摘要
地热井钻取优质的地热水是采灌型地热能供暖系统的前提条件，是影响整个水热型地热能项目经济效益的最敏感因素，而钻井关键技术对地热井的成井质量具有重要意义，对地区地热产业的发展有着举足轻重的作用。根据韩城地区地热资源赋存的地质特征及开发过程中遇到的难点，在理论分析和试验研究的基础上，研究了韩城地区地热钻井施工的关键技术问题，提出韩城地区地热钻井取热供暖五大关键技术问题：防塌高效钻井技术，地热井止水工艺，酸化增产增灌处理措施，原位采灌工程优化布置，梯级换热与回灌技术。通过对生产过程中遇到的技术难题进行理论分析，提出解决问题的关键技术，对五大关键技术进行了逐一阐述。这些关键技术对于韩城地区开发利用中深层地热资源具有重要的科学与工程意义，也可为其它地区提供借鉴。
韩城位于陕西省东部黄河西岸，是史学家司马迁的故乡、中国历史文化名城、中国花椒之乡、中国优秀旅游城市、中国西部重要的能源化工基地，陕西省唯一的计划单列试点市，总面积1621 k
地热能是一种绿色低碳的可再生能源，地热供暖不仅可以减少煤炭消耗，也降低了煤炭燃烧所产生的气体、烟尘对环境的污染，具有良好的社会、经济效
地热井钻取优质的地热水是采灌型地热能供暖系统的前提条件，由于韩城市地热井施工深度大，工艺复杂，投资大，风险也
韩城地区地层、构造条件复杂，施工中深层地热井难度较大，主要存在以下难点。
（1）钻井深度较大，一般为3000~4000 m，钻井深度的增加，对钻井工艺和设备要求较高。井壁围岩稳定性差，在高温高压且深度较大的岩体中施工，钻进过程中井壁围岩遇水极易产生热破裂及井眼扩大，脱落下来的岩石极易造成卡钻现
（2）韩城地区二开钻遇造浆性能好的孙家沟组棕色泥岩及膏泥岩层，该段泥岩可塑性强，极易吸水，会产生缩径、阻卡及钻头泥包，影响钻井效率。
（3）地热井成井交付使用后，需长期进行抽采地下热水，因此需选择安全、可靠、稳定的止水工艺进行止水。
（4）碳酸盐岩含水层具有富水性极不均匀的特点，很难预先查清深部地热储层的富水性和导水性，从而无法保证地热井出水量，采用常规洗井、爆破和常规酸化也影响地热井单井产能及回灌量。
（5）在城区进行地热井施工，往往受到场地限制，需要高效利用钻井场地，合理布设地热井，在达到热储层最小井间距的前提下，设计最优的井身轨迹，实现原位采灌地热能开发利用系统布置。
韩城地区孙家沟组上部岩性上段以棕红色-紫红色泥岩夹粉砂岩薄层为主，含钙质结核及石膏条带，下段以黄绿、暗紫色中-细粒砂岩为主，夹暗紫红色砂质泥岩（见
图1 某钻孔红色砂质泥岩岩心照片
Fig.1 Cores from a borehole
在某地热井钻进过程中，钻遇该段地层时，机械钻速由18~54 m/h下降至2.25~9 m/h，出现上提钻具下放遇阻、划眼憋泵现象。更换泥浆后，反复划眼，仍无法遏制井壁坍塌，井壁坍塌范围不断扩大，导致无法继续钻进，最终选择侧钻钻进。针对井壁坍塌事故，通过查阅相关文献分析了影响井壁失稳的主要因素，分析造成井壁坍塌原因，从钻井井身结构及钻井液体系对施工方法进行优化，取得了良好的效果。
为防止井壁坍塌造成卡钻、套管粘卡事故，井身结构设计时，对井身结构进行优化（见
图2 井身结构
Fig.2 Well bore structure
增大环状空隙，可有效防止因泥岩遇水膨胀或泥饼过厚粘、卡钻事故，防止下套管过程中粘卡套管事故发生，同时满足一开及三开井径要求。采用的钻具组合：Ø241.3 mm钻头+Ø172 mm 螺杆马达（1.25°）+浮阀+Ø172 mm定向接头+Ø172 mm 无磁钻铤+127 mm 钻杆，避免钻具连接时出现过多的台阶，降低起下钻摩阻和卡钻风险。同时采用螺杆+钻头进行低钻压、高转速、大泵量钻进，提高钻井效率，减少钻进时间。
该段地层水敏性较强，容易造浆，使得井眼内的泥质和固相含量增加，高固相泥浆会使泥饼质量变差，使得钻井液滤失量增加，钻井液滤矢量的增加又加速了粘土的水化，从而形成一种水化滤失的恶性循
二开施工时，钻遇该地层前，在聚合物泥浆体系下，放掉部分原浆，替入如下钻井液：
