2004年第2期 探矿工程(岩土钻掘工程)43

地热井常见主要问题分析与研究

卢予北

(河南省地质工程公司,河南郑州450053)

摘 要:针对目前地热井施工技术现状及地热井使用中常见的问题,进行了较为详细的分析和研究,并就今后发展方向和建议进行了初步探讨。

关键词:地热井;金属井管;腐蚀;结垢;问题研究;发展方向;建议

中图分类号:TE249 文献标识码:A 文章编号:1672-7428(2004)02-0043-05

AnalysesandResearchonFrequentlyOccurredProblemsinGeothermalWell/LUYu bei(http://pany,ZhengzhouHenan450053,China)

Abstract:Thecurrentsituationofgeothermalwellconstructiontechnologyandfrequentlyoccurredingeothermalwellus ageareanalyzedandresearchedindetail.Thefuturedevelopmentdirectionandsomesuggestionsareputforwards.Keywords:geothermalwell;metalcasing;corrosion;fouling;problemresearch;developmentdirection;suggestion

地热作为一种新型的洁净资源和能源,广泛应用于洗浴、医疗保健、供暖、发电、种植与养殖、矿泉饮用等领域。随着社会文明程度的进一步提高和经济的迅速发展,愈来愈多相关地热资源的开发利用项目逐渐增多,特别是北京、天津、西安等地发展较快,并形成一定的规模。其他地区如河南郑州、开封、洛阳、漯河、周口、鹤壁,安徽的阜阳、亳洲等地,近年来,在地热资源开发利用方面也正在兴起。由于地热资源的大规模开发利用,无论是社会效益、经济效益,还是环境效益方面都取得了显著的效果。但是,就目前的施工技术来看,在其工艺和材料选择等方面还存在着一定的差距和不足,这些问题的存在将直接影响着地热井的使用寿命和地质环境。1 地热井施工技术现状

目前在国内从事地热钻井施工的主要有石油、煤田、地矿等系统,除此之外还有民营的一些股份公司或个体,其中石油系统以设备的优势占据着较大的市场。从钻井深度上来看,目前的地热井深度一般在1000~4000m之间,地热流体温度多数在40~100!之间,钻探所遇地层主要是第四系、第三系、二迭系、三迭系、石炭系、奥陶系等。在钻井工艺方面各有特色和千秋,其共同点是:基本都以正循环泥浆回转钻进为主,钻头为三牙轮(镶齿或钢齿)。

收稿日期:2003-04-29

主要的不同点是:石油、煤田和地矿系统的钻井工艺

都具有行业特点,主要反应在钻井结构、固井止水、成井材料等方面,具体情况见表1。

表1 各系统地热钻井工艺和其他情况对比

系统石油煤田地矿

常用钻

井结构

固井止水材料

成井材料

石油管材

石油管材、普通钢管

钻井费用

(相对值)

高较高较低

三开、四开水泥三开、四开水泥

二开、三开碎石粘土球普通钢管、桥式滤水管

从目前地热井使用的情况来看,石油和煤田系统采用的水泥固井和石油套管较为合理,而地矿系统采用的投砾或下入贴砾滤水管较为合理。无论怎样,对国内多数地区地热井调查和检测的结果显示,在目前技术经济条件下,地热井常见的主要问题是:水量逐年减少和金属井管腐蚀破裂、错位。腐蚀破裂或错位的地热井又同时引发涌砂、出混水、水温下降、水质恶化、水量逐渐减少,甚至导致区域性的地下深层水的污染或地面沉降。

2 地热井常出现的主要问题与成因分析

地热井在正常使用2~6年后均会出现水量减少、井管腐蚀破裂或错位(水温下降、涌砂或出混水、水质恶化)等问题。对于石油、煤田系统施工的地热井来说,一般容易出现水量减少问题;而对于地矿系统施工的地热井则容易出现水温下降、涌砂或出混

