地熱井施工使用中存在的問題及對策

楊振華

(山東省地質礦產勘查開發局八○一水文地質工程地質大隊，濟南 250014)

0 引 言

改革開放以來，我國社會經濟得到飛速發展，但與之相伴的是對資源和環境不甚科學合理的使用和破壞。但隨著兩山理論的提出，我國將綠色發展觀作為了重要發展方針，減少傳統化石能源的使用和碳排放已成為當前發展的要求。地熱能是一種可再生的潔凈能源，存儲量巨大，在地表兩千米以內儲藏的地熱能超過2 500億t標準煤，在供暖、養殖、醫療、發電等方面有著很好的經濟、社會、環境效益，發揮著非常廣泛的作用，因而我國不斷重視地熱資源的開發利用，應用領域也在不斷拓展，地熱井施工作為地熱資源開發的重要工作，還存在著一些問題，如果有效解決這些問題將會顯著提升地熱井的成井質量，延長地熱井的使用壽命。

1 地熱開發利用行業現狀

近年來，我國地熱開發利用規模不斷擴大，地熱井施工市場也較為成熟，具備施工能力的單位主要分為國有單位(包括地礦、煤田等國有地勘隊伍，以及石油系統企業)和民營鉆探企業。其中，由于石油系統企業裝備優勢明顯，因而占有較大市場份額，而地礦、煤田有著較強技術能力，也是市場中的重要力量。地熱井鉆與普通供水水井有很大不同：一是比普通水井的鉆孔深度大，現有技術條件下，地熱井深度一般超過1 000 m，深層的可超過3 500 m。二是開孔和終孔口徑都比普通水井大，例如山東省地礦工程勘察院在山東濰坊濱海新區施工的多口地熱井，地熱井開孔口徑Φ311 mm、終孔口徑Φ215 mm。三是地層比較復雜，普通水井一般就是第三系、第四系，而地熱井鉆探過程一般要穿透二迭系、石炭系、奧陶系等，必須采用護壁措施。四是地熱井水溫一般超過30 ℃，必須要封閉低溫含水層。五是地熱井所用的鉆探設備更復雜，工程造價也明顯更高。不同地熱井鉆探工藝有不同特色，但也有不少相同之處，例如鉆井工藝多采用正循環泥漿回轉鉆進，鉆頭基本上都是采用三牙輪的，不同施工項目主要區別在地熱井結構、成井材料、泥漿以及固漿止水等方面。

現階段，地熱行業存在以下問題：一是地熱行業管理還沒有建立起適應社會需求的管理體制，地熱市場管理仍比較混亂，比如資源底數不清，布局不合理，違規鑿井、取水、開采現象時有發生，施工單位技術能力魚龍混雜，針對這種情況，河北等省份則出臺政策，關停了違法開采地熱井。二是地熱資源的勘探開采投入高、風險大、技術要求強，風險防控和社會保障制度還不及安全，影響投資者信心。三是系統的技術規范尚不健全，雖然制定了《地熱井施工技術規程》(DB13T 2571-2017)，但技術規程、規范還需要進一步完善。四是雖然資源使用不合理，多數地熱井沒有實現梯次利用，沒有回灌措施、沒有落實環保措施等。

2 地熱井使用過程中的主要問題

通常情況下，在地熱井使用一段時間后，會出現水量不斷減少、金屬井管腐蝕、破裂、錯位等問題，如果不能及時有效處理以上問題，不僅會導致地熱井使用壽命減少，還可能導致次生環境問題，例如水溫下降、深層地下水串層污染、地面不均勻沉降等問題，對生態環境造成不可彌補的破壞。經分析，出現以上問題的原因既有地質方面的客觀原因，又有施工因素的影響。

2.1 水量減少的問題

地熱井在使用一段時間后，普遍會出現水量減少的情況，部分地區出現過地熱井平均年水位下降十米等端情況，具體原因分析如下。

2.1.1 施工工藝方面的原因

(1)鉆進工藝導致

由于國內地熱井鉆探施工多采用正循環泥漿回轉鉆進方式，由于正循環工藝的循環泥漿是從鉆桿內注入，鉆碴隨泥漿上升至孔頂排出，但隨著鉆碴的逐漸加多，泥漿濃度越來越大，又因鉆渣沉淀而致重復碾磨，故施工效率較低，排渣效果與反循環相比較差。同時由于井內泥漿產生了一定的動壓力和靜壓力，容易將泥漿輻射滲透到孔外地層，封堵其中裂隙、孔隙，加之沒有采用先進的洗井措施，導致水量減少。

