張 春 亮

(山西省第一水文地質工程地質隊，山西 太原 030024)

地熱井及水文孔止水工藝的探討

張 春 亮

(山西省第一水文地質工程地質隊，山西 太原 030024)

介紹了地熱井封水止水器的結構、材料、工作原理、應用范圍等，并以工程案例為背景，論述了封水止水器的應用方法，說明了地熱鉆孔結構的調整優(yōu)點及止水質量檢查措施，指出封水止水器克服了普通膨脹材料容易被磨掛的缺點，達到了較好的止水效果。

封水止水器，地熱井，鉆孔，結構

近年來地熱作為一種新型能源廣泛應用于種植、養(yǎng)殖、取暖、醫(yī)療等領域，特別是北京、天津、西安等城市地熱的開發(fā)，為國民經濟的發(fā)展做出了巨大的貢獻。地熱能的開發(fā)利用，不僅改善了生活環(huán)境，還提高了人們的日常生活水平。止水工藝作為含水層止水工作的一個重要環(huán)節(jié)，與地熱井出口處的水溫關系十分密切。傳統(tǒng)的地熱井止水工藝是用一些止水材料在套管和套管交錯的部位以及套管下部，這些材料主要有海帶、牛皮、化學止水劑膠條、粘土以及橡膠圈等材料，但是由于它們有著遇水膨脹的特點，所以在進行封閉水工作時必須用鉛絲將其纏綁后才可下入止水層段止水。但是也存在一定的缺點和不足，所纏繞的膨脹材料尤其是套管下端的膨脹材料會經常被拉出或者掛斷，還有的膨脹材料由于在摩擦力的作用下被迫移位，從而導致止水失敗，止水的要求和目的就不能達到。此封水止水器采用異徑止水，但由于兩板之間采用硅膠板或橡膠板填實壓實膨脹達到止水效果，克服了傳統(tǒng)止水材料的局限性，因此得到了廣泛的應用，尤其是在水文水井、地熱井以及煤田水文孔的隔離止水工作領域。

1 封水止水器

1)結構及材料。此封水止水的組成主要有三部分，分別為石油套管短節(jié)、橡膠板、硅膠板和軸承等。止水器的主體是石頭套管短節(jié)，硅膠板或橡膠板作為止水器的止水材料，填充在整個孔壁間隙和擠壓封閉套管中。為了防止下管時止水材料被損壞，還專門設計了上下?lián)醢濉?/p>

2)工作原理介紹。遇水膨脹的橡膠板或硅膠板是一種新型防水材料，它的主要原理是在橡膠中加入親水溶脹的高分子物質之后，那么它就會和一般的橡膠性能一樣，再加上在止水器中還有遇水可以自行膨脹的材料，這類材料大多具有彈性且不透水，以水止水，所以較其一般橡膠來說，這種工藝顯得更加可靠。因為這種橡膠遇水或者受潮可以產生2倍～3倍的膨脹變形，可以將空穴間隙、接縫的不規(guī)則表面充滿，在接觸表面上產生巨大的接觸壓力，從而可以徹底地防止水分從這些表面滲漏。這種橡膠材料較普通止水材料來說，不會在接縫或者施工縫處發(fā)生移位現象，如果超過其彈性范圍而導致止水作用失效，它還可以通過吸水膨脹的方式來止水。因此，遇水膨脹橡膠不僅可以節(jié)省電量，還可以克服一般橡膠材料由于壓縮而引起的彈性疲勞等問題，使防水效果更佳。防水止水材料在下入孔內時容易被錯位或者磨掛，因而設計出了兩塊擋板，這兩塊擋板可以經給壓后遇水膨脹，從而解決了無法隔離密閉止水的問題。

3)與普通橡膠相比的優(yōu)點。a.封水止水器中的橡膠板或硅膠板遇水膨脹，可以封堵、阻隔地層中的水。又由于其膨脹率較高、移動補充性較強以及特有的平衡自愈功能，這種材料能夠及時將由于沉降產生的新的微小裂縫自行封堵。b.該止水封水器的原理和制作方法非常簡單，不僅省時，而且省工，所以它的止水工藝會比傳統(tǒng)的止水工藝要更受歡迎。c.不僅制造工藝簡單，也能滿足水文孔以及地熱井抽水試驗時的質量要求，還具備風險小、事故率低的優(yōu)點。

4)與普通橡膠相比的優(yōu)點。a.封水止水器中的橡膠板或硅膠板遇水膨脹，可以封堵、阻隔地層中的水。又由于其較高的膨脹倍率，較強的移動補充性和平衡自愈功能，該材料能自行封堵因沉降而出現的新的微小裂隙。b.該封水止水器制作方法簡單，省時省工，止水工藝優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。c.雖然止水工藝簡單，卻能滿足水文孔、地熱井抽水試驗質量要求，同時風險小，事故率低。

