浅析地热井及水文孔止水工艺范文

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【摘要】基于地热资源在缓解现阶段能源压力和保护自然环境中的重要作用，在简述地热井与水文孔对地热资源开发利用具有的关键作用基础上，对止水装置制作及原理进行深入分析，并结合实例验证了这一止水工艺的有效性和可行性。

【关键词】地热资源；地热井；水文孔；止水工艺

前言

如今，地热资源的兴起和使用极大地缓解了一次能源供应压力，在减少环境破坏上也起到了重要作用。在地热资源开发与应用过程中，需要进行地热井与水文孔的开挖钻探，用于了解资源状况。为保证钻探顺利完成，需要切实做好止水。但传统的止水措施已经无法满足实际要求，亟须制定先止水工艺，研制新型止水装置。

1地热井与水文孔止水重要性

地热是一种新能源，近几年国内正广泛用于包含种植、采暖和医疗等在内的不同领域，为社会经济快速发展创造了极大效益。尤其是大城市对地热资源的合理开发、应用，极大地改善了自然环境，减少煤炭等资料的消耗，进一步提高人们的生活水平与质量[1]。很多地区都蕴藏有极为丰富的地热资源，尤其是新近系与古今系等的松散构造层，为含水提供良好介质，同时受到覆盖层持续高温与高压作用，产生高温热水。经现场钻探，地热水的温度可以达到78℃以上。开展地热井钻孔作业的主要目的在于深入了解储热层实际状况，包括基本岩性、各层层厚、实际深度、热水温度、热水数量及实际水位，据此能掌握资源赋存条件、规律及分布特性。对于地热井，其出口水文和采用的止水工艺存在密切的联系。基于此，采取适宜的止水工艺加强治水，是极其重要的步骤。普通地热井所用止水工艺为在套管及其交错部位与下端采用止水材料，材料遇水后将发生膨胀，然后用铅丝进行绑扎，放入到止水层段实现封闭止水。这种方法虽然使用了很多，但向孔中放入套管时，会因为缠在套管表面的胶条和经闭关发生摩挂，尤其是下端设置的止水材料，极易被井壁磨挂，使膨胀材料发生移位，导致止水失败，对地热井钻探作业造成影响，无法达到预期的质量要求。采用止水装置后，通过异径止水，在两板间设置硅胶板，借助其遇水后膨胀的特性，加强止水效果。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等多个领域。

2封水止水装置的制作与止水基本原理分析

2.1封水止水装置制作过程

止水装置主要由三部分构成，分别为轴承、套管及硅胶板。其中，套管是止水装置的主体管，硅胶板是起止水作用的材料，填补套管底部和孔壁之间的缝隙；轴承为传动装置。该装置的制作方法为：将内、外径分别为159mm和200mm的管作为装置的主轴，以40Mn为主要材质，下部公头与石油管采用丝扣进行连接，在支撑板表面采用硅胶板作为块料，于中部设置浮动板。在骨架板上进行硅胶板的填入后做浮动添加。轴承用旋紧板进行紧扣。

2.2基本原理分析

硅胶板遇水后体积膨胀，具有一定弹性且能止水。在橡胶中添加适量高分子材料，不仅具有橡胶制品所有性能，而且遇水后会发生膨胀，属全新防水材料，止水效果突出，相较于普通橡胶等材料更加可靠。相比于普通材料，主要具有以下特点及优势：遇水后将发生明显膨胀，可达原体积的2~3倍，能充满接缝中每个孔隙，并产生接触压力，从根本上防止渗漏。如果施工缝及接缝产生位移，使间隙超出最大弹性范围，则普通材料必定失去止水效果，但这种材料能通过进一步膨胀来继续止水。将遇水后会发生膨胀的橡胶材料作为止水体，除了能减少材料用量，还能解决普通材料由于压缩较大而出现弹性疲劳，保证防水效果。使用止水装置时，因档案能防将止水材料下到孔中时发生错位，并经过适当给压，在遇水后立即膨胀，从而实现隔离密闭止水根本目标[2]。

2.3主要特点

（1）止水装置采用硅胶板，在遇水后体积迅速膨胀，能对地层当中的水进行有效封堵与阻隔。同时，膨胀的倍率很高，且具有很强的位移补充性，可在一定情况下实现平衡自愈，自动封堵由于沉降产生的所有裂隙。（2）优于普通止水工艺，而且制作方法简单可行，能缩短工期，节省成本。（3）装置所用止水工艺十分简单，可满足基本试验要求，且事故发生率很低，安全风险小。