作者简介:卢予北(1964-),男(汉族),河北平山人,河南省地质工程公司副总工程师兼钻井公司经理、高级工程师,地质工程(探矿工程)专业,硕士,从事地热资源勘察与开发、现代水井与旧井处理工程研究与管理工作, 郑州市超深层地下水与地热资源科学钻探与开发 项目主持人,河南省郑州市南阳路56号,(0371)3941526,Lyb3@263 net。

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水、水质恶化等问题,特别是在河南,这类问题几乎在使用2~3年后便出现。导致这些问题有的是客观上的因素,有的则是由于钻井工艺和材料选择等方面的原因。2 1 水量减少

所有水井正常使用2~6年后都会不同程度地导致水量减少,特别是地热井更为严重。其成因和类型较多,主要有以下几方面。2 1 1 客观原因

(1)地层中的固体物(粘土、砂等颗粒)、水中的有机物等在水流和重力作用下沉淀井底,造成淤积而掩埋或充填含水层。

(2)地下水中含有大量的Ca2+和Mg2+等,这些阳离子与水中的碳酸根和硫酸根等阴离子反应生成沉淀物充填到裂隙并胶结成垢,造成含水层堵塞。

(3)地下水中的铁离子在缺氧情况下主要以Fe2+(无色)形式存在,当抽水过程中或在静水位和动水位之间水与空气接触时,水中的Fe转化为Fe3+,以Fe(OH)3黄色沉淀物出现,常年累计则可产生大量的Fe(OH)3沉淀物与其他沉积物一起形成化学淤泥而沉积在井内,逐步减小水井的有效深度,并掩埋部分滤水管(进水通道),从而造成水量逐年减少。

(4)地下金属井管腐蚀和结垢是普遍存在的问题,井内沉淀胶结会加速金属腐蚀,腐蚀产物又会形成新的结垢物,二者同时伴生。特别是腐蚀产物形成的结垢物充填在滤水管缝隙中并具很高的强度,堵塞了地层的进水通道。

(5)井内堵塞的另一种因素还有微生物粘泥。在井内产生这种堵塞物的微生物主要是铁细菌(好氧菌)和硫酸盐还原菌(厌氧菌),这些微生物一方面因为自身大量繁殖产生结垢;另一方面其分泌物产生 微生物粘泥 与其他固体物混合粘附在井壁上而形成胶结物。井管中上部最常见的桔黄色 凸状锈瘤 则是由于铁细菌大量生长繁殖而引起。铁细菌包括:嘉氏铁杆菌(Gallionella)、球衣细菌(Sphaerotilus)、鞘铁细菌(Siderocapsa)和泉发菌(Crenothrix)等。铁细菌繁殖的条件是: 在含铁的水中生长;#通常被包裹在铁的化合物中。铁细菌是好氧菌,但也可在氧含量<0 5mg/L的水中生长,最终生成体积很大的红棕色的粘性沉积物 锈瘤 (主要成分是Fe2O3),其原理是:铁细菌能使水中的亚铁离子转化为不溶于水的三氧化二铁的水

2+

2Fe2++1 5O2+XH2O%Fe2O3&XH2O另外,由于铁细菌的大量繁殖,产生 锈瘤 堵塞井管的同时,也容易使井管出现许多溶解氧浓差电池,而造成井管的局部腐蚀,如图1所示。

图1 滤水管胶结堵塞(滤水管堵塞严重基本不透水)

(6)水位下降。城市大量无序地开采地下水,使地下水下降速度过快而造成地下水资源枯竭。2 1 2 钻井工艺方面的原因

(1)井管下入后不投砾。有的地区地热井在下部不投砾,仅下入技术套管或滤水管。这种成井工艺在部分稳定的基岩内可行,但是在一些遇水膨胀、剥落、掉块或易产生应力释放的岩层,如页岩、泥岩、砂岩等地层,如果不投砾进行围填或隔离,则在一定时间内由于吸水或应力释放而形成岩层的膨胀、剥落、掉块,从而逐渐造成井下环状间隙淤积和堵塞,最终导致含水层的封闭和不出水。这种现象一般在1~3年内即可出现,随后水量逐年衰减,如西安交大的1700、2500m和陕西宾馆的3800、1450m地热井则属此类型,特别是陕西宾馆的3800m地热井在使用不到2年就出现了水量急剧衰减问题。上述的地热井都是在下管后未填砾料,并且水量衰减幅度较大(原水量都在50~80t/h,现仅有5~10t/h)。