(2)圍填濾料工藝導致

在第四系松散地層施工地熱井時，主要采用擴大井徑后投料的方式，圍填濾料一般在下井管后進行，該種方式主要有以下不足：一是施工工藝導致濾料不均勻。由于地熱井較深，容易產生濾料分選現象，細礫料在上部，而粗礫料在下部，在管彎曲等情況時,投料更難以保證均勻性，從而導致濾料粒徑級配不滿足設計要求，產生涌沙現象，沉積后影響出水量。二是濾料成分會影響出水量，例如石英等成分較少的礫料容易造成膠結，可能導致出水量減少。三是在不穩定地層中，濾料圍填時容易導致井壁崩塌，在井管外部充填礫料與崩塌物的混合物，從而給下一步洗井工作帶來困難，影響地熱井出水量。這種工藝會導致洗井時間較長，嚴重影響施工工期，且一成井便存在含砂量較高、水量偏少的問題。

而一些基巖地區的地熱井施工時，僅在井管下部下入中間套管或花管，而不投濾料，這種工藝對穩定基巖地區是可行的，但是對于泥頁巖等不穩定巖層，如果采用不投濾料的工藝，在水的作用下容易導致應力釋放，井壁會產生變形、剝落，經過一段時間的沉積，會形成井下環狀間隙淤堵，嚴重影響含水層出水量。

2.1.2 非施工方面的原因

(1)水資源開采不科學

由于集中開采地熱水，又沒有充分回灌補充，導致地下水位持續下降，形成地下水漏斗，長期會導致地熱報廢、地下水資源匱乏乃至枯竭的現象。

(2)地熱井發生堵塞

一是物理堵塞，即物體以其自然(物理)形態將地熱井堵塞的現象。其中，井壁掉塊堵塞，主要發生在基巖地層地熱井中，在地層壓力影響下，或者抽水強度超限，由于井筒內外壓力失衡導致的井壁掉塊，堵塞地熱井；井內殘留物堵塞，是由于洗井存在不足，導致鉆井過程中形成的鉆屑、黏土等殘留物未有效清除，抽水時帶入井內，產生淤塞；砂礫堵塞，主要發生在第三系地熱井中，是由于抽水尤其是超限時，將井壁外側地層中的細砂中砂抽入井內，在井底沉淀；鐵銹堵塞，目前是地熱井堵塞的主要情況，普遍發生在井內動水位以上井管、泵管等處，水位變動導致氧化加速，鐵銹伴隨著提泵過程中的震動或水文變動，落入井內。

二是化學堵塞，即地熱水、地熱井設施中的各種物質發生化學反應，形成不溶于水的沉淀物(主要包括碳酸鈣、三氧化二鐵、硫化亞鐵等物質)，堵塞地熱井的現象。其中，碳酸鈣是水垢主要物質，在碳酸鹽地層閑置地熱井中發生較多，而在回灌過程中，還容易產生二氧化硅；三價鐵主要是在氧化或微生物作用下，生成深紅色不溶于水的膠泥狀物體；硫化亞鐵是在微生物作用下，將三價鐵、硫酸根還原而成，生成黑色不溶于水的膠體，充填于各種縫隙，阻礙水流動。