2.4应用范围

（1）地热井施工过程中，以电测井与钻探成果为依据确定止水具体位置，然后对热储层进行止水。这一止水装置能用在涌水试验过程中，也能实现一孔多层抽水，阻隔上、下两个含水层，而且还能在所有含水层段进行安装，防止由于地层垮塌造成含水层被堵。（2）无论是煤田地质钻孔还是水文井钻孔，通过对这一止水装置的合理应用，可以起到有效隔离作用，保证工程质量，并能加快施工效率，缩短工期。（3）针对水文水井项目，如固井和旧井修复，都可以采用这一止水装置实现止水。

3实例分析

现以某热井止水项目为例进行深入分析。该项目施工场地范围内断裂发育，为典型的张性断裂，且破碎带的宽度很大，有随时可能发生坍塌的危险。孔深的设计值为1200m，经电测井可知，冷、热水止水深度约486m。

3.1地热井钻孔基本结构优化调整

（1）原结构首先，使用牙轮钻头钻进到基岩界面，放入325mm的套管，用水泥与粘土等材料进行止水；然后按311mm的孔径钻进到终孔处，放入套管，在套管外侧使用水泥进行固定与止水[3]。（2）结构调整首先，按照450mm的孔径钻进到基岩界面，放入325mm的套管，将其作为下泵段，同时进行护壁，形成隔离覆盖层；然后按311mm的孔径钻进到终孔处，放入177.8mm的套管，在套管外侧使用水泥进行固定与止水。（3）调整后优点一方面，地热井钻探过程中，因孔径持续变小，所用钻杆的扭矩力以及钻盘的扭矩力均会不断减小，这样能有效防止钻孔中产生安全事故，进一步降低安全风险。另一方面，能有效缩短工期，减少原材料的成本，保证工程经济效益。

3.2止水过程

（1）根据现有电测井资料，结合钻孔取芯实际情况与储热层所在位置，准确定出止水层的位置，然后选择质地坚硬且完整性好的岩石，将其作为止水段。根据井身结构，制作尺寸适宜的隔离器，同时对止水装置具体下入位置进行准确计算，然后用钻具将其送到指定的位置。（2）止水装置主轴上部采用内反扣式接头，而端点与接头之间的连接头，其下部采用公反丝扣，送至重叠位置以后，通过开正车将其甩到井中，然后进行钻具提升，与工具扳手相连接，开车上扣，到压至最大限度为止。（3）将正、反丝的接手倒开，将孔中所有钻具都提出以后，静置12h，采用硅胶板对两板之间的缝隙进行填充，然后经充气与充水之后，和孔壁环装间隙实现封闭，以此起到应有的止水作用效果。

3.3质量检查

抽水试验开始前，先使用钻具将止水管的底部扫通，含水层和止水管未连通时，持续向止水管中注入水。当管中没有漏失，或实际漏失量相对较小时，则认为止水效果良好，可达到要求。对地热井的实际止水效果进行检查时，主要检查温度，当温度处在允许的范围内时，说明止水效果达到要求，质量过关[4]。

4结束语

综上所述，该止水技术应成功用于多地的地热井和水文孔。经抽水试验可知，它有效克服了采用传统材料会发生磨挂的弊端，发挥出极好的止水效果，确保成孔及钻探都可以顺利完成。对于现有四口深度都在1200m以上的热水井，钻进时泥浆实测温度53℃，通过对上述止水装置的应用，完成抽水1d后，出口水温可达97℃，每日平均出水量约1920m3，效果良好。另外，该止水装置除了能用于热水井，还能在水文孔钻设中发挥相同效果。因此，这项技术的研发与应用，能为地热井及水文孔工作提供可靠技术保障。

参考文献

[1]张春亮.地热井及水文孔止水工艺的探讨[J].山西建筑，2015，41（5）：66~67.

[2]王海军.水文孔同径抽水试验止水方法研究[J].地下水，2015（5）：125~127.

[3]江哲.地质勘查水文孔几种止水工艺讨论[J].建筑工程技术与设计，2017（7）：22~23.

[4]高永彬.煤田水文地质孔造壁止水施工工艺探讨[J].西部探矿工程，2015，27（3）：43~44.

作者:贾红殿 单位:广西壮族自治区地球物理勘察院