地熱鑽探

遠在公元前就有利用地下熱水灌溉、醫療以及從高礦化地下熱水中提取各種鹽類的記載。大規模利用地熱水供熱最早的國家是冰島，1930年已建成相當規模的地熱水供熱系統。日本、新西蘭、美國、蘇聯等許多國家也於同期先後建成不同規模的地熱水供熱系統，將地熱能直接用於採暖和工農業。

意大利於1904年開始地熱能轉換為電能的研究。1913年首次在拉德瑞羅(Larderello)安裝了一台250kW的地熱發電機，1958年以前地熱發電只在意大利有較大的發展。1958年以後，新西蘭、美國、日本等國家參與了地熱能轉換為電力的研究和開發工作。據對22個國家和地區的調查，1976年地熱發電的裝機容量為1325MW。

中國自20世紀60年代開始有計劃地對地熱能進行研究和開發，全國20多個省、市、自治區先後鑽鑿了數百口熱水井，用於採暖、沐浴、農業温室，以及紡織產品洗滌等。自1975年起，在西藏羊八井鑽了數十口温度為150℃的蒸汽井，並建立了地熱電站。 ^[2] 

地熱鑽探主要特點：①鑽探中遇到的熱儲層常具有多孔性、裂隙性，屬低壓或常壓地層，極為脆弱，鑽井液易於漏失。因此，必須用清水、優質輕泥漿或空氣進行壓力平衡鑽探或減壓鑽探，以免使熱儲層被損壞。②鑽入高温熱儲層(温度達100～200℃)後，下入的生產套管因受熱膨脹應力的作用，可造成套管斷裂或頂裂井口地盤、套管外水泥環酥裂，釀成熱水、熱蒸氣噴發事故。故要採用套管懸掛或伸縮裝置，用加硅粉的耐高温水泥固井，並要加固井口地盤。③孔底高温能破壞泥漿的穩定性，使其組分分解不能發揮鑽井液的基本功能（冷卻、清洗、護壁、攜粉），故地熱超過200℃時,要用耐高温的海泡石泥漿、高温處理劑，還必須配備固相控制設備和冷卻塔。④防噴設備要齊全，除配齊防噴器組外，還要備10倍於井筒容積的冷水，以備用“冷水控制井噴”。⑤嚴防腐蝕和環境污染，如廢泥漿損害農田、噪音干擾，硫化氫 (H₂S)劇毒危及人員生命及腐蝕各類管材、配件，甲烷 (CH₄)氣體易失火爆炸。必須採用機械的（消聲器、分離器、面具、防噴器等）、化學的（如過氧化氫、海綿鐵）等方法予以防範。

地熱井施工的主要工序，有井身結構設計、鑽進、固井、完井和引噴。

井身結構設計內容包括：確定套管的層次，各層套管的直徑和下入深度;各層套管相應的鑽頭直徑;各層套管外水泥漿的返回高度。井身結構設計主要取決於鑽井目的、岩層和熱儲層的性質、鑽井裝備和工藝技術水平等。合理的井身結構應符合優質、快速、安全鑽進的原則，滿足開採地熱時要求，並有利於節約材料，降低成本。對中、高温地熱井井身結構設計還要着重考慮熱流帶來的特殊困難，主要是：熱應力對套管的影響;高速熱流對套管的沖蝕磨損;套管和過濾管結垢;較大的地層壓力梯度等。

鑽進地熱井的鑽進與油、氣、水井鑽進相似，為克服鑽進中的特殊困難，需要對鑽進方法、沖洗介質、鑽具、套管頭結構、井口裝置等採用相應的工藝技術措施。

(1)鑽進方法。地熱井根據其地熱温度分為低温井(<100℃)、中温井(100～150℃)、高温井(150～250℃)和超高温井(>250℃)四級。不同温度的地熱井採用不同的鑽進方法。低温地熱井多采用牙輪鑽頭或刮刀鑽頭全面鑽進，鑽進工藝與管井鑽進工藝相似;中、高温地熱井常採用壓力平衡鑽進，即在井底最小壓力與裸眼地層孔隙內流體壓力相平衡條件下的鑽進，以防止井噴和提高鑽進效率; 較深地熱井多采用綜合鑽進方法施工，即對非熱儲層或中、低温熱儲層採用常規鑽進方法，幹蒸汽熱儲層採用幹空氣、霧化空氣、充氣泥漿和泡沫鑽進，深部地層採用潛孔錘 和金剛石鑽頭鑽進。

