深层地热井考虑水泥环损伤的套管预热应力设计

深层地热资源相较于传统地热资源具有更大的开发潜力,但由于深层地热井井底温度更高,在开发开采中高温流体使套管受热膨胀,易引起套管屈服变形损坏。而目前对于深层地热井套管安全问题在理论研究和技术实践上均面临着诸多挑战。为此,根据厚壁圆筒理论和热弹性力学基本理论,利用对套管预先施加热应力降低套管的轴向热应力,考虑高温水泥石损伤后地层-水泥环-套管的接触问题,并以套管有效应力控制在相应温度下的最小屈服极限内为原则,根据套管柱强度设计安全系数,评价套管安全性能,建立深层地热井套管预热应力设计方法,缓解高温对套管热损伤的问题。结果表明,水泥浆的密度对损伤因子影响不大,水泥环的弹性模量对损伤因子起主导作用。在预热情况下,注水条件下(注水温度为65℃)在预热250℃以下能够满足设计条件,在地热生产条件下(地热温度为346℃),需要超过200℃才能够满足安全设计要求。

中深层水平连通地热井取热特性研究

高效取热技术是实现地热效益化开发的关键,建立了水平连通地热井数值仿真模型,计算了连续开采和间歇开采工况下的出口流体温度和换热量,研究了注入温度、注入流量、水平段长度对系统换热性能和岩层温度恢复能力的影响。结果表明,随着注入流量增加,地热井出口水温下降,但整个系统换热量提高;当注入温度较高时,可有效提高出口水温,但系统换热量降低较大;随着水平段长度增加,出口水温和换热量逐渐上升,换热性能提高;岩层温度恢复能力随注入流量和注入温度的增加而提高。综合考虑钻井成本、水泵功耗等因素,适量增加注入流量、降低注入温度、增加水平段长度能有效提高水平连通换热井的换热性能;虽然高的注入温度可提升岩层温度恢复能力,但不利于提高系统换热性能。

西藏谷露地热田ZK401高温地热井钻井工艺技术

谷露地热田是西藏那曲—尼木地热带上的典型水热型高温地热田,安全、经济和高效的钻井工艺技术很大程度上决定了其高温地热资源的可开发利用潜力。ZK401井是在谷露地热田实施的一口优质高产探采结合井,地层以花岗岩类为主,其岩石硬度大,机械钻速低,钻头使用寿命短。自上而下揭露多层热储,其35~41m即可揭露124.8℃中温地热流体,汽水总量约40 t·h^(-1);50~320 m揭露超过120℃的中温热储,汽水总量约30~35 t·h^(-1);320~1320 m揭露186.9℃高温热储,汽水总量高达348 t·h^(-1),具有热储埋深浅、温度高,断裂构造发育,地层出水量大的特点,高温及水侵作用致使钻井液极易失效,井喷风险大,安全钻井难。为解决上述钻井施工难点,进行了高温地热钻井关键技术研究。通过采用异形齿PDC钻头和岩石热裂提速技术,使单只异形齿PDC钻头进尺较同规格牙轮钻头提高了23%~48%,使三开井段花岗岩类地层的平均机械钻速提升至3.18 m·h^(-1)。通过优化井身结构,采用简易控压钻井技术,利用低温清水作为二开及三开钻进循环钻井液,达到了及时发现并有效保护热储层和控制井喷风险的目的;实现了ZK401井在520 m揭露186.9℃高温热储且汽水总量达348 t·h^(-1)苛刻条件下的安全、持续钻进,且非生产时间较采用常规钻井技术的邻井缩短了37%,极大地降低了钻井成本,提高了高温地热资源的可开发利用潜力。为后续该区域乃至其他地区解决高温地热井钻井施工提供参考。

