地热井常见主要问题分析与研究-河南地质_卢予北

浓度差等问题存在时, 在水介质中的金属井管会形 成许多腐蚀电池。其中, 活泼的部位成为阳极, 腐蚀 学上称阳极区; 而不活泼的部位则称阴极, 腐蚀学上 称阴极区。电极电位小者成负极, 容易失去电子遭 受腐蚀; 电极电位大者成正极, 正极区不遭受腐蚀。 在一般中性水中, 其腐蚀机理为电化学的氧化还原 反应。
地热作为一种新型的洁净资源和能源, 广泛应 用于洗浴、医疗保健、供暖、发电、种植与养殖、矿泉 饮用等领域。随着社会文明程度的进一步提高和经 济的迅速发展, 愈来愈多相关地热资源的开发利用 项目逐渐增多, 特别是北京、天津、西安等地发展较 快, 并形成一定的规模。其他地区如河南郑州、开 封、洛阳、漯河、周口、鹤壁, 安徽的阜阳、亳洲等地, 近年来, 在地热资源开发利用方面也正在兴起。由 于地热资源的大规模开发利用, 无论是社会效益、经 济效益, 还是环境 效益方面都取得 了显著的效果。 但是, 就目前的施工技术来看, 在其工艺和材料选择 等方面还存在着一定的差距和不足, 这些问题的存 在将直接影响着地热井的使用寿命和地质环境。
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是, 确实难以保证井的 质量, 众 多的水井含砂 量偏 高、甚至大量涌砂和水量减少就足以佐证这种工艺 的不可靠性! 这种工艺在河南应用最广泛, 有时洗 井时间超过钻井时间, 水量偏少问题一般在新井建 成后即可出现。
( 3) 正循环泥浆钻进。目前国内地热井的钻探 深度一般都在 1000~ 4000 m 之间, 无论是石油、煤 田系统还是地矿系统, 其钻井工艺几乎都是正循环 泥浆钻进。由于井内泥浆柱静压力和动压力较高, 将导致泥浆辐射性渗透和污染地下含水层, 再加之 没有先进的洗井方法, 则容易造成水量偏低等问题。 2 2 金属井管腐蚀破裂与错位
( 2) 下管后投砾。在第四系松散层钻井, 一般都 是在下管后投入普通的砾料进行围填和过滤。这种 工艺主要采用扩大井径的方式投砾, 以达到过滤目 的。该工艺的弊端主要有: 增加钻井口径, 势必会 增加钻井成本, 并且增加了钻机和钻具的扭矩和危 害性; 投砾过程中很容易造成砾料的分选, 即相对 粗的颗粒先沉入井底, 较细的颗粒则悬浮在上部, 因 此使地层与砾料颗粒级配不合理而导致涌砂, 特别 是较深的地热井, 由于砾料下沉时间长, 分选的层次 更严重; 投砾过程中, 很容易导致不 稳定地层坍 塌, 而使砾料不到位或者砾料泥皮混在一起充填在 井管外围, 造成洗井困难, 甚至严重影 响单井出水 量; 井斜或下管弯曲时, 围填砾料很难保证其厚度 的均匀性; 石英含量较低的砾料, 容易造成胶结, 最终影响出水量。所以, 这种工艺尽管采用广泛, 但
形成胶结物。井管中上部最常见的桔黄色 凸状锈
瘤 则是由于铁细菌大量生长繁殖而引起。铁细菌 包 括: 嘉 氏 铁 杆 菌 ( Gallionella ) 、球 衣 细 菌 ( Sphaerot ilus ) 、鞘 铁 细 菌 ( Siderocapsa ) 和 泉 发 菌 ( Crenothrix) 等。铁细菌繁殖的条件是: 在含铁的 水中生长; 通常被包裹在铁的化合物中。铁细菌 是好氧菌, 但也可在 氧含量< 0 5 mg/ L 的水 中生 长, 最终生成体积很大的红棕色的粘性沉积物 锈瘤 ( 主要成分是 F e2O3) , 其原理是: 铁细菌能使 水中的亚铁离子转化为不溶于水的三氧化二铁的水
F e2+ + 2OH - Fe( OH) 2 若水中的溶解氧比较充足, 则 F e( OH) 2 会进一
步氧化, 生成黄色的锈 F eOOH 或 Fe2O3 H 2O , 而不 是 Fe( OH) 3。如果水中的氧不充足, 则 F e( OH) 2 进 一步氧化成为绿色的水合四氧化三铁或黑色的无水 四氧化三铁。有些旧井常出现一些黄色或黑色水现 象, 实际就是井管腐蚀的结果。这些产物干燥后呈 粉末状, 且密度较小( 1 01~ 1 1 kg/ L ) , 在井内常处 于漂浮状态或储存在变径或其它缝隙处。 2 2 2 金属井管腐蚀的主要类型
