地热井施工使用中存在的问题及对策

杨振华

(山东省地质矿产勘查开发局八○一水文地质工程地质大队，济南 250014)

0 引 言

改革开放以来，我国社会经济得到飞速发展，但与之相伴的是对资源和环境不甚科学合理的使用和破坏。但随着两山理论的提出，我国将绿色发展观作为了重要发展方针，减少传统化石能源的使用和碳排放已成为当前发展的要求。地热能是一种可再生的洁净能源，存储量巨大，在地表两千米以内储藏的地热能超过2 500亿t标准煤，在供暖、养殖、医疗、发电等方面有着很好的经济、社会、环境效益，发挥着非常广泛的作用，因而我国不断重视地热资源的开发利用，应用领域也在不断拓展，地热井施工作为地热资源开发的重要工作，还存在着一些问题，如果有效解决这些问题将会显著提升地热井的成井质量，延长地热井的使用寿命。

1 地热开发利用行业现状

近年来，我国地热开发利用规模不断扩大，地热井施工市场也较为成熟，具备施工能力的单位主要分为国有单位(包括地矿、煤田等国有地勘队伍，以及石油系统企业)和民营钻探企业。其中，由于石油系统企业装备优势明显，因而占有较大市场份额，而地矿、煤田有着较强技术能力，也是市场中的重要力量。地热井钻与普通供水水井有很大不同：一是比普通水井的钻孔深度大，现有技术条件下，地热井深度一般超过1 000 m，深层的可超过3 500 m。二是开孔和终孔口径都比普通水井大，例如山东省地矿工程勘察院在山东潍坊滨海新区施工的多口地热井，地热井开孔口径Φ311 mm、终孔口径Φ215 mm。三是地层比较复杂，普通水井一般就是第三系、第四系，而地热井钻探过程一般要穿透二迭系、石炭系、奥陶系等，必须采用护壁措施。四是地热井水温一般超过30 ℃，必须要封闭低温含水层。五是地热井所用的钻探设备更复杂，工程造价也明显更高。不同地热井钻探工艺有不同特色，但也有不少相同之处，例如钻井工艺多采用正循环泥浆回转钻进，钻头基本上都是采用三牙轮的，不同施工项目主要区别在地热井结构、成井材料、泥浆以及固浆止水等方面。

现阶段，地热行业存在以下问题：一是地热行业管理还没有建立起适应社会需求的管理体制，地热市场管理仍比较混乱，比如资源底数不清，布局不合理，违规凿井、取水、开采现象时有发生，施工单位技术能力鱼龙混杂，针对这种情况，河北等省份则出台政策，关停了违法开采地热井。二是地热资源的勘探开采投入高、风险大、技术要求强，风险防控和社会保障制度还不及安全，影响投资者信心。三是系统的技术规范尚不健全，虽然制定了《地热井施工技术规程》(DB13T 2571-2017)，但技术规程、规范还需要进一步完善。四是虽然资源使用不合理，多数地热井没有实现梯次利用，没有回灌措施、没有落实环保措施等。

2 地热井使用过程中的主要问题

通常情况下，在地热井使用一段时间后，会出现水量不断减少、金属井管腐蚀、破裂、错位等问题，如果不能及时有效处理以上问题，不仅会导致地热井使用寿命减少，还可能导致次生环境问题，例如水温下降、深层地下水串层污染、地面不均匀沉降等问题，对生态环境造成不可弥补的破坏。经分析，出现以上问题的原因既有地质方面的客观原因，又有施工因素的影响。

2.1 水量减少的问题

地热井在使用一段时间后，普遍会出现水量减少的情况，部分地区出现过地热井平均年水位下降十米等端情况，具体原因分析如下。

2.1.1 施工工艺方面的原因

(1)钻进工艺导致

由于国内地热井钻探施工多采用正循环泥浆回转钻进方式，由于正循环工艺的循环泥浆是从钻杆内注入，钻碴随泥浆上升至孔顶排出，但随着钻碴的逐渐加多，泥浆浓度越来越大，又因钻渣沉淀而致重复碾磨，故施工效率较低，排渣效果与反循环相比较差。同时由于井内泥浆产生了一定的动压力和静压力，容易将泥浆辐射渗透到孔外地层，封堵其中裂隙、孔隙，加之没有采用先进的洗井措施，导致水量减少。

