关中地区地热井成井工艺探讨

      关中地区第三系地热资源丰富, 20世纪80年代以来, 地热资源开发进入黄金时期, 截至2005年已施工200余眼开采井, 井口水温最高达120℃, 一般60 ～ 70℃。西安市长安区东大乡北石村构造上位于秦岭北侧断裂(BF4)上盘, 为第四系洪积扇沉积, 下盘为元古界浅变质岩系, 为燕山期花岗岩及花岗闪长岩侵入体, 古生界变质岩系, 断裂带宽度200m。电测深资料反映, 第四系地层中有EW与NW向两组断裂追踪延展, 沿断裂带岩石挤压破碎, 糜棱岩发育, 喜山期以来一直作强烈垂直差异运动, 表现为张性并具左旋剪切现象, 与上述一级断裂贯通, 沿断裂带有地热异常分布。该区与秦岭北侧东西向约400 km的地质储热特征一样, 富集了大量地下热水资源。东大乡区内已开发的地热疗养院、地热水渔场已有五六家, 初具规模。

 

  1 地层岩性及含水性特征

 

  北石村位于东大乡的东部, 南距秦岭山脉仅1 000 m, 西距已开发的渔场热水井仅600 m, 东邻沣峪口森林公园3 km, 开发地热资源条件非常优越。

 

  经钻探岩屑地质录井, 北石村热水井地层岩性如下:0 ～ 30.00 m为表层耕作黄土层及漂石、卵石,成份为花岗岩, 含有潜水。30.00 ～ 354.36 m为亚砂土、亚粘土及粉砂土互层, 其中亚砂土、亚粘土为相对隔水层, 粉细砂、细砂土为潜水凉水含水层。

 

  354.36 ～ 360.16 m为亚粘土, 系隔水层也是保温层。360.16 ～601.00 m为中粒砂土及细粒砂土, 为储热含水层, 具承压性。

 

  2 成井工艺

 

  施工设备采用了水源-1000型钻机, 17.5 m四角钻塔, BW -850 /50泥浆泵, 6135 柴油机, WY-10/7型风泵。钻井结构见井管结构示意图。

 

  钻进方法:一开采用 311 mm牙轮钻头无芯,钻穿表层河卵石, 漂石;采用 500 mm的三翼刮刀式钻头扩孔至井深30 m;下入 377井壁管30 m、井壁管上端与机架固结;二开采用 311牙轮钻头, 钻至井深355.00 m。钻具组合为 89 mm钻杆+121 mm钻铤+ 280 mm扶正器+ 311 mm牙轮钻头;三开采用 215 mm牙轮钻头。开钻时, 带280 mm扶正器, 找中钻进2 ～ 3 m。恢复正常钻进后, 采用钻具组合为: 89 mm钻杆+ 121 mm钻铤+ 200 mm扶正器+ 215 mm牙轮钻头, 钻进至井深601 m, 达到井深位置。

 

  泥浆参数:仪器配备有粘度测试仪、比重称、泥浆失水仪、pH试纸等。一开采用黄泥土造浆, pH值8 ～ 9、粘度30 ～ 40 s, 比重1.15 ～ 1.20 g/cm3 , 不需控制水;二开与三开均采用腐植酸钾-CMC钻井液, 泥浆配方为:膨润土8% ～ 12%, CMC为0.10%～ 0.15%, 腐植酸钾0.15% ～ 0.18%, NaHCO3 为0.10% ～ 0.15%, 泥浆性能参数为:粘度25 ～ 28 s,比重1.10 ～ 1.15 g/cm3 , 失水量小于30 L/30 min,pH值8 ～ 9。

 

  异径井管止水:地热水井成井的关键是如何有效的完全隔离凉水含水层。以往成井的经验是用水泥封闭, 加上孔壁的自然塌落。主要是下入井管后,水泥在保温层的顶部是否量足或者是否能完全按设计到位, 另外水泥在保温层顶部或凝固或稀释的状态, 这些都很难确定或验证。所以设想:在保温层顶部下入长约3 ～ 5 m的异径井管后, 再用水泥封闭上部凉水含水层。其它则按施工要求, 进行破壁换浆、洗井、抽水试验等。

 

  3 成井效果

 

  北石地热水井按上述成井工艺施工后, 自溢流量60 m3 /h, 抽水流量大于100 m3 /h, 水温高达94℃, 居东大乡各地热水井之首。与其距离最近的地热井相比(水温60℃), 热效提高30%, 达到了预期目的。