2.2 地熱井井身破壞的問題

在使用過程中，還會發生地熱井井身破壞的情況，包括金屬井管的錯位、腐蝕等問題，導致地熱井涌沙、水混、溫度下降、水質較差等情況，極大縮短地熱井使用壽命。

2.2.1 井管錯位破壞

地裂縫地質災害發生地區以及采空區附近，在地應力作用下，容易產生地裂縫或不均勻沉降，從而導致地熱井井管發生錯位。

2.2.2 金屬井管腐蝕破壞

地熱井普遍發生金屬腐蝕現象，這是由多種腐蝕原因共同造成的，其中，局部銹蝕往往發生較多且對井身破壞較大，

(1)井管自身原因。金屬井管通常采用雜質較多的碳素鋼作為材料，其表面粗糙，極易產生腐蝕電池，導致井管腐蝕破壞。

(2)地熱水或土壤原因。由于地熱水溫度較高，溶解了大量的礦物質，尤其是氯離子和溶解氧，對金屬的腐蝕性較強。氯例子自身半徑小，穿透力較強，即使已有保護層，仍可對碳鋼等金屬產生強烈的孔蝕、應力腐蝕和縫隙腐蝕，溫度越高，氯離子腐蝕作用越強。溶解氧也是地熱水中主要的腐蝕性物質，02通過地下深層地熱水與空氣接觸溶入其中，對金屬井管造成腐蝕。當地熱水PH值較低時，容易產生全部暴露面的均勻腐蝕，使金屬不斷腐蝕變薄直至破壞；當有兩種不同金屬存在于導電性較強的地熱水中，容易形成腐蝕電池，引起電偶腐蝕；在含砂量偏高、腐蝕性較強的地熱井抽水過程中,會使地熱水在金屬井管表面產生相對運動，對金屬造成磨損和腐蝕。此外，在特定環境下，金屬井管外的土壤環境存在腐蝕性微生物，也會引起金屬腐蝕，形成腐蝕電池。

3 解決對策

3.1 強化行業管理和前期論證

應加強地熱資源開發利用規劃管理，在地裂縫、采空塌陷地質災害危險區域，開發應用地熱資源應較為慎重，應做好地熱井前期論證工作。應不斷完善地熱井施工驗收規范，并按規定做好回灌工作，補充地下水的同時，避免地熱水直接外排引起的化學污染和熱污染，但要做好回灌試驗、示蹤試驗，并做好全程監測，避免因回灌導致熱儲冷卻，甚至最后喪失回灌能力。

3.2 科學合理的設計施工

應以國家規范和規程為標準，以實際需求為基礎，明確地熱井相關技術指標和設計施工要求，并將其納入到經濟合同之中，成為雙方必須遵循的依據，規范地熱井設計施工過程，保護建設單位和施工方權益。可以依據國家推薦標準《地熱資源地質勘查規范》(GB/T 11615-2010)，制定科學合理的設計方案，參照各種技術規程指導施工過程，例如河北省可以參照《河北省地熱井施工技術規程》(DB13/T 2571-2017 )執行。

3.3 合理選用洗井方式

針對地熱井堵塞，主要可以采用三種方法，前期預防可以采用防氧化保護措施，堵塞后處理可以采用物理洗井、化學洗井措施其中，采用充氮氣、二氧化碳或無氧水對置泵管、泵管進行防氧化保護，可以防治銹蝕，減少鐵銹堵塞物；物理洗井方式主要有以下幾種方式：可以通過噴射洗井方式，使水流通過濾水管，沖洗井壁和含水層裂隙；可以利用活塞洗井方式，通過抽吸作用，將井壁上的附著五河裂隙中的堵塞物清除；通過沖孔和撈砂，將沉積在井底的鉆渣排出；使用壓縮空氣方法洗井方法使用較廣泛，既可單獨使用，也可聯合使用，主要包括正循環和反循環兩種方式。通常情況下，可以采用氣舉反循環工藝，選擇空壓機洗井；化學洗井，對物理洗井后參與的堵塞物進行溶解，再利用物理洗井排出井外，此種方式一般使用鹽酸、洗井液、二氧化碳等材料，方式主要有以下幾種：(1)可以采用酸洗井的方法，將酸洗液(一般為鹽酸)注入井壁外碳酸鹽裂隙中，溶解裂隙中的碎屑，擴大裂隙，顯著提升出水量(2)利用鹽(一般是焦磷酸鈉)井內附著物發生反應，沉淀到井底后后排出。(3)對于300米以內的地熱井，可以使用液態二氧化碳洗井。在地熱井實際施工過程中，往往采用多種方法配合使用，才能取得理想效果，比如用酸洗方法后，再利用壓縮空氣洗井，才能將井底沉渣排出井外。利用壓風機、水泵等設備進行聯合洗井，但酸性化學物質對設備、工具、環境影響均較大，因而需要慎用。

3.4 加強對新工藝、新材料的研發

針對以上問題，應加強對井管材料、防腐工藝、新型泥漿以及新工藝的研發工作，減少普通碳鋼井管的使用，應用物理、化學等表面涂層處理工藝，從而減少對深層地下水的污染。

4 結束語

針對地熱井使用過程中存在水量減少、金屬井管錯位和腐蝕破裂等問題，應該選用合理的施工工藝，確保施工質量，此外，還應從設備、工藝等方面，強化對地熱井(尤其是超深層地熱井)施工和舊井處理的科研工作，只有這樣，才能有效解決地熱井使用中的各種問題，確保地熱井的成井質量，延長地熱井的使用壽命。