(2)围填滤料工艺导致

在第四系松散地层施工地热井时，主要采用扩大井径后投料的方式，围填滤料一般在下井管后进行，该种方式主要有以下不足：一是施工工艺导致滤料不均匀。由于地热井较深，容易产生滤料分选现象，细砾料在上部，而粗砾料在下部，在管弯曲等情况时,投料更难以保证均匀性，从而导致滤料粒径级配不满足设计要求，产生涌沙现象，沉积后影响出水量。二是滤料成分会影响出水量，例如石英等成分较少的砾料容易造成胶结，可能导致出水量减少。三是在不稳定地层中，滤料围填时容易导致井壁崩塌，在井管外部充填砾料与崩塌物的混合物，从而给下一步洗井工作带来困难，影响地热井出水量。这种工艺会导致洗井时间较长，严重影响施工工期，且一成井便存在含砂量较高、水量偏少的问题。

而一些基岩地区的地热井施工时，仅在井管下部下入中间套管或花管，而不投滤料，这种工艺对稳定基岩地区是可行的，但是对于泥页岩等不稳定岩层，如果采用不投滤料的工艺，在水的作用下容易导致应力释放，井壁会产生变形、剥落，经过一段时间的沉积，会形成井下环状间隙淤堵，严重影响含水层出水量。

2.1.2 非施工方面的原因

(1)水资源开采不科学

由于集中开采地热水，又没有充分回灌补充，导致地下水位持续下降，形成地下水漏斗，长期会导致地热报废、地下水资源匮乏乃至枯竭的现象。

(2)地热井发生堵塞

一是物理堵塞，即物体以其自然(物理)形态将地热井堵塞的现象。其中，井壁掉块堵塞，主要发生在基岩地层地热井中，在地层压力影响下，或者抽水强度超限，由于井筒内外压力失衡导致的井壁掉块，堵塞地热井；井内残留物堵塞，是由于洗井存在不足，导致钻井过程中形成的钻屑、黏土等残留物未有效清除，抽水时带入井内，产生淤塞；砂砾堵塞，主要发生在第三系地热井中，是由于抽水尤其是超限时，将井壁外侧地层中的细砂中砂抽入井内，在井底沉淀；铁锈堵塞，目前是地热井堵塞的主要情况，普遍发生在井内动水位以上井管、泵管等处，水位变动导致氧化加速，铁锈伴随着提泵过程中的震动或水文变动，落入井内。

二是化学堵塞，即地热水、地热井设施中的各种物质发生化学反应，形成不溶于水的沉淀物(主要包括碳酸钙、三氧化二铁、硫化亚铁等物质)，堵塞地热井的现象。其中，碳酸钙是水垢主要物质，在碳酸盐地层闲置地热井中发生较多，而在回灌过程中，还容易产生二氧化硅；三价铁主要是在氧化或微生物作用下，生成深红色不溶于水的胶泥状物体；硫化亚铁是在微生物作用下，将三价铁、硫酸根还原而成，生成黑色不溶于水的胶体，充填于各种缝隙，阻碍水流动。