钻井费用 ( 相对值)
高 较高 较低
从目前地热井使用的情况来看, 石油和煤田系 统采用的水泥固井和石油套管较为合理, 而地矿系 统采用的投砾或下入贴砾滤水管较为合理。无论怎 样, 对国内多数地区地热井调查和检测的结果显示, 在目前技术经济条件下, 地热井常见的主要问题是: 水量逐年减少和金属井管腐蚀破裂、错位。腐蚀破 裂或错位的地热井又同时引发涌砂、出混水、水温下 降、水质恶化、水量逐渐减少, 甚至导致区域性的地 下深层水的污染或地面沉降。
随着环境对地下水和土壤的污染, 金属井管的 腐蚀问题也愈来愈严重。地下金属井管腐蚀环境主 要有地下水介质和土壤两种。井管腐蚀破裂后, 将 导致水井涌砂或出混水、水温下降、水质恶化 等问 题, 如图 2 所示。
图 2 金属井管腐蚀破裂和错位
2 2 1 金属井管腐蚀机理 当金属井管表面粗糙、杂质含量高、水中溶解氧
1 地热井施工技术现状 目前在国内从事地热钻井施工的主要有石油、
煤田、地矿等系统, 除此之外还有民营的一些股份公 司或个体, 其中石油系统以设备的优势占据着较大 的市场。从钻井深度上来看, 目前的地热井深度一 般在 1000~ 4000 m 之间, 地热流体温度多数在 40 ~ 100 之 间, 钻探所 遇地层主要是 第四系、第三 系、二迭系、三迭系、石炭系、奥陶系等。在钻井工艺 方面各有特色和千秋, 其共同点是: 基本都以正循环 泥浆回转钻进为主, 钻头为三牙轮( 镶齿或 钢齿) 。
( 4) 地下金属井管腐蚀和结垢是普遍存在的问 题, 井内沉淀胶结会加速金属腐蚀, 腐蚀产物又会形 成新的结垢物, 二者同时伴生。特别是腐蚀产物形 成的结垢物充填在滤水管缝隙中并具很高的强度, 堵塞了地层的进水通道。
( 5) 井内堵塞 的另一种因素还 有微生物粘泥。 在井内产生这种堵塞物的微生物主要是铁细菌( 好 氧菌) 和硫酸盐还原菌( 厌氧菌) , 这些微生物一方面 因为自身大量繁殖产生结垢; 另一方面其分泌物产 生 微生物粘泥 与其他固体物混合粘附在井壁上而
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水、水质恶化等问题, 特别是在河南, 这类问题几乎 在使用 2~ 3 年后便出现。导致这些问题有的是客 观上的因素, 有的则是由于钻井工艺和材料选择等 方面的原因。
2 1 水量减少 所有水井正常使用 2~ 6 年后都会不同程度地
导致水量减少, 特别是地热井更为严重。其成因和 类型较多, 主要有以下几方面。 2 1 1 客观原因
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地热井常见主要问题分析与研究
卢予北
( 河南省地质工程公司 , 河南 郑州 450053)
摘 要: 针对目前地热井施工技术现状及地热井使用中常 见的问题, 进行了较为详 细的分析和 研究, 并就今后发 展 方向和建议进行了初步探讨。 关键词: 地热井; 金属井管; 腐蚀; 结垢; 问题研究; 发展方向; 建议 中图分类号: T E249 文献标识码: A 文章编号: 1672- 7428( 2004) 02- 0043- 05 Analyses and Research on Frequently Occurred Problems in Geothermal Well/ L U Y u-bei ( Henan Geotech. Company, Z heng zhou Henan 450053, China) Abstract: T he cur rent situation of g eothermal w ell construction technolog y and frequently occur red in geother mal w ell usage are analyzed and r esearched in detail. T he future development direction and some suggestions are put forw ards. Key words: g eothermal well; metal casing; corrosion; fouling; problem research; development direction; suggestion
