我國(guó)地?zé)豳Y源開發(fā)利用及鉆進(jìn)技術(shù)

許劉萬，伍曉龍，王艷麗

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊065000)

1 概述

地?zé)崮苁且环N重要的能源，與其他可燃冰、頁巖氣新能源比較，地?zé)崮芫哂惺褂梅奖?、?jīng)濟(jì)、無污染、易于開采的特點(diǎn)。在此條件下國(guó)務(wù)院提出了我國(guó)對(duì)環(huán)境與發(fā)展采取的10條對(duì)策和措施。明確指出要“因地制宜地開發(fā)和推廣太陽能、風(fēng)能和地?zé)崮艿惹鍧嵞茉础?。從全?guó)各地的地?zé)崮苤苯永脕砜?，正以?qiáng)勁勢(shì)頭向規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化方向健康地發(fā)展。尤其自改革開放以來，隨著人民生活質(zhì)量的不斷提高和對(duì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，特別在人口密集的大、中城市，人們對(duì)地?zé)岬牟膳?、保健、療養(yǎng)、旅游等方面的需求更為迫切，這也是國(guó)內(nèi)地?zé)崾袌?chǎng)日益興旺的根本。有廣闊內(nèi)需市場(chǎng)的牽動(dòng)，同時(shí)又有豐富的地?zé)豳Y源保障，這就能促進(jìn)我國(guó)地?zé)崾袌?chǎng)的持續(xù)發(fā)展。

另外，地?zé)峥辈榧夹g(shù)的日趨成熟，大大提高了地?zé)嵘a(chǎn)井的成井率，減少了投資風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了開發(fā)者的積極性。

我國(guó)作為一個(gè)以中低溫地?zé)釣橹鞯牡責(zé)豳Y源大國(guó)，地?zé)豳Y源潛力幾乎遍布全國(guó)各省市自治區(qū)。隨著全球環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，地?zé)衢_發(fā)已興起了直接利用新的高潮，如:東北、華北、西北地區(qū)都加大了以地?zé)峁┡癁橹鞯拈_發(fā)力度。這對(duì)減少大量有害物質(zhì)的排放，并結(jié)合當(dāng)前國(guó)家對(duì)霧霾天氣的治理措施，有著非常重要的作用，取得的經(jīng)濟(jì)效益也顯而易見。

2 我國(guó)地?zé)豳Y源開發(fā)利用的趨勢(shì)

在回顧總結(jié)歷年來地?zé)衢_發(fā)工作的基礎(chǔ)上，為更好地開發(fā)利用地?zé)豳Y源，進(jìn)一步促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用，國(guó)家能源局、財(cái)政部、國(guó)土資源部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2013年1月還專門下達(dá)了“關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用的指導(dǎo)意見”(國(guó)能新能［2013］48號(hào))，這對(duì)于開發(fā)利用地?zé)崮芄ぷ鞯恼归_樹立了信心。

地?zé)崮苁谴蠹夜J(rèn)的清潔環(huán)保的新型再生能源，分布廣、儲(chǔ)量達(dá)、易開發(fā)、具有發(fā)展前景廣闊、市場(chǎng)潛力巨大，已作為我國(guó)21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的方向。

根據(jù)我國(guó)地?zé)崾袌?chǎng)的需求，要想真正利用好地?zé)豳Y源，就應(yīng)該從以下幾方面認(rèn)真考慮。

2.1 正確樹立開發(fā)利用地?zé)崮鼙仨氉袷氐氖马?xiàng)

認(rèn)真貫徹四部委下達(dá)的“關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用的指導(dǎo)意見”的精神，大力推進(jìn)地?zé)崮芗夹g(shù)進(jìn)步，按照技術(shù)先進(jìn)、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)可行的總體要求，使得地?zé)崮苜Y源實(shí)現(xiàn)合理有效利用。優(yōu)先發(fā)展城市區(qū)域供熱，用地?zé)崮芴娲蠖鄶?shù)傳統(tǒng)的燃煤鍋爐取暖。促進(jìn)城市地?zé)崧糜螛I(yè)，堅(jiān)持“一熱多用”的開發(fā)原則，首選大中城市地?zé)帷Ｒ虻刂埔?，多元發(fā)展。根據(jù)當(dāng)?shù)剡@一資源特點(diǎn)和需求，可因地制宜開展淺層地?zé)崮?、中層地?zé)崮芗吧顚拥責(zé)崮艿木C合利用。