基于工业物联网的地热井阻垢剂加注装置研制

为解决西藏地区高温地热井结垢问题,该文研制了一套基于工业物联网的阻垢剂加注装置,设计了五层架构:现场层、控制层、操作层、管理层、企业层。现场层、控制层、操作层为本地系统,基于S7-1200、触摸屏、WinCC界面实现阻垢剂加注现场监控,并通过西门子工业网关(IoT 2050)向云服务器传输加注压力、流量、深度等生产数据。管理层、企业层为远程系统,通过生产执行系统(MES)监控多个地热井的阻垢剂加注装置,进行多井联产管理。该装置在西藏谷露某地热井进行现场测试,阻垢剂加注流量调节范围可达0~60 L/h,压力0~2.5 MPa,深度0~300 m,可以满足实际需要。

地热井用潜水泵冲蚀磨损特性

为研究颗粒属性对地热井用潜水泵外特性和冲蚀磨损的影响,采用离散相模型和RNG k-ε湍流模型对两级潜水泵内流场进行了全流道数值模拟.结果表明:随着固体颗粒体积分数的增大,潜水泵各级扬程和效率均呈下降趋势,单级扬程最大下降1.68 m,单级效率最大下降5.18%;叶轮的冲蚀磨损主要出现在叶片工作面进口,导叶的冲蚀磨损主要出现在导叶工作面出口和导叶前盖板;随着固体颗粒密度的增大,各部件的平均冲蚀率增加明显;叶轮和导叶的最大冲蚀率均随固体颗粒粒径的增大呈增大趋势,其中导叶的最大冲蚀率随颗粒粒径变化相比叶轮更加明显,当颗粒粒径超过0.650 mm时,过流部件最大冲蚀磨损率急剧上升.

地热井用两级潜水泵内流熵产诊断及水力性能优化

为了提升地热井用潜水泵的运行效率,根据地热井用潜水泵的流动参数和实际运行工况,完成了两级潜水泵过流部件水力设计,并进行了全流道流动数值模拟和试验验证;采用熵产分析法定位了潜水泵内流场的高能耗区域,主要集中在级间交汇和动静部件干涉处;采用正交设计和结构参数敏感性分析方法,确定了结构参数对潜水泵性能的影响规律,以叶轮叶片出口角、出口宽度、叶片包角和导叶轴向长度为优化变量,以扬程和效率为优化目标,通过遗传算法、最优拉丁超立方采样和熵权TOPSIS法对两级潜水泵进行水力优化。结果表明,额定工况下,优化泵的扬程增加了24.9%,效率增加了5.7%,总水力损失减小了1024.9 W,高能耗区域明显降低,水力性能显著提升,分离流、二次回流和冲击流动等不良流动得到显著抑制;大流量工况处理能力大幅度提升,高效区间范围扩大了70%,运行稳定性得到显著提高。研究内容为潜水泵的设计及内流场研究提供理论指导。

填料水泥导热性能实验及对U型地热井取热影响的数值模拟研究

地层与井筒之间的导热性能是以热传导为主的U型地热井技术取得成功应用的关键因素之一。针对U型地热井如何提升固井水泥的导热性能问题,采用室内实验和数值模拟方法研究了导热填料对固井水泥导热性能和取热效果的影响。研究结果表明,石墨相比于实验所用其他填料而言具有更好的提升固井水泥导热性能的潜力;随着石墨掺入比例的增加,固井水泥的导热系数近似线性增加,而抗压强度近似线性下降;高掺入比例的石墨固井水泥能显著提高工作介质在U型井水平段入口处的温度,但由于U型井换热主要发生在较长的水平段上,从长期运行来看过高的掺入比例并不能显著提高取热效果,建议固井材料中石墨掺入比例控制在10%左右。研究结果对U型地热井固井水泥导热填料类型筛选和掺入参数确定具有重要意义。

