關(guān)中地區(qū)中深層地?zé)徙@井開發(fā)與發(fā)展趨勢

浦靜怡，張曉宏，陳粵強

(陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司，陜西 西安 710021)

0 引言

中深層地?zé)峋哂袃α看?、分布廣、穩(wěn)定可靠、可利用率高等特點，已成為當前地?zé)衢_發(fā)的重點。關(guān)中地區(qū)中深層地?zé)豳Y源豐富，是我國著名的地?zé)衢_發(fā)區(qū)之一，近年以鉆井方式開發(fā)已形成了一定的規(guī)模，西安、咸陽等地更是成為國內(nèi)地?zé)峋C合開發(fā)的示范區(qū)。隨著陜西能源產(chǎn)業(yè)向綠色低碳轉(zhuǎn)型，加之“鐵腕治霧霾、保衛(wèi)藍天”行動的迫切需要，對中深層地?zé)豳Y源的需求越來越多，政府、企業(yè)都進一步加大了對中深層地?zé)岬难芯亢烷_發(fā)利用力度。

關(guān)中地區(qū)從陜煤地質(zhì)集團西安工人療養(yǎng)院第一口熱水井開始，本區(qū)開發(fā)地?zé)嵋延薪?0年歷史，但目前開發(fā)產(chǎn)生了新要求和新問題。一是由于初期不加限制地開采地?zé)崴?，?dǎo)致地面沉降、地裂縫等次生地質(zhì)災(zāi)害加劇，目前已采取限采、禁采甚至關(guān)停措施，新地?zé)峋膶徟艿絿栏窨刂?，在此情況下如何進一步推動中深層地?zé)豳Y源開發(fā)成為關(guān)鍵問題；二是從西安、咸陽兩地的尾水回灌試驗來看，地?zé)峄毓嗉夹g(shù)在關(guān)中地區(qū)短期內(nèi)還難以突破，采灌結(jié)合、以灌定采、采灌平衡的地?zé)衢_發(fā)方式在區(qū)內(nèi)還不具備完全應(yīng)用條件，研發(fā)新的地?zé)衢_發(fā)方式成為緊迫問題；三是國家近年提倡地?zé)嵋叭岵蝗∷遍_發(fā)，雖然陜西在中深層地?zé)釗Q熱某些方面領(lǐng)先國內(nèi)，已出現(xiàn)西咸地區(qū)應(yīng)用直井同心管換熱、水平對接井換熱兩種新的鉆井開發(fā)方式，但有些處在試驗階段，還有許多新的換熱技術(shù)問題需要解決。

關(guān)中地區(qū)中深層地?zé)嵋嬲龑崿F(xiàn)規(guī)?；_發(fā)，就必須著力解決這些困惑和問題，而鉆井暨井下?lián)Q熱技術(shù)將是首先面臨的、亟需解決的核心技術(shù)問題。因此，分析區(qū)內(nèi)中深層地?zé)徙@井技術(shù)現(xiàn)狀、存在問題和瓶頸，探索發(fā)展趨勢，為關(guān)中地區(qū)中深層地?zé)釋崿F(xiàn)高效、無干擾、產(chǎn)業(yè)化開發(fā)提供技術(shù)支撐十分必要。

1 關(guān)中地區(qū)中深層地?zé)徙@井技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 3大類地?zé)峋?/h3>

關(guān)中地區(qū)擁有目前國內(nèi)最豐富多樣的地?zé)峋停篌w可以分為3大類。

第1類：該類是常規(guī)地?zé)峋?，占到區(qū)內(nèi)地?zé)峋倲?shù)的95%以上。其設(shè)計理念就是通過鉆井最大限度地采出地?zé)崴?，典型技術(shù)特點有兩種。一是開孔后在孔口大口徑段中下入抽水泵；二是在熱儲層中下入濾水管，并配合洗井等措施增產(chǎn)。

第2類：該類是回灌試驗井，這類地?zé)峋⒉欢?，目前西安、咸陽兩地回灌井總?shù)在16口左右；其成井工藝與常規(guī)地?zé)峋疀]有什么區(qū)別，只不過是在回灌層下入濾水管，便于尾水壓入地層。