原井浆∶水（8∶2）+1.0%~1.5% G319-FTJ+0.1%~0.2%PHP+0.3%~0.8%GPX+1.5%~3%FRH+2%~3%KHm+2%~0.5%LVCMC0.+0.1%~0.15%NaOH+BaSO4至合适密度。
随井深增加，逐渐加入RST和HTX，提高钻井液抗高温和抗钙能力。该钻井液体系机理不同于传统的抑制型钻井液，它是依靠有机胺独特的分子结构能使得抑制剂很好地吸附在粘土层间，并使得粘土层紧密结合在一起，降低了粘土吸收水分的趋势，不仅具有更强的抑制水化膨胀分散的能力，更具有成膜作用。为防止钻井液粘度、切力上升较快，应采取多种手段尽可能降低钻屑含量和含砂量，将膨润土含量控制在30~50 g/L，降低粘度至40 s左右再实施加重。实践证明，优化后的钻井液配方具有良好的抗污染能力、抗温能力和良好的流变性。能有效防止井壁坍塌事故。
止水工艺是地热井成井必不可少的环节。目前地热井止水所采用的方法主要有3种。第一种是在套管及其交错部位与下端采用止水材料，然后用铁丝进行绑扎，放入到止水层段，材料遇水后将发生膨胀，实现封闭止水，该种止水方法广泛应用于水文水井及煤田水文钻孔施工中。第二种方法是采用封水止水器止水，通过异径止水，在两板间设置硅胶板或者橡胶板，借助其遇水后膨胀的特性，起到封堵、阻隔地层水的作用。该止水装置能从根本上克服传统止水材料局限性，目前已经能广泛用在地热井及水文井的施工中。第三种方法是采用水泥固井进行止
在韩城地区某地热井施工时采用“穿鞋戴帽”的止水工艺，即上部Ø339.7 mm套管与Ø177.8 mm套管连接处（442~450 m）采用膨胀橡胶压缩止水，Ø177.8 mm技术套管下部采用水泥浆固井止水，水泥浆上返高度在开采段顶部300 m以上，即井深2630~2930 m为水泥固井段。但在地热井开采过程中，由于技术套管上部未进行水泥固井，开采过程中技术套管在高温条件下产生热胀冷缩，套管上行；加之膨胀橡胶在高温条件下老化分解，使得膨胀压缩止水失效。上部含水层低温地层水涌入井内，给生产带来影响。
对事故原因进行分析后，通过多种处理方案比选，选择利用Ø177.8 mm套管上部的正反口丢手接头，加接1根Ø177.8 mm套管，套管外部与Ø339.7 mm套管的环状间隙用水泥浆封固，进行上部2次止水（见
图3 事故处理（上部2次止水）示意
Fig.3 Treatment of downhole incidents
为达到地热井长期开采利用的目的，避免出现同类止水失效事故，在其它地热井施工时，技术套管止水采用全井段尾管注水泥固井止水，水泥浆采用低密度+高密度水泥浆体系，既能在施工前、施工中、候凝中压稳地层，又能保证止水效果。上部悬挂处在Ø339.7 mm套管底部加接Ø245 mm套管50 m，与技术套管形成环状空隙，控制水泥上返高度，保证水泥上返至Ø245 mm套管与技术套管重叠环状空隙处，水泥浆上返至悬挂器顶部。通过抽水试验及供暖时抽采地热水运行监测，证明该止水方法有效地阻止了浅层低温水从套管搭接部位或其它部位渗入目的层热水，止水方法可靠，质量良好。此外，技术套管采用水泥浆全部封固后，既可以起到隔热保温作用，还可以保护技术套管，同时避免了地下含水层在技术套管外相互串通，破坏地下含水层。建议后续地热井施工采用水泥固井止水工艺。
酸化技术是油气层改造常用的技术之一，在石油天然气行业已进行了多年的研究与实践，技术已相对成
近年来，酸化技术也逐渐应用到地热井施工领域，在咸阳、渭南等地取得了一定的成果，但由于酸化是一个复杂的酸岩反应过程，酸与岩石的反应是发生在多孔介质中的多相反应，加之每种矿物与酸的反应速度不一致，导致酸化技术的复杂性。地热井酸化施工技术有待于进一步研究。
盐酸可以溶解碳酸盐岩，反应产物可溶于水并生成二氧化碳气体，利于反应残液返排。化学反应式如下：
CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O
CaMg（CO3）2+4HCl=
CaCl2+MgCl2+2CO2↑+2H2O
同时，盐酸也可以溶解地热井套管、钻杆等金属，因此给酸化施工带来不便，经常会造成仪器故障、井柱泄漏及断裂等事故，其化学反应式如下：
Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O
FeS+2HCl=FeCl2+H2S
2Fe+6HCl=2FeCl3+3H2↑
通过对岩心、岩屑进行了匹配实验，确定韩城地区碳酸盐岩热储合适的酸液配方为：60%（31%HCl）+2%酸化缓蚀剂+3%铁离子稳定剂+2%防膨稳砂剂+0.5%助排剂+0.05%消泡剂，根据数值模拟结果，酸液最优用量90
具体施工过程如下：
（1）连接现场设备（见
图4 施工工艺流程示意
Fig.4 Construction process flowchart
（2）将清水从注酸口注入，观察并记录压力变化，确保井口、压力管线、水龙带等密封效果良好；
（3）待泵压及井口压力稳定后，且密封效果良好的情况下，将洗井酸液由注酸口缓慢压入井中；
（4）全部酸液注完后，继续向井中压入清水（将钻杆中的酸液完全顶入井中），之后完全关闭注酸口阀门，断开高压泵与注酸口的连接，并保持注酸口与放喷口同时关闭，观察井口压力，使盐酸与地层充分反应；
（5）待井口压力释放后，拆卸井口装置，提取钻杆，下入水泵抽洗。
在城区施工地热井受地面条件限制，为充分利用场地，地热丛式定向井的应用越来越广
（1）防碰绕障技术。在设计时，充分考虑邻井情况，通过井眼轨道类型、造斜点、造斜率等的优化设计，尽量避开老井，必要时进行绕障设计。利用软件进行防碰扫描和防碰距离计算。在施工时，做好现场井眼轨迹的监控和防碰绕障。
（2）物探地质综合预测技术。利用地震、磁法、电法等不同方法组合，研究热储物性特征和地质构造要素，同时，利用地质手段研究地热地质背景特征，评价地热主控因素及资源状况。综合物探、地质手段建立热储模型，精准模拟热储富水特征，找到富水靶区，为钻井提供依据。通过地热丛式井的施工，同台多井，节约了大量土地，井口管道及设备集中后，修井、起下泵方便，易维护，同时，通过物探及地质条件综合分析，优化井眼布置，达到地热井高产、高灌，实现经济效益最大化。
对于中深层水热型地热资源的利用，回灌开发是国内外专家公认的地热开发的良性循环模
地热井成井后通过潜水泵抽采地下热水，地热水通过管道从各地热井引出和接入于地下直埋敷设管道直至热泵机房内，作为建筑物提供冬季供热热媒。地热水第一级采用高效板式换热器提取地热井中热量，直接用于建筑物冬季供暖，第二级采用水源热泵机组，间接提取板式换热器一次侧回水中的热量，作为建筑的冬季供暖热媒。经过两级换热后的地热尾水通过回灌加压系统由回灌井注入到地下开采层（见
图5 地热水梯级利用供暖系统原理示意
Fig.5 Schematic diagram of the geothermal water cascade utilization heating system
通过梯级换热与回灌后，既可以使地热水达到充分利用，又能保证不破坏地下含水层，实现地热能的可持续开发利用。
根据韩城地区地热资源赋存的地质特征及开发过程中遇到的难点，在试验研究、理论分析和数值模拟研究的基础上，研究了韩城地区地热钻井施工的关键技术问题，得到以下主要结论：
（1）总结分析了韩城市开发地热资源的必要性及可行性，提出韩城地区地热资源赋存的地质特征及开发过程中遇到的难点；
（2）提出通过优化钻井井身结构与防塌钻井液体系相结合的办法实现泥岩地层防塌高效钻井技术；
（3）通过对止水案例的分析，建议在地热井施工中，止水套管要用水泥浆全部封固，以免发生止水失效事故；
（4）根据韩城地区地热储层岩性及测井解释成果，提出了合理的酸液配方及酸化施工工艺流程，该施工工艺能显著增加地热井出水量，对韩城地区地热井增产处理施工具有重要的指导意义；
（5）通过原位采灌工程优化布置，实现节约土地、高产、高灌，实现经济效益最大化；
（6）分析了梯级换热与回灌技术，实现地热能的可持续开发利用；
（7）韩城地区地热能开发利用正处于起步阶段，对韩城地区地热钻井关键技术的研究，具有重要的科学与工程意义。
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