地热井用潜水泵选型应用软件研究与开发

针对地热井用潜水泵选型效率低、校核工况点计算成本过大等问题,借助计算机辅助选型技术,采用Python作为编程语言,PyQt构建图形化用户界面,MySQL作为选型数据库系统,基于Windows系统开发了地热井用潜水泵选型应用软件。该软件一方面根据潜水泵产品属性,建立了样本数据库模块;依据潜水泵现场运行数据和管路阻力曲线,以最高效率下降5%为界,建立了高效数据库模块;基于样本数据库和高效数据库构建潜水泵初选系统,筛选出满足现场作业要求并且在高效区间内运行的初选泵型号;基于地热井用潜水泵的性能参数、经济成本、运维费用和耐久性,采用熵权TOPSIS法建立潜水泵效能评价体系,对各初选泵方案进行优劣排序,最后高效简便地为用户提供最优潜水泵型号;另一方面基于高效区间数据库建立了潜水泵运行工况反馈模块,根据泵型号对应转速下的运行参数,反馈潜水泵运行状态,非高效运行时根据相似定律和调速区间给出合理的转速范围。

地热井钻井过程中漏失对井筒温度分布的影响

针对地热井钻井过程中经常发生的井漏现象,建立了预测井筒和周围地层温度分布二维瞬态温度模型。采用有限体积法对模型进行离散,使用欠松弛迭代法进行求解;通过与之前建立的井筒温度模型进行对比,验证了本文建立的模型的有效性,得到了地热井裸眼段发生漏失时井筒温度分布规律,分析了影响井筒温度分布的敏感性因素。研究表明,在发生漏失的位置,环空钻井液温度分布曲线发生了明显的突变。井筒内持续性的漏失现象会降低环空与钻杆内的钻井液循环温度,体现了井漏对钻井液的冷却作用,尤其对井底靠近漏失层位的部分井段效果更明显。在钻井液循环相同的时间后,漏失情况下的井口温度和井底温度明显低于正常循环情况下的井口温度和井底温度。裸眼地层段漏失的发生不仅对漏失点以上的井筒温度分布产生了重要影响,也显著影响了漏失点以下的井筒温度分布。

U型地热井取热影响因素数值模拟研究

中深层地热是未来地热资源开发的潜力区,U型地热井是实现中深层地热高效开发的一种重要手段。以河南豫东地区地质与储层资料为基础,以3000 m深U型地热井为研究对象,采用多物理场数值模拟软件建立U型地热井井筒与周围地层耦合的物理模型,通过数值模拟研究了不同运行情景下各种因素对井口温度和取热量的影响。研究结果表明,该区在满足用户负荷情况下的合理水平段长度约为1000 m,管道内径为177.8 mm,保温段长度为1500 m;管道内径和水平段长度影响水平取热段的温度扰动突破时间,井口温度在该时间之前基本保持稳定;U型地热井上升段周围地层温度存在“降低、平衡、升高”三个变化区域,合理的保温段长度不宜超过平衡区域。

地热井施工工艺的改进与优化

本文深入探讨了地热井施工工艺的优化问题。通过借鉴先进国家的地热井施工经验,并结合我国地热资源开发特点,进行了实地施工尝试。在此基础上,针对现有问题,如钻孔液砂浆技术、水平钻探技术及隔热材料技术等,开展了有针对性的技术研发与实验,以期为我国地热能的高效利用提供技术支持。我们还对土地利用、环保等因素考虑入内,形成了系统全面的改进和优化方案。最后,实地应用优化后的施工工艺,使施工效率和地热能提取效率显著提高。此研究结果表明,系统性的工艺改进与优化对地热井的施工效率和质量有显著影响,对推进我国地热能源的开发与利用具有重要意义。