第3類：該類是“取熱不取水”地?zé)峋?，包括陜西四季春公司開發(fā)的同心管換熱井和陜煤地質(zhì)集團的水平對接換熱井兩種。鉆井設(shè)備方面，2 000 m以淺的地?zé)峋捎盟愩@機較多，2 000 m以深的地?zé)峋饕捎檬皖愩@機，定向井及水平井基本上都用石油鉆機。鉆進工藝方面，主要還是傳統(tǒng)的泥漿正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進，配合不同排量的NBB和F系列泥漿泵，基本能滿足2 000～4 000 m的鉆深需求。

1.2 地?zé)徙@井的完井工藝

完井工藝方面，常規(guī)地?zé)峋突毓嗑疾捎脼V水管完井，同心管換熱井和水平對接換熱井采用的是套管完井；部分同心管換熱井熱儲層裸眼完井。

1.3 地?zé)徙@井的封固止水

封固止水方面，常規(guī)地?zé)峋突毓嗑捎玫囊话闶窍鹉z傘臨時止水，靠井壁垮塌永久止水，而同心管換熱井和水平對接換熱井采用的是水泥固井止水；也有同心管換熱井依靠井壁垮塌止水。

2 存在問題和現(xiàn)有技術(shù)瓶頸

2.1 鉆井設(shè)備不能滿足城區(qū)施工的運輸拆裝和環(huán)保要求

中深層地?zé)嵋粋€非常顯著的特點是原位使用，不能遠距離運輸后使用，因此其開發(fā)地區(qū)基本上為使用地區(qū)。這些地區(qū)大部分都是人口密集的城鎮(zhèn)地區(qū)，施工存在以下幾方面的問題。

運輸困難：設(shè)備的運輸困難，進出施工場地不便，特別是ZJ30以上的石油鉆機，一些構(gòu)件和配套設(shè)備裝車往往超長超寬超重，與城市道路標準不符。

場地受限：城鎮(zhèn)區(qū)施工場地有限，有些位于已建成的居民小區(qū)內(nèi)，按石油天然氣行業(yè)標準《鉆前工程及井場布置技術(shù)要求》(SY/T 5466—2013)，施工面積大多不符合場地標準的要求。

空氣污染：鉆機使用常規(guī)柴油機作為動力，排氣物會造成不同程度的環(huán)境污染。在霧霾嚴重的關(guān)中地區(qū)，如果柴油機煙氣排放達不到城鎮(zhèn)環(huán)保要求，施工中經(jīng)常被環(huán)保部門要求停工，影響環(huán)境也影響施工效益。

噪音污染：傳統(tǒng)鉆機的噪音污染嚴重，柴油機動力噪聲在110 dB左右，泥漿泵在100 dB左右，空壓機在95 dB左右，而且由于鉆井工程的特殊性，夜間必須連續(xù)施工，根據(jù)《建筑施工場界環(huán)境噪聲排放標準》(GB 12523—2011)，白天施工場界環(huán)境噪聲排放限值70 dB，夜間限值55 dB，夜間最大聲級超過限值的幅度不得高于15 dB，傳統(tǒng)鉆機的噪音聲級是超出標準的。

水污染：一些城鎮(zhèn)區(qū)施工的地?zé)峋栽诓捎每硬垩h(huán)的泥漿工藝，撈出的巖屑和廢棄泥漿中均含有許多化學(xué)藥品，會污染淺層水與地表，不符合環(huán)境和水資源保護的要求。

2.2 鉆進工藝與復(fù)雜多樣的地?zé)衢_發(fā)不匹配

關(guān)中地區(qū)中部為新生界砂巖、砂礫巖孔隙裂隙熱儲，北部為下古生界碳酸鹽巖巖溶熱儲，南部為秦嶺山前構(gòu)造斷裂裂隙熱儲，這3種熱儲的開發(fā)層位、埋藏深度、地層巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)條件均不相同，地?zé)峋拈_發(fā)和設(shè)計要求也不同。同時，區(qū)內(nèi)不僅有采水井，還有回灌井和換熱井，井型結(jié)構(gòu)不僅有直井，還有定向井和水平井。這些復(fù)雜多樣的地?zé)衢_發(fā)條件組合在一起，僅采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進工藝遠遠不能滿足要求，而且在關(guān)中地區(qū)中部采用泥漿正循環(huán)工藝鉆進，會對井筒周圍的地層產(chǎn)生傷害，影響成井后的出水效果，對回灌井的影響尤為嚴重。目前，區(qū)內(nèi)的地?zé)峋删笕绻扇馀e洗井等措施，可以消除一部分傷害，增加出水或回灌效果。但有資料表明，泥漿鉆井過程中地層受侵害的距離達到距井壁300～400 mm，顯然僅靠洗井難以清除對地層的影響。