(2)下管后投砾。在第四系松散层钻井,一般都是在下管后投入普通的砾料进行围填和过滤。这种工艺主要采用扩大井径的方式投砾,以达到过滤目的。该工艺的弊端主要有: 增加钻井口径,势必会增加钻井成本,并且增加了钻机和钻具的扭矩和危害性;#投砾过程中很容易造成砾料的分选,即相对粗的颗粒先沉入井底,较细的颗粒则悬浮在上部,因此使地层与砾料颗粒级配不合理而导致涌砂,特别是较深的地热井,由于砾料下沉时间长,分选的层次更严重; 投砾过程中,很容易导致不稳定地层坍塌,而使砾料不到位或者砾料泥皮混在一起充填在井管外围,造成洗井困难,甚至严重影响单井出水量;(井斜或下管弯曲时,围填砾料很难保证其厚度的均匀性;)石英含量较低的砾料,容易造成胶结,,

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是,确实难以保证井的质量,众多的水井含砂量偏高、甚至大量涌砂和水量减少就足以佐证这种工艺的不可靠性!这种工艺在河南应用最广泛,有时洗井时间超过钻井时间,水量偏少问题一般在新井建成后即可出现。

(3)正循环泥浆钻进。目前国内地热井的钻探深度一般都在1000~4000m之间,无论是石油、煤田系统还是地矿系统,其钻井工艺几乎都是正循环泥浆钻进。由于井内泥浆柱静压力和动压力较高,将导致泥浆辐射性渗透和污染地下含水层,再加之没有先进的洗井方法,则容易造成水量偏低等问题。2 2 金属井管腐蚀破裂与错位

随着环境对地下水和土壤的污染,金属井管的腐蚀问题也愈来愈严重。地下金属井管腐蚀环境主要有地下水介质和土壤两种。井管腐蚀破裂后,将导致水井涌砂或出混水、水温下降、水质恶化等问题,如图2

所示。

步氧化,生成黄色的锈FeOOH或Fe2O3&H2O,而不是Fe(OH)3。如果水中的氧不充足,则Fe(OH)2进一步氧化成为绿色的水合四氧化三铁或黑色的无水

四氧化三铁。有些旧井常出现一些黄色或黑色水现象,实际就是井管腐蚀的结果。这些产物干燥后呈粉末状,且密度较小(1 01~1 1kg/L),在井内常处于漂浮状态或储存在变径或其它缝隙处。2 2 2 金属井管腐蚀的主要类型

一般情况下,金属腐蚀现象是普遍存在的问题,也是不可避免的正常现象,普通碳钢的腐蚀均匀速度在0 125~0 25mm/年。在地热矿泉供水井中,常用的井管壁厚为6~10mm,在正常情况下其使用寿命应在20年以上。但是在现实情况中,有些地热井的井管在2~3年内就遭受强烈腐蚀而穿透管壁。这说明:金属井管的腐蚀不是简单的某一种类型的腐蚀,而是多种类型联合腐蚀的结果,并且大多以局部腐蚀(孔蚀)为主。根据目前地热井工程技术现状和水平,其井下腐蚀的类型主要有以下几种:

(1)均匀腐蚀:均匀腐蚀又称全面腐蚀或普遍腐蚀。其腐蚀过程是在金属井管的全部暴露表面上均匀进行,其金属逐渐变薄最后被破坏。在有些地区地下水的pH值偏低时容易产生该类型的腐蚀。