四川邻水高滩镇地热井含膏盐段岩屑稀土元素特征及意义

膏盐稀土元素研究不仅可以查明成矿物质来源,而且对于评价钾盐的成矿潜力也具有重要意义。四川盆地华蓥山东翼四川邻水县高滩镇倒碑村地热井嘉陵江组—雷口坡组钻遇多层膏盐夹层,对其岩屑开展了岩石学、稀土元素和相关微量元素测试分析。研究表明:(1)该区嘉陵江组—雷口坡组膏盐层成分主要为石膏,含少量钾长石、石英、黏土矿物等陆源碎屑,ΣREE较低,为7.18×10^(–6)~77.63×10^(–6),均值20.03×10^(–6),明显低于泥岩及砂岩稀土总量,与江西信江盆地晚白垩世膏盐以及安徽北部等地碳酸盐岩REE总量相近。ΣREE与Al的主要载体(黏土矿物)呈正相关关系,HREE与LREE亦呈明显正相关关系,稀土元素来自附近泸州古隆起陆源碎屑态黏土矿物以及黏土矿物对水体中稀土的吸附作用,这两种作用可能是该区膏盐类稀土元素的主要来源。稀土元素含量或可作为膏盐和盐岩盆地与古陆距离的评价指标。膏盐岩屑矿物组成及稀土元素特征反映该区靠近泸州古隆起,来自古陆的地表淡水的淡化作用,是该区未能形成规模性钾盐矿床的主要原因;(2)该区膏盐层段岩屑稀土元素为相对平坦的页岩标准化曲线形态,LREE/HREE介于3.02~3.72之间,平均值3.37。(La/Yb)N介于1.15~1.63之间,平均值1.29,曲线略向右倾斜,轻稀土弱富集。δEu介于1.14~6.89之间,平均值2.65。δCe介于0.81~0.87,平均值0.85,具明显的Eu正异常和较弱的Ce亏损,表现为缺氧、还原、强酸的环境,地层中或广泛存在热化学硫酸岩还原作用(TSR);(3)La/Ce值、Zn-Ni-Co三角图、logTh-logU相关图显示膏盐地层为高温环境,这促进了TSR作用的发育。高温除与正常地温梯度相关外,还可能与峨眉山玄武岩喷发后续效应以及雷口坡组底部火山喷发(绿豆岩)有关。这些研究有助于膏盐类稀土元素聚集机理的认识,对于膏盐沉积、成岩过程中稀土元素的地球化学行为的认识也有积极意义。

地热井堵漏材料研究进展

地层漏失是地热能勘探开发过程中经常遇到的问题,会影响施工安全、钻探效率和施工成本,尤其是地层稳定性差的热储层失返性漏失问题。当地热井非热储层段发生严重漏失时,采用常规的水泥、桥接堵漏材料等堵漏材料后堵漏成功率不高,亟需研发低成本、堵漏效果好、绿色环保的地热井堵漏材料。本文综述了地热井堵漏技术要求、堵漏材料研究与应用现状、地热井非热储层用堵漏材料和热储层用暂堵材料,分析了不同堵漏材料的优缺点,重点介绍了现有地热井堵漏材料的应用效果和自降解暂堵水泥、自降解型交联凝胶、温敏型形状记忆聚合物等3种热储层用暂堵材料的堵漏原理与进展,尤其是自降解型交联凝胶。随着地热能向深部勘探开发,提出了研发堵漏成功率高的广谱型堵漏技术、抗高温堵漏材料以及热储层段暂堵材料应用验证和热储层伤害评价等研究方向。研究成果对地热井钻遇漏失地层堵漏研究与工程实践具有重要的参考价值。

川西高温地热井的定向施工探索与研究

四川川西康定地区地热资源十分丰富,该地区先后施工了ZK201井、ZK203井、ZK206井。从井深200m开始,施工温度急剧升高,并伴有热水蒸汽喷出,热储条件良好。为了进一步开发当地地热资源,充分利用地热储层,提高蒸汽的产量,我单位对超高温定向井和水平井的施工进行了多方面的探索和研究,并提出了超高温环境下定向过程中的关键技术难点和解决方法,为现场高温定向施工提供了有力保证。

中深层地热井开采对套管与水泥环性能影响的研究

地热井开采过程中井筒热流体造成的瞬时高温条件下,对套管的力学性能有较大的影响。本文基于套管-水泥环-地层岩石稳态热传导数学模型计算井筒温压场,建立中深层地热开采放热与套管相互作用力学评价的数学模型,并对地热开采放热对套损的影响进行有限元计算和试验模拟,得到以下结论:在地热开采井筒放热作用下,使套管产生了较大的椭圆度,削弱了套管的抗挤强度。当内压达到90 MPa、套管内温度为30℃时,在地层径向压力不等的情况下,内壁面应力分布极不均匀,应力最大差值为560 MPa,应力沿周向分层分布,受到地层径向压力大的一侧出现大范围的应力集中区域。随着温度的升高,套管的位移云图变化不大,最大位移值略有增加。当温度达到120℃后,套管处于较为恶劣的热力环境,热应力的变大导致套管塑性变形严重,同时内压增大到120 MPa时,套管内壁整体呈高应力状态,更易导致壁面出现塑性破坏。研究成果对研究地热开采放热对套损的影响规律,对评估套管的受力环境、水泥环强度、水泥环微间隙宽度等参数提供指导意义。