2.3 采水取熱開發(fā)方式已不適應(yīng)地?zé)衢_發(fā)新要求

目前，關(guān)中地區(qū)地?zé)峋殉^500口，但絕大多數(shù)都是過去采水取熱的常規(guī)地?zé)峋?。這種開發(fā)方式簡單粗放，不僅嚴重浪費地?zé)豳Y源，也帶來了環(huán)境污染和城市地質(zhì)災(zāi)害問題。據(jù)有關(guān)資料記載，到2000年底，多年的地?zé)衢_采，已使西安地區(qū)形成以四醫(yī)大、測繪學(xué)院和西光廠為中心的水位降落漏斗，最大水位下降幅度達94.56 m，成為西安市地面沉降幅度大、地裂縫活動顯著的地區(qū)。這種開采地?zé)崴畬?dǎo)致地面沉降的現(xiàn)象并非只在西安地區(qū)出現(xiàn)。北京、天津、河北等地?zé)衢_發(fā)區(qū)也存在這種情況，但與西安地區(qū)不同的是，這些地區(qū)的熱儲主要為碳酸鹽巖巖溶熱儲，地?zé)嵛菜毓噍^為容易，可以通過采灌結(jié)合方式控制地下水位下降和地面沉降。而西安、咸陽先后進行的地?zé)峄毓嘣囼灡砻?，關(guān)中部分地區(qū)平均回灌量小、回灌效率低、回灌衰減快、回灌堵塞及回灌成本高的問題還難以解決。

2.4 落后的止水工藝滿足保護淺層地下水要求難

關(guān)中地區(qū)的地?zé)峋^去多采用橡膠傘成孔、井壁垮塌永久止水工藝。但近年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，一些地?zé)峋浇l(fā)現(xiàn)淺層飲用水的Ca2+、Mg2+含量上升，表明這種止水工藝效果并不理想，有深層地下水侵入淺層飲用水現(xiàn)象。其原因：一是由于下管時，為防止中途受阻，止水橡膠傘的直徑偏??；二是橡膠傘沿孔壁下滑經(jīng)過長距離磨損后才到達止水位置，止水效果受到影響；三是井壁垮塌的泥沙并不能完全將套管四周封嚴，在深層地下水高壓下可能形成竄槽。因此，在今后地?zé)崮芫氖┕ぶ校瑸楦帽Ｗo淺層地下水，這種止水方式應(yīng)重新研究。

3 未來中深層地?zé)徙@井技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 適合城區(qū)施工的模塊化、電控化鉆井設(shè)備

2010年以后，關(guān)中地區(qū)施工的地?zé)峋疃然驹? 000 m以上，最深的超過4 500 m，因此未來鉆井設(shè)備的能力應(yīng)按照滿足3 000～5 000 m深度考慮。在滿足施工能力要求的同時，要具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、布置靈活的特點，以適應(yīng)城市施工井場緊湊化布置要求；最好是采用模塊化結(jié)構(gòu)，拆裝便捷，運輸方便。為滿足狹小井場井架起升要求，宜采用垂直起升結(jié)構(gòu)形式的井架；動力傳動系統(tǒng)要考慮環(huán)保和噪聲控制以及節(jié)能運行等要求，尤其從環(huán)?？刂旗F霾考慮，采用電驅(qū)電控鉆機已成為一種趨勢。因此，關(guān)中地區(qū)地?zé)峋勉@機也應(yīng)改變原有單一柴油機驅(qū)動方式，采用電力驅(qū)動或柴電互換混動，并設(shè)計網(wǎng)電接口。對高噪聲源設(shè)備，進行隔音罩、隔聲屏設(shè)計，將整機噪聲控制在50 dB以下。