(2)沖洗介質。對中、低温地熱井，通常採用土—褐煤—苛性鈉泥漿，可在井温150℃以內保持穩定。對高温地熱井則採用熱穩定性、抗鹽性、分散性較好的海泡石泥漿、坡縷石泥漿、經特殊處理的高温聚合物泥漿等。為減輕沖洗介質中氧對鑽具的腐蝕，常在沖洗介質中加入過量的氫氧根、高分子氨基樹脂、亞硫酸氫胺等，或用惰性氣體作沖洗介質。

(3)鑽具。採用抗高温、耐腐蝕、熱膨脹係數小、強度高的合金鑽桿、鑽鋌，並在鑽桿、鑽鋌表面加防腐蝕塗料或作表面氮化處理。使用具有高硬度保徑齒的三牙輪鑽頭和聚晶金剛石鑽頭等。

(4)套管頭結構。中、高温地熱井的井口套管頭部受到很大的熱應力，若結構不當，可導致井口嚴重破壞。合理的套管頭結構應允許生產套管軸向熱伸縮、對生產套管具有扶正作用和能泄排水泥環中的氣體。圖1為套管頭結構型式之一。

(5)井口裝置。低温熱水井鑽進時，井口設導流槽或導流管，將返回的熱泥漿引出井場;中、高温地熱井鑽進，井口要裝設由防噴器、各種管路、閘門、壓力錶等組成的井口裝置，以保證安全鑽進和完井後氣、水生產控制。

固井下套管和注水泥封固作業的總稱。鑽進至設計深度後，下入套管，並注入水泥漿封固套管與井壁之間的環形空間，以封隔易塌、易漏地層和避免含水體地層之間的干擾，為繼續鑽進和完井創造條件。地熱井的高温會使水泥強度蜕化和滲透率增加，因此應採用抗高温水泥固井。通常是往水泥中添加一種細微分散的硅粉，添加量為水泥質量的30%～60%便可達到高温穩定; 也可在水泥中加入苯乙烯、丙烯腈和丙烯酰胺等來提高水泥的抗高温能力。

完井地熱井工程的最後環節，主要指熱儲層或目的層部位的井身結構(圖2)的建造。地熱井完井有裸眼、襯管和射孔套管完井三種基本方法。(1)裸眼完井。在鑽入熱儲層之前將生產套管安置固定在生產層以上，再鑽開熱儲層，生產井段為裸眼 (圖2a)。(2)襯管完井。在鑽達熱儲層之前即下套管固井，再換徑鑽開熱儲層，將濾水管或襯管下到生產套管以下的熱儲層中，以防止井孔被岩屑充填。如下入襯管，還需注水泥固定後射孔(圖2b、c)。(3)射孔套管完井。生產套管貫穿熱儲層並注水泥膠結，在熱儲層段射孔完井 (圖2d)。

引噴採用有控制地降低井內壓力的方法，將熱儲層中的熱流體引入生產套管，使其由井口噴出的過程。選擇引噴方法的主要依據是地層壓力梯度。對地層壓力梯度大、自噴能力強的熱儲層，採用輕泥漿或替入部分清水的一次替噴法或二次替噴法引噴;對壓力梯度小、自噴能力較弱的熱儲層，採用氣舉引噴或回擠引噴;無自噴能力或為防止熱水擴容結垢而採用潛入式熱泵抽水的熱儲層，則無需引噴。