( 1) 井管下入后不投砾。有的地区地热井在下 部不投砾, 仅下入技术套管或滤水管。这种成井工 艺在部分稳定的基岩内可行, 但是在一些遇水膨胀、 剥落、掉块或易产生应力释放的岩层, 如页岩、泥岩、 砂岩等地层, 如果不投砾进行围填或隔离, 则在一定 时间内由于吸水或应力释放而形成岩层的膨胀、剥 落、掉块, 从而逐渐造成井下环状间隙淤积和堵塞, 最终导致含水层的封闭和不出水。这种现象一般在 1~ 3 年内即可出现, 随后水量逐年衰减, 如西安交 大的 1700、2500 m 和陕西宾馆的 3800、1450 m 地热 井则属此类型, 特别是陕西宾馆的 3800 m 地热井在 使用不到 2 年就出现了水量急剧衰减问题。上述的 地热井都是在下管后未填砾料, 并且水量衰减幅度 较大( 原水量都在 50~ 80 t / h, 现仅有 5~ 10 t/ h) 。
合物:
2Fe2+ + 1 5O2+ XH 2O F e2O3 XH2O 另外, 由于铁细菌的大量繁殖, 产生 锈瘤 堵塞 井管的同时, 也容易使井管出现许多溶解氧浓差电 池, 而造成井管的局部腐蚀, 如图 1 所示。
图 1 滤水管胶结堵塞 ( 滤水管堵塞严重基本不透水)
( 6) 水位下降。城市大量无序地开采地下水, 使 地下水下降速度过快而造成地下水资源枯竭。 2 1 2 钻井工艺方面的原因
( 1) 地层中的固体物( 粘土、砂等颗粒) 、水中的 有机物等在水流和重力作用下沉淀井底, 造成淤积 而掩埋或充填含水层。
( 2) 地下水中含有大量的 Ca2+ 和 M g2+ 等, 这些 阳离子与水中的碳酸根和硫酸根等阴离子反应生成 沉淀物充填到裂隙并胶结成垢, 造成含水层堵塞。
(3) 地下水中的铁离子在缺氧情况下主要以 F e2+ ( 无色) 形式存在, 当抽水过程中或在静水位和 动水位之 间水与空气接 触时, 水 中的 Fe2+ 转化 为 F e3+ , 以 Fe ( OH ) 3黄色沉淀物出现, 常年累计则可 产生大量的 F e( OH ) 3 沉淀物与其他沉积物 一起形 成化学淤泥而沉积在井内, 逐步减小水井的有效深 度, 并掩埋部分滤水管( 进水通道) , 从而造成水量逐 年减少。
在阳极区, 碳钢氧化生成亚铁离子进入水中, 并 在碳钢的金属基体上留下 2 个电子。与此同时, 水 中的溶解氧则在阴极区接受从阳极区流过来的 2 个 电子, 还原为 OH- 。其电极反应式为:
阳极区 F e Fe2+ + 2e 阴极区 1/ 2 O2+ H 2O + 2e 2OH当亚铁离子和氢氧根离子在水中相遇时, 则生 成 Fe( OH ) 2 沉淀:
2 地热井常出现的主要问题与成因分析 地热井在正常使用 2~ 6 年后均会出现水量减
少、井管腐蚀破裂或错位( 水温下降、涌砂或出混水、 水质恶化) 等问题。对于石油、煤田系统施工的地热 井来说, 一般容易出现水量减少问题; 而对于地矿系 统施工的地热井则容易出现水温下降、涌砂或出混
收稿日期: 2003- 04- 29 作者简介: 卢予北( 1964- ) , 男( 汉族) , 河北平山人, 河南省地质工程公司副总工程师兼钻井公 司经理、高级工程 师, 地质工程 ( 探矿工程) 专 业, 硕士, 从事地热资源勘察与开发、现代水井与旧井处理工程研究与管理工作, 郑州市超深层 地下水与地热 资源科学钻探与 开发 项目主 持 人, 河南省郑州市南阳路 56 号, ( 0371) 3941526, Lyb3@ 263 net 。
主要的不同点是: 石油、煤田和地矿系统的钻井工艺 都具有行业特点, 主要反应在钻井结构、固井止水、 成井材料等方面, 具体情况见表 1。
表 1 各系统地热钻井工艺和其他情况对比
系统
石油 煤田 地矿
常用钻 井结构
固井止 水材料
成井材料
三开、四开 水泥
石油管材
三开、四开 水管