(2)电偶腐蚀:电偶腐蚀又称双金属腐蚀或接触腐蚀。当两种不同的金属同时存在于导电性较强的水介质中,由于两种金属的电极电位不同,则容易形成电子的流动,从而形成一个腐蚀电池。电极电位较低的金属腐蚀速度较快,电极电位高的金属则腐蚀速度下降。由于金属井管存在着杂质,故电偶腐蚀类型在水井中普遍存在。另外,水泵或泵管的材料与井管材料相差较大时,也会出现电偶腐蚀。如:河南省广播电视厅家属院、黄河水利委员会家属院2眼700~800m地热矿泉供水井,抽水设备为进口不锈钢水泵,而井管为普通钢管,水井含砂量均低于1/20万。水泵分别运行3和6个月均出现水泵电机烧毁,泵体均匀附着一层2~5mm黑色污泥(主要成分为四氧化三铁)。经分析认为:电机烧毁的主要原因是由于这些固体腐蚀产物吸附到泵中,使泵长期在较大阻力和散热条件不良情况下运行的结果。

(3)缝隙腐蚀:在井内,由于井管连接(管箍)、表面沉积物、金属的腐蚀产物(锈瘤等)缝隙内积存少量的静止流体,从而形成腐蚀电池。这种腐蚀形态称缝隙腐蚀,也称垢下腐蚀或沉积腐蚀。这种类型图2 金属井管腐蚀破裂和错位

2 2 1 金属井管腐蚀机理

当金属井管表面粗糙、杂质含量高、水中溶解氧浓度差等问题存在时,在水介质中的金属井管会形成许多腐蚀电池。其中,活泼的部位成为阳极,腐蚀学上称阳极区;而不活泼的部位则称阴极,腐蚀学上称阴极区。电极电位小者成负极,容易失去电子遭受腐蚀;电极电位大者成正极,正极区不遭受腐蚀。在一般中性水中,其腐蚀机理为电化学的氧化还原反应。

在阳极区,碳钢氧化生成亚铁离子进入水中,并在碳钢的金属基体上留下2个电子。与此同时,水中的溶解氧则在阴极区接受从阳极区流过来的2个电子,还原为OH-。其电极反应式为:

阳极区 Fe%Fe2++2e

阴极区 1/2O2+H2O+2e%2OH-当亚铁离子和氢氧根离子在水中相遇时,则生成Fe(OH)2沉淀:

Fe+2OH%Fe(OH)2

,Fe(22+

-

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蚀的沉积物有:泥沙、腐蚀产物、水垢、微生物粘泥。

(4)孔蚀:孔蚀又称点蚀或坑蚀,是在金属表面上产生小孔的一种极为局部的腐蚀形态。这种孔的直径大小不一。有些孔蚀孤立存在,有些则是紧凑在一起,像一片粗糙的表面。孔蚀与地下水中氯离子含量有很大关系。

(5)磨损腐蚀:磨损腐蚀又称冲击腐蚀、冲刷腐蚀或磨蚀。它是由于腐蚀性流体和金属井管表面的相对运动引起的金属加速破坏和腐蚀。特别是在抽水过程中,含砂量偏高时,磨损腐蚀速度增加。

(6)应力腐蚀:应力腐蚀是指拉应力和特定腐蚀介质的共同作用而引起金属的破裂。井管的应力来源主要有:焊接应力、管材自重产生的拉应力、滤水管残余应力等。如:河南开封20集团军、黄河渔场和河南省武警总队1200m地热矿泉井,分别在466、454、69m井管焊接处出现破裂进水,其主要原因就是由于应力腐蚀而引起。

金属井管在土壤环境中的腐蚀机理与在水介质中相同。由于土壤的多相性、不均匀性、相对固定性等,都能产生许多腐蚀电池。与腐蚀有关的土壤性质主要有孔隙度、含水量、电阻率、酸度、含盐量。另外,当土壤pH=5~9时,温度在25~30!条件下,硫酸盐还原菌(厌氧菌)在土壤中大量存在,并参加电极反应过程,其机理是将可溶性硫酸盐转化为硫化氢,并和铁作用生成硫化亚铁。由于生成硫化氢,使土壤中的H+浓度增大,因此阴极反应过程氢的去极化作用加强,从而加速了腐蚀作用。其反应式为:

阳极 Fe-2e%Fe

2+

总而言之,胶结成垢和金属井管的腐蚀是普遍存在的一种客观现象,也是影响地热井使用寿命的重要因素,并且结垢与腐蚀相互伴生、相互影响和促进,结垢加速腐蚀,腐蚀产生结垢。二者与地下水或土壤(岩性)中的pH值、温度、含盐量、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、Cl-、SO42-浓度、水中的悬浮物、碱度、流速等因素有关。

井管的错位问题主要发生在地裂缝活动区、采煤区或其他矿区,主要是由于地质或地层应力的不均或突变造成。如西安市多数地热井上部的井管错位主要是因为地裂缝原因造成,一般发生在10~300m之间;河南新密市煤矿区的井管错位则由于地面不均匀沉降造成,一般发生在20~150m之间。3 地热钻井工程发展方向与建议

在目前技术经济条件下,上述问题的存在,有些是不可避免的,而有些则可通过一定的技术手段和措施解决。随着知识经济的逐步发展和进一步加强对地热钻探工程技术的研究和新技术、新方法的推广应用,可以预测,在今后5~10年内将会使其工艺和技术得到进一步的提高和发展。其发展方向与建议如下。

3 1 制定 地热井工程施工规范与验收标准+

我国到目前为止还没有一个具体的 地热井工程施工规范与验收标准+,这样一来则出现许多不规范、不科学、不合理的施工方法和工艺。不同系统的施工工艺和技术方法几乎都是沿用本行业的规范和技术标准,其成井验收标准也是参照普通供水井的质量验收标准,对于地热井施工和验收显然存在着许多不合理的地方。所以,加快制定 地热井工程施工规范与验收标准+势在必行,并使地热井工程规范化、科学化、合理化,真正使之产生较好的经济效益、社会效益和环境效益。

3 2 加强对地热井工程市场的管理

地热资源的勘查与开发是20世纪90年代兴起的一个产业,特别是近几年来发展迅速。但是由于其工程市场的不规范和管理上的混乱,导致 多头管理 、 多头收费 、 人情工程 、 腐败工程 等不正常现象滋生蔓延。在施工方面许多技术实力差,甚至没设备或专业技术人员的单位和个人都能利用关系在当地水利系统办理一个 甲级钻井资质证 并承揽地热井工程,一些招标投标仅仅是一个过程。由于地热井工程质量得不到保证,不但给建设单位造成阴极 H++e%H

细菌参加的阴极反应为:

8H+CaSO4%H2S+2H2O+Ca(OH)2H2S=H++HS-腐蚀产物:Fe2++HS-%FeS+H+

Fe2++2OH-%Fe(OH)2总反应式为:

4Fe+CaSO4+4H2O=FeS+Ca(OH)2+3Fe(OH)2

上述为金属井管在土壤和地下水介质中的几种腐蚀类型。在河南,多数地热井在较短时间内出现涌砂或出混水、水温下降、水质恶化等问题,都是因为金属井管的多种类型的联合腐蚀而引起破裂造成的,也是由于在成井工艺上采用碎石和粘土球固井

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果。

3 4 加速新型过滤器的研制与推广应用工作

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的问题,如:地下深层水迅速污染、地面不均匀沉降、井周围建筑物塌陷等。

地热井不同于其他的建设工程,它是一个重要的地下隐蔽工程,其质量的好坏不仅是经济的直接损失,更重要的是由此而引发的一系列环境问题(特别是造成地下深层水污染问题),造成一些不可挽回的损失。所以,在资质审批和业绩考核方面,应该由国家业务主管部委统一审批和管理。3 3 加强新材料新工艺的研究与应用

目前地热井容易出现的腐蚀与结垢问题,实际上与目前使用的材料有很大的关系。如:普通碳钢井管,由于材质含有一定的杂质或表面粗糙度过高,所以金属井管在地下水介质中很容易产生大量的腐蚀电池。所以,应该加强新材料或表面处理的研究工作,如物理涂层、化学涂层、激光涂层等技术的应用。在钻井工艺方面应该加强 绿色 在钻井工程中的渗透,特别是新型泥浆的研究和气举反循环工艺技术、气动和液动潜孔锤技术等联合钻井技术的推广应用,尽可能减轻钻井介质对地层的污染和堵塞。再者,加强石油钻井、煤田钻探和水文水井钻探技术的交叉与联合应用,以达到优势互补、取长补短的效