未來鉆機自動化、電控智能化是發(fā)展趨勢，包括頂部驅(qū)動裝置、自動排管設(shè)備、井口鐵鉆工、自動控壓鉆井系統(tǒng)、一體化司鉆控制室等。為適應(yīng)環(huán)保要求，要配備泥漿固控不落地設(shè)備，采用模塊化結(jié)構(gòu)，以便于靈活組裝和運輸。

3.2 推廣氣動潛孔錘和氣舉反循環(huán)鉆進工藝

近年，國內(nèi)許多地?zé)峋┕げ捎脷鈩訚摽族N和氣舉反循環(huán)鉆進工藝，取得了較好的應(yīng)用。從地層來看，關(guān)中北部和西部奧灰?guī)r地層分布較廣，采用氣動潛孔錘鉆進可以大幅度提高效率，應(yīng)該對深孔潛孔錘施工配套和應(yīng)用大力研究與推廣。結(jié)合地層采用正反循環(huán)工藝，不僅能夠滿足大口徑和深井的施工要求，而且具有保護井壁、防止坍塌、不污染含水層和減少井內(nèi)事故發(fā)生、成井質(zhì)量好等優(yōu)點，具有在關(guān)中盆地的推廣應(yīng)用價值。

3.3 研發(fā)換熱定向鉆井工藝

定向井應(yīng)用于地?zé)衢_發(fā)，不僅可以增加在熱儲層的采熱井筒長度，而且在一個井場可以布置多口地?zé)峋?，井底獲得更大的采熱面積，在城市小區(qū)施工具有很高的應(yīng)用前景。對采灌結(jié)合開發(fā)方式而言，可以將開采井和回灌井布置同一個場地，通過定向井拉大井底灌采層距離。水平U型對接井能大幅度增加熱儲層換熱效果，如果提高技術(shù)控制成本，會成為中深層地?zé)衢_發(fā)的新趨勢。

3.4 研發(fā)應(yīng)用抗污染抗高溫鉆井液和工器具

鉆井過程中，防止地層污染是需要解決的長遠問題。因此研發(fā)應(yīng)用防止熱儲層污染的屏蔽暫堵型抗高溫鉆井液體系是現(xiàn)實課題。

3.5 完善取熱開發(fā)配套的新材料新技術(shù)

在地?zé)嵛菜毓喽唐趦?nèi)難以突破的情況下，關(guān)中地區(qū)應(yīng)大力發(fā)展同心管換熱和水平對接井換熱這2種真正的取熱不取水開發(fā)方式，但是這2種方式也有一些新要求：一是要研發(fā)真正適合地?zé)峋墓叹啵ㄓ糜诰椎母咝醾鲗?dǎo)水泥和用于上部井段的隔熱水泥。二是研發(fā)地?zé)峋锰坠?，最主要的是用于上部井段的套管要有保溫隔熱措施，以降低套管?nèi)外的熱交換。三是研發(fā)新型同心管換熱。目前油田稠油熱采技術(shù)中的真空管，保溫隔熱效果比較理想，但有待進一步降低成本；也可以借鑒其他隔熱管柱的結(jié)構(gòu)，盡快淘汰普通的PVC塑料同心管材。

4 結(jié)論

(1)鉆井及其配套技術(shù)是關(guān)中地區(qū)中深層地?zé)岙a(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化開發(fā)的關(guān)鍵突破點，要從模塊化、場地集約化、環(huán)保節(jié)能等方面完善鉆井設(shè)備，以符合城市施工要求。定向鉆井、深孔潛孔錘、氣舉反循環(huán)、抗污染抗高溫鉆井液和工器具技術(shù)有利于提高地?zé)峋_發(fā)成功率，應(yīng)加快研發(fā)應(yīng)用。

(2)從提高中深層地?zé)豳Y源可持續(xù)利用出發(fā)，采水取熱開發(fā)方式要予以限制。同時在關(guān)中地區(qū)回灌技術(shù)難以突破的情況下，應(yīng)積極發(fā)展取熱不取水的同心管換熱和水平對接井換熱方式。

(3)新型的取熱不取水方式要繼續(xù)研發(fā)高傳熱/隔熱效果的水泥，研發(fā)隔熱保溫同心換熱管，以提高取熱效果，提高井口出水溫度。