地熱作為一種新型的潔凈資源和能源,廣泛應用于洗浴、醫療保健、供暖、發電、種植與養殖、礦泉飲用等領域。隨著社會文明程度的進一步提高和經濟的迅速發展,愈來愈多相關地熱資源的開發利用項目逐漸增多,特別是北京、天津、西安等地發展較快,并形成一定的規模。其他地區如河南鄭州、開封、洛陽、漯河、周口、鶴壁,安徽的阜陽、亳洲等地,近年來,在地熱資源開發利用方面也正在興起。由于地熱資源的大規模開發利用,無論是社會效益、經濟效益,還是環境效益方面都取得了顯著的效果。但是,就目前的施工技術來看,在其工藝和材料選擇等方面還存在著一定的差距和不足,這些問題的存在將直接影響著地熱井的使用壽命和地質環境。

 

  1地熱井施工技術現狀

 

  目前在國內從事地熱鉆井施工的主要有石油、煤田、地礦等系統,除此之外還有民營的一些股份公司或個體,其中石油系統以設備的優勢占據著較大的市場。從鉆井深度上來看,目前的地熱井深度一般在1000~4000m之間,地熱流體溫度多數在40~100之間,鉆探所遇地層主要是第四系、第三系、二迭系、三迭系、石炭系、奧陶系等。在鉆井工藝方面各有特色和千秋,其共同點是:基本都以正循環泥漿回轉鉆進為主,鉆頭為三牙輪(鑲齒或鋼齒)。主要的不同點是:石油、煤田和地礦系統的鉆井工藝 都具有行業特點,主要反應在鉆井結構、固井止水、成井材料等方面.

 

  從目前地熱井使用的情況來看,石油和煤田系統采用的水泥固井和石油套管較為合理,而地礦系統采用的投礫或下入貼礫濾水管較為合理。無論怎樣,對國內多數地區地熱井調查和檢測的結果顯示,在目前技術經濟條件下,地熱井常見的主要問題是:水量逐年減少和金屬井管腐蝕破裂、錯位。腐蝕破裂或錯位的地熱井又同時引發涌砂、出混水、水溫下降、水質惡化、水量逐漸減少,甚至導致區域性的地下深層水的污染或地面沉降。

 

  2地熱井常出現的主要問題與成因分析

 

  地熱井在正常使用2~6年后均會出現水量減少、井管腐蝕破裂或錯位(水溫下降、涌砂或出混水、水質惡化)等問題。對于石油、煤田系統施工的地熱井來說,一般容易出現水量減少問題;而對于地礦系統施工的地熱井則容易出現水溫下降、涌砂或出混水、水質惡化等問題,特別是在河南,這類問題幾乎在使用2~3年后便出現。導致這些問題有的是客觀上的因素,有的則是由于鉆井工藝和材料選擇等方面的原因。

 

  21水量減少

 

  所有水井正常使用2~6年后都會不同程度地導致水量減少,特別是地熱井更為嚴重。其成因和類型較多,主要有以下幾方面。

 

  211客觀原因

 

  (1)地層中的固體物(粘土、砂等顆粒)、水中的有機物等在水流和重力作用下沉淀井底,造成淤積而掩埋或充填含水層。

 

  (2)地下水中含有大量的Ca2+和Mg2+等,這些陽離子與水中的碳酸根和硫酸根等陰離子反應生成沉淀物充填到裂隙并膠結成垢,造成含水層堵塞。

 

  (3)地下水中的鐵離子在缺氧情況下主要以Fe2+(無色)形式存在,當抽水過程中或在靜水位和動水位之間水與空氣接觸時,水中的Fe2+ 轉化為Fe3+,以Fe(OH)3黃色沉淀物出現,常年累計則可產生大量的Fe(OH)3沉淀物與其他沉積物一起形成化學淤泥而沉積在井內,逐步減小水井的有效深度,并掩埋部分濾水管(進水通道),從而造成水量逐年減少。

 

  (4)地下金屬井管腐蝕和結垢是普遍存在的問題,井內沉淀膠結會加速金屬腐蝕,腐蝕產物又會形成新的結垢物,二者同時伴生。特別是腐蝕產物形成的結垢物充填在濾水管縫隙中并具很高的強度,堵塞了地層的進水通道。