2.2 地热井井身破坏的问题

在使用过程中，还会发生地热井井身破坏的情况，包括金属井管的错位、腐蚀等问题，导致地热井涌沙、水混、温度下降、水质较差等情况，极大缩短地热井使用寿命。

2.2.1 井管错位破坏

地裂缝地质灾害发生地区以及采空区附近，在地应力作用下，容易产生地裂缝或不均匀沉降，从而导致地热井井管发生错位。

2.2.2 金属井管腐蚀破坏

地热井普遍发生金属腐蚀现象，这是由多种腐蚀原因共同造成的，其中，局部锈蚀往往发生较多且对井身破坏较大，

(1)井管自身原因。金属井管通常采用杂质较多的碳素钢作为材料，其表面粗糙，极易产生腐蚀电池，导致井管腐蚀破坏。

(2)地热水或土壤原因。由于地热水温度较高，溶解了大量的矿物质，尤其是氯离子和溶解氧，对金属的腐蚀性较强。氯例子自身半径小，穿透力较强，即使已有保护层，仍可对碳钢等金属产生强烈的孔蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀，温度越高，氯离子腐蚀作用越强。溶解氧也是地热水中主要的腐蚀性物质，02通过地下深层地热水与空气接触溶入其中，对金属井管造成腐蚀。当地热水PH值较低时，容易产生全部暴露面的均匀腐蚀，使金属不断腐蚀变薄直至破坏；当有两种不同金属存在于导电性较强的地热水中，容易形成腐蚀电池，引起电偶腐蚀；在含砂量偏高、腐蚀性较强的地热井抽水过程中,会使地热水在金属井管表面产生相对运动，对金属造成磨损和腐蚀。此外，在特定环境下，金属井管外的土壤环境存在腐蚀性微生物，也会引起金属腐蚀，形成腐蚀电池。

3 解决对策

3.1 强化行业管理和前期论证

应加强地热资源开发利用规划管理，在地裂缝、采空塌陷地质灾害危险区域，开发应用地热资源应较为慎重，应做好地热井前期论证工作。应不断完善地热井施工验收规范，并按规定做好回灌工作，补充地下水的同时，避免地热水直接外排引起的化学污染和热污染，但要做好回灌试验、示踪试验，并做好全程监测，避免因回灌导致热储冷却，甚至最后丧失回灌能力。

3.2 科学合理的设计施工

应以国家规范和规程为标准，以实际需求为基础，明确地热井相关技术指标和设计施工要求，并将其纳入到经济合同之中，成为双方必须遵循的依据，规范地热井设计施工过程，保护建设单位和施工方权益。可以依据国家推荐标准《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)，制定科学合理的设计方案，参照各种技术规程指导施工过程，例如河北省可以参照《河北省地热井施工技术规程》(DB13/T 2571-2017 )执行。

3.3 合理选用洗井方式

针对地热井堵塞，主要可以采用三种方法，前期预防可以采用防氧化保护措施，堵塞后处理可以采用物理洗井、化学洗井措施其中，采用充氮气、二氧化碳或无氧水对置泵管、泵管进行防氧化保护，可以防治锈蚀，减少铁锈堵塞物；物理洗井方式主要有以下几种方式：可以通过喷射洗井方式，使水流通过滤水管，冲洗井壁和含水层裂隙；可以利用活塞洗井方式，通过抽吸作用，将井壁上的附着五河裂隙中的堵塞物清除；通过冲孔和捞砂，将沉积在井底的钻渣排出；使用压缩空气方法洗井方法使用较广泛，既可单独使用，也可联合使用，主要包括正循环和反循环两种方式。通常情况下，可以采用气举反循环工艺，选择空压机洗井；化学洗井，对物理洗井后参与的堵塞物进行溶解，再利用物理洗井排出井外，此种方式一般使用盐酸、洗井液、二氧化碳等材料，方式主要有以下几种：(1)可以采用酸洗井的方法，将酸洗液(一般为盐酸)注入井壁外碳酸盐裂隙中，溶解裂隙中的碎屑，扩大裂隙，显著提升出水量(2)利用盐(一般是焦磷酸钠)井内附着物发生反应，沉淀到井底后后排出。(3)对于300米以内的地热井，可以使用液态二氧化碳洗井。在地热井实际施工过程中，往往采用多种方法配合使用，才能取得理想效果，比如用酸洗方法后，再利用压缩空气洗井，才能将井底沉渣排出井外。利用压风机、水泵等设备进行联合洗井，但酸性化学物质对设备、工具、环境影响均较大，因而需要慎用。

3.4 加强对新工艺、新材料的研发

针对以上问题，应加强对井管材料、防腐工艺、新型泥浆以及新工艺的研发工作，减少普通碳钢井管的使用，应用物理、化学等表面涂层处理工艺，从而减少对深层地下水的污染。

4 结束语

针对地热井使用过程中存在水量减少、金属井管错位和腐蚀破裂等问题，应该选用合理的施工工艺，确保施工质量，此外，还应从设备、工艺等方面，强化对地热井(尤其是超深层地热井)施工和旧井处理的科研工作，只有这样，才能有效解决地热井使用中的各种问题，确保地热井的成井质量，延长地热井的使用寿命。