2.2 搞好開發(fā)利用，必須做到開發(fā)與保護(hù)并重的原則

地?zé)崮茏鳛槲覈?guó)的重要資源，合理開發(fā)利用的確會(huì)對(duì)改善各省市的投資環(huán)境、招商引資、發(fā)展旅游、房地產(chǎn)開發(fā)、醫(yī)療保健等產(chǎn)業(yè)有著非常重要的意義。但我們也要清醒地認(rèn)識(shí)到，地?zé)豳Y源是有限的資源，其補(bǔ)給的過程是相當(dāng)緩慢的。要實(shí)現(xiàn)該資源的可持續(xù)開發(fā)，應(yīng)在擴(kuò)大開發(fā)規(guī)模的同時(shí)，首先要重視資源的保護(hù)。否則地?zé)崽镉捎谶^量開采而導(dǎo)致水位持續(xù)下降，資源枯竭，嚴(yán)重影響地?zé)崽锏膲勖Ｒ虼?，開發(fā)與保護(hù)工作應(yīng)做到以下幾點(diǎn)。

(1)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)情，進(jìn)一步研究、調(diào)整有效保護(hù)和合理開發(fā)地?zé)豳Y源的相關(guān)政策，以便很好地實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源可持續(xù)利用，高度重視資源保護(hù)。

(2)加強(qiáng)與相關(guān)部門的協(xié)調(diào)，盡快淘汰在地?zé)衢_發(fā)中存在的只采不灌、尾水排放溫度高、資源利用嚴(yán)重浪費(fèi)，嚴(yán)格實(shí)行保護(hù)性限量開采，積極推進(jìn)地?zé)峄毓嗉肮?jié)能、節(jié)約地?zé)崴墓芾?，降低地?zé)豳Y源量的實(shí)際消耗，建立統(tǒng)一的地?zé)衢_采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

(3)加大各種宣傳力度，建立地?zé)崾痉俄?xiàng)目，重點(diǎn)發(fā)展以能源利用為主的可實(shí)現(xiàn)回灌的地?zé)峁┡?xiàng)目，支持發(fā)展新農(nóng)村建設(shè)的地?zé)崂茫貏e是精品農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的發(fā)展，適量發(fā)展高效低耗的休閑健身項(xiàng)目，控制發(fā)展單一洗浴等純消耗性項(xiàng)目，以提高城市宜居環(huán)境水平和促進(jìn)旅游服務(wù)業(yè)的發(fā)展。

現(xiàn)以北京市國(guó)土資源局《北京市地?zé)豳Y源2006～2020年可持續(xù)利用規(guī)劃》在地?zé)崮茴I(lǐng)域的開發(fā)利用保護(hù)規(guī)劃來看，2020年將全市地?zé)崴拈_采總量控制在2000萬m3/a左右，回灌量提高至1000萬m3/a，使地?zé)崴哪陮?shí)際消耗維持在1000萬m3/a以內(nèi)。各個(gè)時(shí)期的工作都搞得很細(xì)，目標(biāo)任務(wù)明確，在全國(guó)樹立了榜樣(見表1)。

表1 北京市2010～2020年規(guī)劃地?zé)峋嚓P(guān)情況

3 我國(guó)地?zé)徙@探設(shè)備種類及要求

從事地?zé)徙@探施工，對(duì)鉆探設(shè)備的選擇非常重要，它不同于常規(guī)水井鉆探，基本上與石油井鉆探設(shè)備雷同，除選購地質(zhì)鉆探廠家生產(chǎn)的設(shè)備外，有些施工單位還直接選購石油鉆井設(shè)備。地?zé)徙@探對(duì)設(shè)備的要求主要有以下幾點(diǎn):

(1)拆裝簡(jiǎn)便。地?zé)徙@探設(shè)備相對(duì)水井而言比較龐大，為組裝拆卸方便、縮短施工周期，鉆機(jī)的各部件如鉆塔、機(jī)臺(tái)等，要實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)量的整體化。

(2)卷揚(yáng)機(jī)的能力與自動(dòng)鉆進(jìn)裝置。地?zé)徙@探是大口徑鉆探，所鉆地層多是堅(jiān)硬、破碎、高溫的巖石。鉆頭的負(fù)荷、回轉(zhuǎn)是鉆進(jìn)的重要影響因素，故卷揚(yáng)機(jī)的能力要大，并要有提高鉆進(jìn)速度和省力的自動(dòng)鉆進(jìn)裝置。