 

  (5)井內堵塞的另一種因素還有微生物粘泥。在井內產生這種堵塞物的微生物主要是鐵細菌(好氧菌)和硫酸鹽還原菌(厭氧菌),這些微生物一方面因為自身大量繁殖產生結垢;另一方面其分泌物產生微生物粘泥與其他固體物混合粘附在井壁上而形成膠結物。井管中上部最常見的桔黃色凸狀銹瘤則是由于鐵細菌大量生長繁殖而引起。鐵細菌包括:嘉氏鐵桿菌(Gallionella)、球衣細菌(Sphaerotilus)、鞘鐵細菌(Siderocapsa)和泉發菌(Crenothrix)等。鐵細菌繁殖的條件是:在含鐵的水中生長;通常被包裹在鐵的化合物中。鐵細菌是好氧菌,但也可在氧含量<05mg/L的水中生長,最終生成體積很大的紅棕色的粘性沉積物銹瘤(主要成分是Fe2O3),其原理是:鐵細菌能使水中的亞鐵離子轉化為不溶于水的三氧化二鐵的水合物:

 

  2Fe2++15O2+XH2OFe2O3XH2O另外,由于鐵細菌的大量繁殖,產生銹瘤堵塞井管的同時,也容易使井管出現許多溶解氧濃差電池,而造成井管的局部腐蝕.(6)水位下降。城市大量無序地開采地下水,使地下水下降速度過快而造成地下水資源枯竭。

 

  212鉆井工藝方面的原因

 

  (1)井管下入后不投礫。有的地區地熱井在下部不投礫,僅下入技術套管或濾水管。這種成井工藝在部分穩定的基巖內可行,但是在一些遇水膨脹、剝落、掉塊或易產生應力釋放的巖層,如頁巖、泥巖、砂巖等地層,如果不投礫進行圍填或隔離,則在一定時間內由于吸水或應力釋放而形成巖層的膨脹、剝落、掉塊,從而逐漸造成井下環狀間隙淤積和堵塞,最終導致含水層的封閉和不出水。這種現象一般在1~3年內即可出現,隨后水量逐年衰減,如西安交大的1700、2500m和陜西賓館的3800、1450m地熱井則屬此類型,特別是陜西賓館的3800m地熱井在使用不到2年就出現了水量急劇衰減問題。上述的地熱井都是在下管后未填礫料,并且水量衰減幅度較大(原水量都在50~80t/h,現僅有5~10t/h)。

 

  (2)下管后投礫。在第四系松散層鉆井,一般都是在下管后投入普通的礫料進行圍填和過濾。這種工藝主要采用擴大井徑的方式投礫,以達到過濾目的。該工藝的弊端主要有:增加鉆井口徑,勢必會增加鉆井成本,并且增加了鉆機和鉆具的扭矩和危害性;投礫過程中很容易造成礫料的分選,即相對粗的顆粒先沉入井底,較細的顆粒則懸浮在上部,因此使地層與礫料顆粒級配不合理而導致涌砂,特別是較深的地熱井,由于礫料下沉時間長,分選的層次更嚴重;

 

  投礫過程中,很容易導致不穩定地層坍塌,而使礫料不到位或者礫料泥皮混在一起充填在井管外圍,造成洗井困難,甚至嚴重影響單井出水量;

 

  井斜或下管彎曲時,圍填礫料很難保證其厚度的均勻性;

 

  石英含量較低的礫料,容易造成膠結,最終影響出水量。所以,這種工藝盡管采用廣泛,但是,確實難以保證井的質量,眾多的水井含砂量偏高、甚至大量涌砂和水量減少就足以佐證這種工藝的不可靠性!這種工藝在河南應用最廣泛,有時洗井時間超過鉆井時間,水量偏少問題一般在新井建成后即可出現。 (3)正循環泥漿鉆進。目前國內地熱井的鉆探深度一般都在1000~4000m之間,無論是石油、煤田系統還是地礦系統,其鉆井工藝幾乎都是正循環泥漿鉆進。由于井內泥漿柱靜壓力和動壓力較高,將導致泥漿輻射性滲透和污染地下含水層,再加之沒有先進的洗井方法,則容易造成水量偏低等問題。

 

  22金屬井管腐蝕破裂與錯位 隨著環境對地下水和土壤的污染,金屬井管的腐蝕問題也愈來愈嚴重。地下金屬井管腐蝕環境主要有地下水介質和土壤兩種。井管腐蝕破裂后,將導致水井涌砂或出混水、水溫下降、水質惡化等問題.