过滤器是地热井正常运行的 心脏 ,它的好坏

直接影响着其使用寿命。目前采用缠丝、桥式、条缝、梯型等类型的过滤器对于超深层的地热井来讲都不同程度上存在一些问题。目前我们采用自行研制的 新型高强度贴砾滤水管 ,尽管在河南1200m以内的地热井中取得了较好的成效,但对于更深的地热井,在高温、高压条件下是否安全可靠,还有待于进一步研究与试验。

3 5 实施超深层地热井处理工程技术研究项目

如果把新建地热井工程当做是一个产品的话,那么旧井处理工程则是售后的技术服务。尽管目前国内存在各种不同类型的洗井修井公司,也仅仅是处理一些普通的供水井。对于上千米或几千米的地热井处理,目前还未见有关报道。所以,对于高温、超深层条件下的地热井处理工程,同样是摆在我们面前的一个重要课题。根据现有经验和技术手段,我们应该从设备、测试仪器、机具、工艺、安全防护等方面进行研究。以便当地热井在使用过程中出现问题时得到及时解决。

天津地热资源可持续发展 院士行 情况简报

本刊讯 应天津市的邀请,中国工程院能源与矿业工程

学部于2003年10月12~14日组织了一次 院士行 ,参加成员如下:

朱建士(工程院院士,能源与矿业工程学部主任)

金 哲(学部办公室主任)

陈梦雄(中科院院士,水文地质专家)张宗祜(两院院士,水文地质专家)刘广志(工程院院士,探矿工程专家)赵文津(工程院院士,地球物理专家)

陶庆法(国土资源部环境司副司长)特约教授级高工、专家:刘振铎、张振国、孙昭伟天津市规划与国土资源局、地质矿产勘查局、地热勘查设计院的有关领导和人员参加了此次会议。会议听取了 关于天津和华北平原的地热地质背景及天津市热储特征、近30多年来勘探开发现状、存在问题以及今后地热持续开发的设想报告 等。

会上,院士与专家们充分肯定了30年来天津地区地热勘探开发、初步综合利用等以及地热开发管理取得的成就,对天津以至于华北地区如何深化对热储的认识,以及今后如何使地热资源实现可持续发展利用,都提出了建设性意见。

专家们认为:地热是一种宝贵的绿色资源,30多年的勘探开发,为改善天津市人民的生活质量,初步综合利用、勘查管理等都产生了一定的社会经济效益,但还存在一些问题制

约着可持续发展。例如:勘探程度落后于开发,至今对热储的成因、来源还未能有深一步的了解和定论;初步实现了综合利用,但实行阶梯(梯级)式开发,还有待于进一步深化与开展;高层次的开发,例如提取稀有贵重金属等,还没有列入日程;回灌淡水工程处于初步阶段;受行政区域划分的限制,例如京津冀地区广泛存在地热资源,但天津市取得的现有经验和成果,也未能推广到临近地区等等。专家们建言:这些科学技术问题不抓紧而逐个解决,热储可能逐渐枯竭,这是天津的问题,更是全国热储勘探与开发普遍存在的问题,天津如果解决了,有典型性、代表性、示范性,肯定对全国丰富的地热资源的保护、开发从而实现可持续发展具有指导意义。

对回灌工程中的关键技术问题,诸如:注意钻 对井 ,一口开采,用另一口将干净的用过的热水原封回灌。严格控制回灌水的水质,要了解回灌层的空隙率、颗粒度和有无粘土成分;回灌水中的含菌量、水的酸碱度,以及井口灌注设施的配置等等。提倡积极实现阶梯式开采利用,即温度高的地热水居上游,用陶器管道逐级向以下各级输送,可以大幅度提高热效能利用,保护热储长期使用。

建议积极迅速起草好立项科学技术研究申请报告,以便早日争取立项,尽快开展科研实践工作。

(中国工程院天津地热 院士行 组 供稿)