(3)常規(guī)鉆進(jìn)大排量泥漿泵。在鉆進(jìn)過程中循環(huán)泥漿接觸高溫地層后，立刻被加熱到沸點(diǎn)，有涌噴的危險(xiǎn)，且高溫對(duì)鉆頭的影響很大，泥漿本身的性能也在變化，往往會(huì)產(chǎn)生孔壁坍塌等。為了安全地控制井內(nèi)溫度，必須配有與泥漿冷卻裝置相匹配的大排量泥漿泵。

目前我國(guó)地?zé)峋@探設(shè)備隨著孔深的增加，設(shè)備種類較多，從鉆機(jī)到泥漿泵方面，基本上能滿足用戶選擇的需要，不論選購地質(zhì)或石油廠家的鉆機(jī)，都為轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)。有關(guān)鉆機(jī)和泥漿泵的技術(shù)性能參數(shù)見表2，選購地質(zhì)或石油廠家的鉆機(jī)施工分別見圖1、圖2。

表2 地?zé)峁こ淘O(shè)備型號(hào)及動(dòng)力配備

(4)防噴裝置。鉆進(jìn)時(shí)由于井內(nèi)狀態(tài)急劇變化，最容易出現(xiàn)熱水或者熱蒸汽涌噴，此種裝置是能夠迅速制止涌噴的耐熱性防護(hù)設(shè)備(見圖3)。

4 我國(guó)地?zé)峋@進(jìn)工藝方法

在地?zé)峋@探領(lǐng)域施工單位較多，其技術(shù)水平及施工質(zhì)量也存在較大差異，具體反映在設(shè)備的選型及鉆進(jìn)工藝方法上。近年來，通過各種學(xué)習(xí)培訓(xùn)交流，設(shè)備的選型及鉆進(jìn)工藝方法的選擇已日益引起人們的注意。

4.1 泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)方法

圖1 地?zé)徙@探選用的地質(zhì)鉆機(jī)

圖2 地?zé)徙@探選用的石油鉆機(jī)

圖3 防噴器

雖然在地?zé)峋┕ぶ泄に嚪椒ㄝ^多，但目前市場(chǎng)上還是以正循環(huán)鉆進(jìn)為主，到了一定深度后，井內(nèi)地層復(fù)雜漏失嚴(yán)重，泥漿正循環(huán)無法實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的情況下，才尋求氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝方法通井、洗井，不得不采用該工藝解決技術(shù)難題。

4.2 多工藝空氣鉆進(jìn)方法

常規(guī)鉆進(jìn)是利用泥漿循環(huán)，而多工藝空氣鉆進(jìn)則是利用空氣代替泥漿循環(huán)的方法。這些方法已經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐證明，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4.2.1 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)

近年來，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)由于它具有排屑能力強(qiáng)、鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長(zhǎng)、鉆進(jìn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，采用該工藝方法的單位逐年增加。特別是該工藝用清水鉆進(jìn)同泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)相比節(jié)約了泥漿材料，鉆進(jìn)過程又是洗井過程，同泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)相比出水量大、洗井時(shí)間短、不污染含水層、成井質(zhì)量好，深受施工單位的高度評(píng)價(jià)，現(xiàn)在許多單位通過各種途徑積極組織推廣。

4.2.2 多工藝空氣組合鉆進(jìn)

在地?zé)徙@探市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的形勢(shì)下，誰擁有先進(jìn)的設(shè)備和高效的鉆進(jìn)技術(shù)，誰就會(huì)立于不敗之地。對(duì)此許多單位不得不尋求從這些方面進(jìn)行突破，克服原來的設(shè)備能力差、泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝效率低、孔內(nèi)事故多、鉆探成本高等難題。優(yōu)先選用的工藝方法為:在上部基巖段用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)，若遇水量大無法再繼續(xù)鉆進(jìn)的情況下變?yōu)闅馀e反循環(huán)鉆進(jìn)，以充分發(fā)揮這2種工藝的優(yōu)勢(shì)。

另外有些單位地?zé)峋ぷ魅蝿?wù)多時(shí)，還采用接力式的方法鉆進(jìn)，以便加快施工進(jìn)度。所謂接力式的鉆進(jìn)方法，就是上部先用車裝轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)，當(dāng)遇水量大時(shí)，將該鉆機(jī)搬走，后續(xù)工作由地?zé)峋@機(jī)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝完成。當(dāng)然各地的地層情況不同，施工單位可因地制宜選用鉆進(jìn)工藝方法。不同鉆進(jìn)工藝施工現(xiàn)場(chǎng)見圖4、5。