 

  221金屬井管腐蝕機理 當金屬井管表面粗糙、雜質含量高、水中溶解氧濃度差等問題存在時,在水介質中的金屬井管會形成許多腐蝕電池。其中,活潑的部位成為陽極,腐蝕學上稱陽極區;而不活潑的部位則稱陰極,腐蝕學上稱陰極區。電極電位小者成負極,容易失去電子遭受腐蝕;電極電位大者成正極,正極區不遭受腐蝕。在一般中性水中,其腐蝕機理為電化學的氧化還原反應。 在陽極區,碳鋼氧化生成亞鐵離子進入水中,并在碳鋼的金屬基體上留下2個電子。與此同時,水中的溶解氧則在陰極區接受從陽極區流過來的2個電子,還原為OH-。其電極反應式為: 陽極區FeFe2++2e 陰極區1/2O2+H2O+2e2OH-當亞鐵離子和氫氧根離子在水中相遇時,則生成Fe(OH)2沉淀: Fe2+ +2OH- Fe(OH)2若水中的溶解氧比較充足

 

  ,則Fe(OH)2會進一 步氧化,生成黃色的銹FeOOH或Fe2O3H2O,而不是Fe(OH)3。如果水中的氧不充足,則Fe(OH)2進一步氧化成為綠色的水合四氧化三鐵或黑色的無水 四氧化三鐵。有些舊井常出現一些黃色或黑色水現象,實際就是井管腐蝕的結果。這些產物干燥后呈粉末狀,且密度較小(101~11kg/L),在井內常處于漂浮狀態或儲存在變徑或其它縫隙處。

 

  222金屬井管腐蝕的主要類型 一般情況下,金屬腐蝕現象是普遍存在的問題,也是不可避免的正常現象,普通碳鋼的腐蝕均勻速度在0125~025mm/年。在地熱礦泉供水井中,常用的井管壁厚為6~10mm,在正常情況下其使用壽命應在20年以上。但是在現實情況中,有些地熱井的井管在2~3年內就遭受強烈腐蝕而穿透管壁。這說明:金屬井管的腐蝕不是簡單的某一種類型的腐蝕,而是多種類型聯合腐蝕的結果,并且大多以局部腐蝕(孔蝕)為主。根據目前地熱井工程技術現狀和水平,其井下腐蝕的類型主要有以下幾種:

 

  (1)均勻腐蝕:均勻腐蝕又稱全面腐蝕或普遍腐蝕。其腐蝕過程是在金屬井管的全部暴露表面上均勻進行,其金屬逐漸變薄最后被破壞。在有些地區地下水的pH值偏低時容易產生該類型的腐蝕。

 

  (2)電偶腐蝕:電偶腐蝕又稱雙金屬腐蝕或接觸腐蝕。當兩種不同的金屬同時存在于導電性較強的水介質中,由于兩種金屬的電極電位不同,則容易形成電子的流動,從而形成一個腐蝕電池。電極電位較低的金屬腐蝕速度較快,電極電位高的金屬則腐蝕速度下降。由于金屬井管存在著雜質,故電偶腐蝕類型在水井中普遍存在。

 

  另外,水泵或泵管的材料與井管材料相差較大時,也會出現電偶腐蝕。如:河南省廣播電視廳家屬院、黃河水利委員會家屬院2眼700~800m地熱礦泉供水井,抽水設備為進口不銹鋼水泵,而井管為普通鋼管,水井含砂量均低于1/20萬。水泵分別運行3和6個月均出現水泵電機燒毀,泵體均勻附著一層2~5mm黑色污泥(主要成分為四氧化三鐵)。經分析認為:電機燒毀的主要原因是由于這些固體腐蝕產物吸附到泵中,使泵長期在較大阻力和散熱條件不良情況下運行的結果。

