2000 m地熱井用套管的研制

李壽臣

(黑龍江省九〇四水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院探礦廠，黑龍江 哈爾濱 150027)

0 引言

地熱是一種清潔、環(huán)保的綠色能源。我國地處環(huán)太平洋地震帶，地熱資源儲量豐富，在當前的經(jīng)濟技術條件下，不包括2000 m以下的地熱資源和淺層地溫能，全國地熱水總利用額估計為6845×106m3/a，總熱能為 972.28×1015J，相當于 3284.8×104t標準煤。如何更好地開發(fā)利用地熱能，將資源優(yōu)勢轉化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，對節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，地熱鉆井技術裝備通過不斷研究、探索，特別是在安全鉆井、水層保護、完井方式、洗井作業(yè)、隨鉆分析、判斷等方面，加強了研究和改進，逐步完善成系統(tǒng)化、多樣化、能適應不同地質(zhì)條件的鉆井技術方法、工藝技術和裝備。而利用石油鉆探技術裝備優(yōu)勢，開發(fā)地熱資源，已成為目前主流地熱井施工技術手段之一。地熱能利用必將成為未來新能源的一大支柱產(chǎn)業(yè)。

1 問題的提出

套管護壁作為鉆采行業(yè)的核心工藝技術之一，在地質(zhì)、水文及石油等行業(yè)得到了廣泛的應用。隨著近年來地熱鉆井技術裝備的快速發(fā)展，各施工單位為占據(jù)地熱開發(fā)市場優(yōu)勢，將石油鉆井中先進、成熟的工藝裝備與水文、地質(zhì)施工進行了有機的結合。石油套管作為標準化的成熟產(chǎn)品，被大量地應用于地熱成井工藝中。加快了地熱成井施工的進度和質(zhì)量，促進了地熱鉆探產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

但同時，隨著地熱鉆探市場競爭的加劇，地熱施工成本的不斷攀升，如何有效地控制地熱成井成本，成為目前各地熱項目施工單位的重要訴求之一。套管是構成地熱井的重要裝備之一，也是構成地熱井成本的重要因素之一，且所占份額較大。

目前，國內(nèi)地熱井用套管都是采用石油標準套管為主，由于石油套管多應用于地質(zhì)條件更為復雜的油井中，其設計要求、管體材質(zhì)、加工精度和試驗條件的要求相對很高，導致石油套管生產(chǎn)成本居高不下。將這樣的石油套管應用于要求相對較低的小于2000 m深的地熱井施工中，將造成很大的浪費，成為制約地熱井施工成本控制的重要因素之一。

研制地熱井專用套管的目的就是為了滿足井深小于2000 m的地熱井施工需求，在保證成井質(zhì)量的同時，通過對套管材質(zhì)、加工工藝流程及生產(chǎn)設備的合理優(yōu)化，降低套管的生產(chǎn)成本。進而控制地熱井的施工成本，提高施工單位的經(jīng)濟效益，促進地熱產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

2 設計要求及技術參數(shù)

2.1 設計要求

經(jīng)過調(diào)研論證，結合目前國內(nèi)地熱成井施工特點，地熱井專用套管設計依據(jù)主要是基于井深小于2000 m的絕大多數(shù)地熱井用套管。

主要設計要求如下:

(1)管端為帶8牙長圓螺紋或短圓螺紋及接箍供貨;

(2)接頭螺紋類型為API圓螺紋(長或短);

(3)接箍上緊，除訂單上規(guī)定或單獨運輸外，所有套管接箍應上緊到管體上，擰緊前，應在接箍或管子螺紋的整個嚙合面表面上涂上螺紋脂;

(4)管體材質(zhì)為20無縫鋼管;

(5)管體不直度符合標準要求;

(6)當管子帶螺紋和接箍供貨時，現(xiàn)場端和接箍應帶上螺紋保護器。

2.2 主要技術參數(shù)

參照石油套管技術參數(shù)，確定地熱井套管基本技術參數(shù)為:

(1)7 in套管管端螺紋為API長圓螺紋，8牙/in，錐度1∶16;

(5)管體材質(zhì)為20無縫鋼管，熱處理為供貨狀態(tài)，20鋼的屈服強度 σS≥245 MPa，拉伸強度 σb≥410 MPa，許用應力與材料強度接近API5CT H40鋼級的水平;

(7)螺距P=3.175 mm，螺距累計誤差≯ ±0.15 mm;

(8)在每端1.5 m長度范圍內(nèi)的偏離距離≯3.18 mm。

2.3 主要性能比較

研制的地熱井用套管與API5CT石油套管在性能、強度方面對比如表1所示。

表1 管體機械性能對比

研制的地熱井用套管力學性能接近API5CT H40鋼級的水平，其與API5CT石油套管在幾何精度方面對比如表2所示。

表2 地熱井套管與石油套管幾何精度比較

研制的地熱井用套管整體質(zhì)量接近API5CT石油套管的水平。其與水文水井套管在性能參數(shù)方面對比如表3所示。

表3 地熱井套管與水文水井套管性能參數(shù)對比

可見，相對于研制的2000 m地熱井用套管，水文水井套管在螺紋強度，螺紋連接密封性和地熱井成井結構適應性等方面都存在一定的局限性。

3 總體結構及工藝裝備

3.1 總體結構

地熱井用套管總體結構及螺紋設計是基于API5CT和API5B標準的要求進行的，可以與石油套管互聯(lián)互換使用。圖1為地熱井用套管總體結構，圖2為螺紋結構及牙型。