4.2.3 地?zé)峋ㄏ蜚@進(jìn)技術(shù)

圖4 地?zé)峋疁\孔段氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)

圖5 地?zé)峋畾馀e反循環(huán)施工現(xiàn)場(chǎng)

在鉆井過程中遇地層復(fù)雜、可鉆性差、孔內(nèi)漏失嚴(yán)重、施工中需變更設(shè)計(jì)及井底溫度高無法測(cè)量的情況下，可以在孔底實(shí)施定向鉆進(jìn)技術(shù)。此種鉆進(jìn)技術(shù)最適合當(dāng)前要求的開采與回灌結(jié)合的均衡模式，是一種既保護(hù)地?zé)豳Y源，又便于地面管理的一種鉆進(jìn)工藝。在國(guó)家特別強(qiáng)調(diào)開采與回灌模式的推廣下，地?zé)岫ㄏ蜚@進(jìn)技術(shù)應(yīng)深入的研討，以便于地?zé)崮芨咝?、?jīng)濟(jì)、安全的開采。

5 地?zé)徙@井技術(shù)難點(diǎn)

目前，在國(guó)內(nèi)地?zé)峋@探技術(shù)方面的最大問題是高溫措施，也可以說在地?zé)峋酝獾纳钽@、科學(xué)鉆井也同樣存在著這個(gè)問題。隨著鉆井深度的增加，溫度升高，即使不在地?zé)岬貐^(qū)也是這樣，地?zé)徙@探就是在高溫前提下進(jìn)行的鉆進(jìn)，鉆進(jìn)的難點(diǎn)就是工藝方法如何適應(yīng)高溫。近年來，由于高溫泥漿和水泥的開發(fā)以及鉆進(jìn)工藝方法的進(jìn)步等，難點(diǎn)逐漸得到改善。地?zé)徙@井產(chǎn)業(yè)，目前已具備施工5000 m地?zé)嵘罹@探水平。在華北地區(qū)從事地?zé)徙@探的單位和鉆機(jī)較多，形成了全國(guó)最大的地?zé)徙@探群體，已具備大規(guī)模開發(fā)地?zé)豳Y源的能力，并朝著專業(yè)化、規(guī)模化方向發(fā)展。地?zé)岱ㄒ?guī)和標(biāo)準(zhǔn)正在進(jìn)一步健全和完善，1989年8月推出了《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》，2010年11月又推出了新的《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 1165－2012)取代了1989年的規(guī)范。地?zé)峄毓嗾幵谘芯侩A段和初級(jí)階段。

地?zé)峒夹g(shù)目前形成了一套比較完善的地?zé)峥辈榧夹g(shù)方法、評(píng)價(jià)方法;地?zé)衢_發(fā)利用的工程勘探、設(shè)計(jì)、施工已有資質(zhì)實(shí)體;設(shè)備配套國(guó)產(chǎn)化并有專業(yè)制造商;檢測(cè)儀器基本完備并國(guó)產(chǎn)化。

此外，隨著地?zé)嵩撮_發(fā)深度的增加，環(huán)境問題也是要注意的一個(gè)方面，如泥漿處理、噪聲措施、安全措施(防噴)都需引起重視。要堅(jiān)持環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)一致，保護(hù)生態(tài)平衡，提高地?zé)豳Y源的利用率。

6 地?zé)峋@進(jìn)事故的預(yù)防和處理措施

雖然地?zé)峋@進(jìn)時(shí)孔內(nèi)事故難以避免，但制定很好的預(yù)防措施以及正確的處理方法非常關(guān)鍵，要嚴(yán)格按規(guī)程操作，以利于安全有效地開展工作，確保工程任務(wù)圓滿完成。

6.1 孔斜的原因及預(yù)防

6.1.1 孔斜的原因

鉆井人員對(duì)所鉆地層不太清楚，心中無數(shù)，只追求鉆井速度而忽視了質(zhì)量。特別是在安裝鉆機(jī)過程中，天車、轉(zhuǎn)盤、孔口三點(diǎn)未對(duì)準(zhǔn)成一直線，甚至井架不平導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤傾斜。沒有嚴(yán)格按鉆井技術(shù)參數(shù)操作，鉆具配套不合理，或者鉆鋌、扶正器嚴(yán)重磨損了還湊合使用。另外使用的鉆壓表不準(zhǔn)、未使用記錄儀等等，這一系列的問題都是造成孔斜的主要原因。