 

  (3)縫隙腐蝕:在井內,由于井管連接(管箍)、表面沉積物、金屬的腐蝕產物(銹瘤等)縫隙內積存少量的靜止流體,從而形成腐蝕電池。這種腐蝕形態稱縫隙腐蝕,也稱垢下腐蝕或沉積腐蝕。這種類型的腐蝕在任何井中都存在,產生縫隙腐蝕或垢下腐蝕的沉積物有:泥沙、腐蝕產物、水垢、微生物粘泥。

 

  (4)孔蝕:孔蝕又稱點蝕或坑蝕,是在金屬表面上產生小孔的一種極為局部的腐蝕形態。這種孔的直徑大小不一。有些孔蝕孤立存在,有些則是緊湊在一起,像一片粗糙的表面。孔蝕與地下水中氯離子含量有很大關系。

 

  (5)磨損腐蝕:磨損腐蝕又稱沖擊腐蝕、沖刷腐蝕或磨蝕。它是由于腐蝕性流體和金屬井管表面的相對運動引起的金屬加速破壞和腐蝕。特別是在抽水過程中,含砂量偏高時,磨損腐蝕速度增加。

 

  (6)應力腐蝕:應力腐蝕是指拉應力和特定腐蝕介質的共同作用而引起金屬的破裂。井管的應力來源主要有:焊接應力、管材自重產生的拉應力、濾水管殘余應力等。如:河南開封20集團軍、黃河漁場和河南省武警總隊1200m地熱礦泉井,分別在466、454、69m井管焊接處出現破裂進水,其主要原因就是由于應力腐蝕而引起。 金屬井管在土壤環境中的腐蝕機理與在水介質中相同。由于土壤的多相性、不均勻性、相對固定性等,都能產生許多腐蝕電池。與腐蝕有關的土壤性質主要有孔隙度、含水量、電阻率、酸度、含鹽量。另外,當土壤pH=5~9時,溫度在25~30條件下,硫酸鹽還原菌(厭氧菌)在土壤中大量存在,并參加電極反應過程,其機理是將可溶性硫酸鹽轉化為硫化氫,并和鐵作用生成硫化亞鐵。由于生成硫化氫,使土壤中的H+濃度增大,因此陰極反應過程氫的去極化作用加強,從而加速了腐蝕作用。其反應式為: 陽極Fe-2eFe 2+ 陰極H++eH 細菌參加的陰極反應為: 8H+CaSO4H2S+2H2O+Ca(OH)2H2S=H++HS-腐蝕產物:Fe2++HS-FeS+H+ Fe2++2OH-Fe(OH)2總反應式為: 4Fe+CaSO4+4H2O=FeS+Ca(OH)2+3Fe(OH)2 上述為金屬井管在土壤和地下水介質中的幾種腐蝕類型。在河南,多數地熱井在較短時間內出現涌砂或出混水、水溫下降、水質惡化等問題,都是因為金屬井管的多種類型的聯合腐蝕而引起破裂造成的,也是由于在成井工藝上采用碎石和粘土球固井止水而導致的結果。

 

  總而言之,膠結成垢和金屬井管的腐蝕是普遍存在的一種客觀現象,也是影響地熱井使用壽命的重要因素,并且結垢與腐蝕相互伴生、相互影響和促進,結垢加速腐蝕,腐蝕產生結垢。二者與地下水或土壤(巖性)中的pH值、溫度、含鹽量、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、Cl-、SO42-濃度、水中的懸浮物、堿度、流速等因素有關。 井管的錯位問題主要發生在地裂縫活動區、采煤區或其他礦區,主要是由于地質或地層應力的不均或突變造成。如西安市多數地熱井上部的井管錯位主要是因為地裂縫原因造成,一般發生在10~300m之間;河南新密市煤礦區的井管錯位則由于地面不均勻沉降造成,一般發生在20~150m之間。

 