5)封水止水器的應用范圍。a.地熱井施工時，涼水與熱儲層止水工作的進行需要根據電測井和鉆探結果確定其止水位置。這種封水止水器在進行一孔多層抽水或涌水試驗中可以將上下含水層中的水隔離，還可以安裝在各個含水層的上下，為了避免由于底層垮塌而引起的含水層堵塞現象。b.該封水止水器用于水文水井鉆孔以及煤田地質水文鉆孔中，不僅可以隔開非目含水層，也能提高工作效率，以確保工程的質量。c.該封水止水器也可用于固井、舊井修復等水文水井工程中進行重新止水。

2 應用實例

以西安市長安區(qū)吉富羅非漁養(yǎng)殖良種場地熱井止水工藝為例對此工藝加以說明。此施工區(qū)域的特點是張性斷裂且較為發(fā)育，因而破裂帶寬，鉆孔坍塌現象十分嚴重。該鉆孔設計深度為1 200 m，涼水熱水之間的止水深度為486.00 m，該數據由電測井的結果確定。將鉆孔的結構調小，孔徑會隨之變小，鉆桿扭矩力和鉆盤扭矩力也會隨之減小，從而使得施工的風險大大降低，降低了孔內事故的發(fā)生率。與此同時，施工的周期也會縮短，原材料成本下降，從而使經濟效益提高。止水時，首先要以電測井資料和鉆孔取芯情況作為指導資料，同時還要根據儲熱層的位置來進一步確定止水層的位置。止水段應該選擇比較堅硬、完整和孔徑規(guī)則的巖石，最后，將根據不同尺寸的井深結構制作的上、下隔離器用鉆具送到相應的位置。主軸上部的內反扣由變絲接頭改裝，端點連接頭的下部以及鉆具接頭則變成公反絲扣。封水止水器被送到重疊位置后，開正車將其甩入井內然后提鉆具，接上工具扳手后再開車將其扣壓至最大的限度。最后在倒開正反絲接收，待鉆具全部被提出后，靜止12 h，此時如果兩板間的填料全部被橡膠板或硅膠板壓實膨脹，再向其中充氣充水，孔壁環(huán)裝之間的間隙封閉，從而達到預定的止水效果。

3 地熱鉆孔結構調整的優(yōu)點及止水質量的檢查

原設計的鉆孔結構為一開φ500 mm的牙輪鉆頭至基巖處，隨后下入φ325 mm的管套，利用粘土或者水泥止水，二開φ311 mm鉆至終孔，隨后下入177.8 mm的管套，進行管套外止水。采用上述封水止水器以后，一開φ450 mm進入基巖界面，下入φ352 mm管套做下泵段以及隔離護壁，二開φ215 mm至終孔位置處，隨后下177.5 mm花管、直管以及封止水器。采用封水止水器明顯縮短了施工的周期，使用的材料的成本也有所下降，經濟效益提升。地熱井的鉆探過程中，孔徑變小使鉆盤和鉆桿的扭力矩變小，減少了事故的發(fā)生率，很大程度上降低了施工的風險。

向止水管內注水前，應先用鉆具將止水管底端掃通，以確保止水管與含水層不連通。當管漏失量小于指定值甚至無漏失時可近似認為止水合格。檢查地熱井止水效果的主要指標是溫度，只有溫度達到合格標準，才能證明止水效果達到最先預期目標。

4 結語

以上所介紹的新型封水止水器由于克服了普通膨脹材料容易被磨掛的缺點從而達到了較好的止水效果，因此遇壓膨脹封水止水器在許多地區(qū)的地熱井、水文水井、煤系地層止水工程中得到了廣泛的應用。然而此封水止水器不光可以用于解決此類工程中的止水問題，也可以應用在煤田水文鉆孔施工過程中。該封水止水器的研究與發(fā)明，不僅改進了地熱井、水文水井、煤田水文孔的止水工藝，同時也增加了水文地質抽水鉆孔止水的手段，這些優(yōu)勢使得該止水工藝在整個水文地質行業(yè)受到廣泛關注和好評。

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[3] 程顯峰，劉鐵鑄，景 鐸.應用遇水膨脹止水膠施工技術降低施工成本[J]價值工程,2014(5):31-32.

Inquiry on geothermal well and hydraulic hole water-sealing technology

Zhang Chunliang

(Shanxi1stHydraulicGeologyEngineeringGeologyTeam,Taiyuan030024,China)

The paper introduces structure, materials, working principles and application scope of geothermal well water-sealing instrument, discusses water-sealing instrument application methods by taking engineering cases as the background, illustrates geothermal drilling hole structure adjusting merits and waterproofing quality examining measures. Furthermore, it avoids general expansive material grinding defects, and achieves better waterproofing effect.

water-sealing instrument, geothermal well, drilling hole, structure

1009-6825(2015)05-0066-02

2014-12-02

張春亮(1982- )，男，助理工程師

P634

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