6.1.2 預(yù)防孔斜的措施

首先要弄清產(chǎn)生孔斜的原因，在鉆進(jìn)前嚴(yán)把鉆機(jī)的安裝質(zhì)量驗(yàn)收。鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)要合理掌握，如:鉆具的下部結(jié)構(gòu)要用滿眼鉆具鉆進(jìn)，泵壓的穩(wěn)定，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，均勻的加減壓，正確用好機(jī)臺(tái)各種儀表，遇到問題馬上分析，以利于施工正常進(jìn)行。

6.2 井噴的預(yù)防及處理

當(dāng)鉆進(jìn)到高壓汽、水層時(shí)因壓力過大，加之泥漿的侵入，引起泥漿密度急速降低，就會(huì)造成井噴。

一旦發(fā)生蒸汽噴出，井口的防噴裝置應(yīng)當(dāng)立刻關(guān)閉。如果安裝防噴裝置的套管沒有固好，蒸汽就會(huì)流到套管外邊和鉆機(jī)周圍，因此安裝防噴器的套管必須安裝牢固。當(dāng)防噴裝置關(guān)閉時(shí)，應(yīng)盡快向孔內(nèi)泵入冷水壓井，冷卻噴發(fā)蒸汽的巖層，制止蒸汽噴出。若防噴裝置關(guān)閉延誤，壓頭變形，再想關(guān)閉將會(huì)很難，可能發(fā)生不良后果，只能等待孔內(nèi)坍塌來減弱噴出。因此鉆進(jìn)時(shí)一定要將泥漿性能處理好，并運(yùn)用好其他輔助裝置，根據(jù)不同井噴情況采取不同的措施。

6.3 正確選擇三牙輪鉆頭，防止牙輪掉落井內(nèi)

地?zé)峋煌谄渌胀ㄋ?，一方面孔深，而且隨著孔深的增加溫度也在上升，所以一定要選用質(zhì)量好的三牙輪鉆頭，千萬不能圖便宜。在鉆進(jìn)過程中司鉆人員要及時(shí)分析孔內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)有跳鉆、憋鉆現(xiàn)象，相同的地層進(jìn)尺明顯變慢，停鉆后轉(zhuǎn)盤有倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，鉆壓表擺動(dòng)異常，這些都視為鉆頭出現(xiàn)問題，應(yīng)及時(shí)提鉆檢查，嚴(yán)禁打懶鉆而導(dǎo)致牙輪鉆頭損壞掉落井內(nèi)。并要嚴(yán)格按廠家說明書進(jìn)行選擇和操作。

7 結(jié)語

地?zé)徙@井是一項(xiàng)重要的地下工程，在許多方面與石油資源的開發(fā)技術(shù)有共同之處，所以對(duì)于施工單位來說，在鉆機(jī)、孔內(nèi)鉆具、工藝方法、孔內(nèi)事故的處理方面等，除嚴(yán)格按照地?zé)峋僮饕?guī)程開展工作外，有些方面也可借鑒石油鉆井技術(shù)方法。

隨著全世界對(duì)清潔能源的需求增長(zhǎng)，人們利用地?zé)豳Y源的勢(shì)頭越來越強(qiáng)勁，特別是發(fā)展中國(guó)家開發(fā)利用地?zé)岣又匾?。就我?guó)在開發(fā)利用研究及應(yīng)用技術(shù)推廣方面而言，國(guó)家非常重視，專門成立的國(guó)家地?zé)嶂行模M(jìn)一步推動(dòng)了此項(xiàng)工作的開展，現(xiàn)在各省市近年來都在積極組織實(shí)施。

地?zé)徙@進(jìn)產(chǎn)業(yè)從設(shè)備到工藝的飛速發(fā)展，已形成了地?zé)徙@探群體，具備大規(guī)模開發(fā)地?zé)豳Y源的能力，并朝著專業(yè)化、規(guī)?；较蜻M(jìn)行。在國(guó)家對(duì)環(huán)境治理、政策扶持等多重因素促進(jìn)下，地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將大大提速，地?zé)崮芾迷谥袊?guó)未來能源利用中必將占有更為重要的地位，地?zé)徙@探技術(shù)在開發(fā)利用中發(fā)揮的作用將會(huì)越來越大。

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