  3地熱鉆井工程發展方向與建議 在目前技術經濟條件下,上述問題的存在,有些是不可避免的,而有些則可通過一定的技術手段和措施解決。隨著知識經濟的逐步發展和進一步加強對地熱鉆探工程技術的研究和新技術、新方法的推廣應用,可以預測,在今后5~10年內將會使其工藝和技術得到進一步的提高和發展。其發展方向與建議如下。

 

  31制定地熱井工程施工規范與驗收標準 我國到目前為止還沒有一個具體的地熱井工程施工規范與驗收標準,這樣一來則出現許多不規范、不科學、不合理的施工方法和工藝。不同系統的施工工藝和技術方法幾乎都是沿用本行業的規范和技術標準,其成井驗收標準也是參照普通供水井的質量驗收標準,對于地熱井施工和驗收顯然存在著許多不合理的地方。所以,加快制定地熱井工程施工規范與驗收標準勢在必行,并使地熱井工程規范化、科學化、合理化,真正使之產生較好的經濟效益、社會效益和環境效益。

 

  32加強對地熱井工程市場的管理 地熱資源的勘查與開發是20世紀90年代興起的一個產業,特別是近幾年來發展迅速。但是由于其工程市場的不規范和管理上的混亂,導致多頭管理、多頭收費、人情工程、腐敗工程等不正常現象滋生蔓延。在施工方面許多技術實力差,甚至沒設備或專業技術人員的單位和個人都能利用關系在當地水利系統辦理一個甲級鉆井資質證并承攬地熱井工程,一些招標投標僅僅是一個過程。由于地熱井工程質量得不到保證,不但給建設單位造成巨大的經濟損失,而且還可引發一些地質環境方面的問題,如:地下深層水迅速污染、地面不均勻沉降、井周圍建筑物塌陷等。 地熱井不同于其他的建設工程,它是一個重要的地下隱蔽工程,其質量的好壞不僅是經濟的直接損失,更重要的是由此而引發的一系列環境問題(特別是造成地下深層水污染問題),造成一些不可挽回的損失。所以,在資質審批和業績考核方面,應該由國家業務主管部委統一審批和管理。

 

  33加強新材料新工藝的研究與應用 目前地熱井容易出現的腐蝕與結垢問題,實際上與目前使用的材料有很大的關系。如:普通碳鋼井管,由于材質含有一定的雜質或表面粗糙度過高,所以金屬井管在地下水介質中很容易產生大量的腐蝕電池。所以,應該加強新材料或表面處理的研究工作,如物理涂層、化學涂層、激光涂層等技術的應用。在鉆井工藝方面應該加強綠色在鉆井工程中的滲透,特別是新型泥漿的研究和氣舉反循環工藝技術、氣動和液動潛孔錘技術等聯合鉆井技術的推廣應用,盡可能減輕鉆井介質對地層的污染和堵塞。再者,加強石油鉆井、煤田鉆探和水文水井鉆探技術的交叉與聯合應用,以達到優勢互補、取長補短的效 果。

 

  34加速新型過濾器的研制與推廣應用工作 過濾器是地熱井正常運行的心臟,它的好壞 直接影響著其使用壽命。目前采用纏絲、橋式、條縫、梯型等類型的過濾器對于超深層的地熱井來講都不同程度上存在一些問題。目前我們采用自行研制的新型高強度貼礫濾水管,盡管在河南1200m以內的地熱井中取得了較好的成效,但對于更深的地熱井,在高溫、高壓條件下是否安全可靠,還有待于進一步研究與試驗。

 

  35實施超深層地熱井處理工程技術研究項目 如果把新建地熱井工程當做是一個產品的話,那么舊井處理工程則是售后的技術服務。盡管目前國內存在各種不同類型的洗井修井公司,也僅僅是處理一些普通的供水井。對于上千米或幾千米的地熱井處理,目前還未見有關報道。所以,對于高溫、超深層條件下的地熱井處理工程,同樣是擺在我們面前的一個重要課題。根據現有經驗和技術手段,我們應該從設備、測試儀器、機具、工藝、安全防護等方面進行研究。以便當地熱井在使用過程中出現問

 

  題時得到及時解決。