3.2 工藝裝備

在保證套管產(chǎn)品質(zhì)量，滿足2000 m地熱井使用要求的前提下，通過優(yōu)化工藝流程、減少不必要的環(huán)節(jié)，采用高效生產(chǎn)設備等措施，進一步提高生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本。

3.2.1 生產(chǎn)工藝

四是水資源管理不斷加強?！逗幽鲜∪嗣裾P于實行最嚴格水資源管理制度的實施意見》和《河南省人民政府辦公廳關于實行最嚴格水資源管理制度考核辦法》即將正式頒布施行。首次確立了水資源控制指標體系，各項控制指標已全部分解到各省轄市，2013年年底前將全部分解到各縣市區(qū)，該項工作走在了全國前列。在全國率先開展了省、市、縣水資源系統(tǒng)平臺建設和水資源信息管理軟件研究開發(fā)工作。突出抓好節(jié)水型社會和水生態(tài)文明試點建設，試點數(shù)量位居全國前列。

地熱井用套管主生產(chǎn)工藝流程如下:上料→外觀檢驗與通徑→螺紋加工與檢驗→接箍控制上緊→測長→管體噴漆→噴標→包裝。

3.2.2 生產(chǎn)設備

圖1 地熱井用套管總體結構

圖2 螺紋結構及牙型圖

套管生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)是管體車絲，因此，車絲機床的精度和效率對套管生產(chǎn)率的高低有決定性影響。在滿足生產(chǎn)要求的同時，為進一步降低對生產(chǎn)設備的投資，我們通過對普通管螺紋車床進行數(shù)控改造，既保證了車絲工藝對生產(chǎn)設備的性能要求，又降低了固定資產(chǎn)的投入，提高了經(jīng)濟效益。

改造的管螺紋數(shù)控車床主要參數(shù)如下:

管螺紋車床型號:CK350×1M

最大加工外徑:350 mm

最大加工長度:1 m

數(shù)控系統(tǒng):GSK980TA2、分辨率為0.001 mm

主軸伺服驅(qū)動單元:DAY3150－ZJY265－18.5BM(含18.5 kW主軸伺服電機)

改造后的管螺紋數(shù)控車床具有主軸可實現(xiàn)無級變速，低轉速時不會悶車，主軸扭矩大等特點。

4 試生產(chǎn)及應用情況

地熱井用套管在完成了產(chǎn)品結構設計，管螺紋機床的數(shù)控改造后，參照標準《套管和油管規(guī)范》(API5CT)和《套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規(guī)范》(API5B)的相關要求，在廠內(nèi)進行了小批量試生產(chǎn)，經(jīng)檢驗地熱井套管各項技術指標均能滿足設計要求。

試生產(chǎn)的部分地熱井用套管照片見圖3。

圖3 地熱井用套管外觀照片

4.1 試生產(chǎn)套管主要性能指標

經(jīng)過檢驗試生產(chǎn)套管主要性能和螺紋參數(shù)指標如下:

(1)螺紋表面光滑，無明顯撕裂、刀痕、磨痕、臺肩式破壞螺紋連接連續(xù)性的任何其它缺陷;

(3)經(jīng)過螺紋量規(guī)綜合檢驗合格;

(4)接箍控制上緊，滿足使用要求;

(5)全頂螺紋最小長度符合設計要求。

4.2 試生產(chǎn)套管主要成本指標

可見試生產(chǎn)的地熱井用套管綜合產(chǎn)品生產(chǎn)成本相對于石油套管降低約20%左右。

近期，大慶市三環(huán)鉆井工程有限公司使用試生產(chǎn)的7 in和13in套管，在大慶地區(qū)施工了一口地熱井，目前尚無任何質(zhì)量問題出現(xiàn)，通過現(xiàn)場試用跟蹤了解，發(fā)現(xiàn)該套管在接箍控制上緊方面還有待作進一步改進優(yōu)化。實踐應用表明研制的地熱井用套管結構參數(shù)設計合理，產(chǎn)品材質(zhì)及性能可靠，能夠滿足地熱井成井要求，同時可適當降低施工成本，提高施工單位的經(jīng)濟效益。

表4 主要項目成本對比

5 結語

研制地熱井用套管的思路和方法，相對于傳統(tǒng)地熱井使用石油套管，在管體材質(zhì)、生產(chǎn)工藝流程及主要生產(chǎn)設備方面均有不同程度的優(yōu)化和改善，在保證產(chǎn)品使用性能的前提下，使地熱井用套管的綜合生產(chǎn)成本降低了20%左右，具有較好的經(jīng)濟效益。該產(chǎn)品的研制、試產(chǎn)和試用實踐表明，地熱井用套管不僅可以降低地熱井施工成本，也為今后進一步探索向其它領域的應用提供了可能性，具有較好的推廣借鑒意義。

[1] 李悅，關鋅.我國地熱資源開發(fā)利用優(yōu)勢對比分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，(6):1 －3.

[2] 李俊，楊甘生，于好善.不同約束方式下膨脹套管的旋轉膨脹有限元分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(1):39－42.

[3] 王慧嶺，程林，朱立強.新型SPT－600拖車鉆機的研制[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(6):26 －28.

[4] API spec 5CT，套管和油管規(guī)范[S].

[5] API SPEC1FICATION 5B，套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規(guī)范[S].