進工藝相似;中、高溫地熱井常采用壓力平衡鉆進,即在井底最小壓力與裸眼地層孔隙內流體壓力相平衡條件下的鉆進,以防止井噴和提高鉆進效率;較深地熱井多采用綜合鉆進方法施工,即對非熱儲層或中、低溫熱儲層采用常規鉆進方法,干蒸汽熱儲層采用干空氣、霧化空氣、充氣泥漿和泡沫鉆進(見空氣鉆進),深部地層采用潛孔錘(見沖擊回轉鉆進)和金剛石鉆頭鉆進。

            (2)沖洗介質。對中、低溫地熱井,通常采用搬土一褐煤一苛性鈉泥漿,可在井溫150℃以內保持穩定。對高溫地熱井則采用熱穩定性、抗鹽性、分散性較好的海泡石泥漿、坡縷石泥漿、經特殊處理的高溫聚合物泥漿等。為減輕沖洗介質中氧對鉆具的腐蝕,常在沖洗介質中加入過量的氫氧根、高分子氨基樹脂、亞硫酸氫胺等,或用惰性氣體作沖洗介質。

            (3)鉆具。采用抗高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數小、強度高的合金鉆桿、鉆鋌,并在鉆桿、鉆鋌表面加防腐蝕涂料或作表面氮化處理。使用具有高硬度保徑齒的三牙輪鉆頭和聚晶金剛石鉆頭等。

            (4)套管頭結構。中、高溫地熱井的井口套管頭部受到很大的熱應力,若結構不當,可導致井口嚴重破壞。合理的套管頭結構應允許生產套管軸向熱伸縮、對生產套管具有扶正作用和能泄排水泥環中的氣體。圖1為套管頭結構型式之一。

            (5)井口裝置。低溫熱水井鉆進時,井口設導流槽或導流管,將返回的熱泥漿引出井場;中、高溫地熱井鉆進,井口要裝設由防噴器、各種管路、閘門、壓力表等組成的井口裝置,以保證安全鉆進和宄井后氣、水生產控制。

            固井 下套管和注水泥封固作業的總稱。鉆進至設計深度后,下入套管,并注入水泥漿封固套管與井壁之間的環形空間,以封隔易塌、易漏地層和避免含水體地層之間的干擾,為繼續鉆進和完井創造條件。地熱井的高溫會使水泥強度蛻化和滲透率增加,因此應采用抗高溫水泥固井。通常是往水泥中添加一種細微分散的硅粉,添加量為水泥質量的30%~60%便可達到高溫穩定;也可在水泥中加入苯乙烯、丙烯腈和丙烯酰胺等來提高水泥的抗高溫能力。

            完井 地熱井工程的最后環節,主要指熱儲層或目的層部位的井身結構(圖2)的建造。地熱井完井有裸眼、襯管和射孔套管完井三種基本方法。(1)裸眼完井。在鉆入熱儲層之前將生產套管安置固定在生產層以上,再鉆開熱儲層,生產井段為裸眼(圖2a)。(2)襯管完井。在鉆達熱儲層之前即下套管固井,再換徑鉆開熱儲層,將濾水管或襯。管下到生產套管以下的熱儲層中,以防止井孔被巖屑充填。如下入襯管,還需注水泥固定后射孔(圖2b、c)。(3)射孔套管完井。生產套管貫穿熱儲層并注水泥膠結,在熱儲層段射孔完井(圖2d)。

            引噴 采用有控制地降低井內壓力的方法,將熱儲層中的熱流體引入生產套管,使其由井口噴出的過程。選擇引噴方法的主要依據是地層壓力梯度。對地層壓力梯度大、自噴能力強的熱儲層,采用輕泥漿或替入部分清水的一次替噴法或二次替噴法引噴;對壓力梯度小、自噴能力較弱的熱儲層,采用氣舉引噴或回擠引噴;無自噴能力或為防止熱水擴容結垢而采用潛入式熱泵抽水的熱儲層,則無需引噴。


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