中深层无干扰地热井施工进度影响因素及增效

在地热开发中,中深层无干扰地热井是一种极具前景的地热钻井技术。以潇河国际会展中心中深层无干扰地热井项目为例,通过对施工进度及成井工艺的分析确定了中深层无干扰地热井施工进度的主要影响因素。从主要影响因素出发,以合理的施工组织安排、不同地层硬度与造浆能力情况下恰当的钻头选型、减小地层矿化水对泥浆性能的影响等措施,满足了项目施工进度要求,缩短了成井时间,提高了工程效益。

解决地热井缺失地质资料问题的应用研究

为解决地热资源勘查过程已有地热井缺少岩芯等地质资料的问题,以清远市及英德市两处地热田的地热资源开发现状为例进行应用方法研究,分析各方法的作用及优化组合,提出应用大地电磁测深法(MT法)联合孔内电视、测温孔类比法配合孔内电视和全孔测温等方法来完善地热井地质资料,以期为清远市地热资源开发提供有价值的参考。

地热井施工使用中存在的问题分析

地热井在使用过程中存在着水量减少、井身结构破坏等问题。分析了施工过程中出现的问题,既有施工过程的原因,也有非施工因素的原因。水量减少的原因主要是钻井工艺、围填滤料工艺不合理、用水方式不当、热井易堵塞等。由于施工工艺、材料质量、地热水、土壤环境等因素的影响,井身结构的失效形式主要有井管错位和金属管腐蚀。在此基础上,对地热井的设计、建设及维护提出针对性的改进措施,以保证地热资源的可持续利用。

THD专利技术在地热井中的应用及探讨

THD(Take Hot Drilling)是一种创新的专利技术,意为钻井取热,该专利是一种在地热开采中有效提高产水量及保持温度的多通道系统,该多通道系统有效地增加了产水量,其核心思想是将不符合温度要求的多个含水层的水资源充分利用。这一技术通过引导这些水资源至井底,然后借助井壁进行加热升温,并与地下高温热水混合,最终通过出水通道将其抽出,该出水通道具备隔热保温的功能,有效减少地热水向地面输送的沿程温度损失,从而实现了保持温度和提升的双重目标。首次在某地热井中应用THD专利技术证实了该系统在提高地热开采效率方面的可靠性和有效性。此外,在出水通道方面仍存在改进和优化的潜力,有待进一步深度研究与分析探讨。总的来说,THD专利技术为地热(温泉)井开采提供了一项重要的技术保障手段,值得进一步验证和广泛推广应用。

雄安新区地热井钻完井技术研究与应用

地热能作为一种清洁和可再生能源,已在全球范围内广泛关注和应用。雄安新区是华北地区地热条件最好的地区之一,适合大规模开发地热能。本文总结了在雄安新区地热井钻完井技术的难点及其应用,主要结论为:抗高温防塌钻井液技术有效降低了地热井盖层长裸眼段施工中卡钻、漏失、坍塌及油气侵的风险,其在高温条件下流变性能优异,适合在类似地层中推广;针对基岩破碎地层取心率低的难题,采用川系类双轴承悬挂取心管,配合改进后的孕镶金刚石钻头,有效提高岩心采取率;酸化增产技术是提高雄安新区地热井深部热储开发能力的有效手段,以D22井为例,其涌水量酸化后提高9.3倍。利用雄安新区钻完井技术,高质量完成D03、D06、D16、D22、D34、D35等一系列高质量钻孔。