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【摘要】基于地熱資源在緩解現階段能源壓力和保護自然環境中的重要作用，在簡述地熱井與水文孔對地熱資源開發利用具有的關鍵作用基礎上，對止水裝置制作及原理進行深入分析，并結合實例驗證了這一止水工藝的有效性和可行性。

【關鍵詞】地熱資源；地熱井；水文孔；止水工藝

前言

如今，地熱資源的興起和使用極大地緩解了一次能源供應壓力，在減少環境破壞上也起到了重要作用。在地熱資源開發與應用過程中，需要進行地熱井與水文孔的開挖鉆探，用于了解資源狀況。為保證鉆探順利完成，需要切實做好止水。但傳統的止水措施已經無法滿足實際要求，亟須制定先止水工藝，研制新型止水裝置。

1地熱井與水文孔止水重要性

地熱是一種新能源，近幾年國內正廣泛用于包含種植、采暖和醫療等在內的不同領域，為社會經濟快速發展創造了極大效益。尤其是大城市對地熱資源的合理開發、應用，極大地改善了自然環境，減少煤炭等資料的消耗，進一步提高人們的生活水平與質量[1]。很多地區都蘊藏有極為豐富的地熱資源，尤其是新近系與古今系等的松散構造層，為含水提供良好介質，同時受到覆蓋層持續高溫與高壓作用，產生高溫熱水。經現場鉆探，地熱水的溫度可以達到78℃以上。開展地熱井鉆孔作業的主要目的在于深入了解儲熱層實際狀況，包括基本巖性、各層層厚、實際深度、熱水溫度、熱水數量及實際水位，據此能掌握資源賦存條件、規律及分布特性。對于地熱井，其出口水文和采用的止水工藝存在密切的聯系。基于此，采取適宜的止水工藝加強治水，是極其重要的步驟。普通地熱井所用止水工藝為在套管及其交錯部位與下端采用止水材料，材料遇水后將發生膨脹，然后用鉛絲進行綁扎，放入到止水層段實現封閉止水。這種方法雖然使用了很多，但向孔中放入套管時，會因為纏在套管表面的膠條和經閉關發生摩掛，尤其是下端設置的止水材料，極易被井壁磨掛，使膨脹材料發生移位，導致止水失敗，對地熱井鉆探作業造成影響，無法達到預期的質量要求。采用止水裝置后，通過異徑止水，在兩板間設置硅膠板，借助其遇水后膨脹的特性，加強止水效果。該止水裝置能從根本上克服傳統止水材料局限性，目前已經能廣泛用在地熱井及水文井等多個領域。

2封水止水裝置的制作與止水基本原理分析

2.1封水止水裝置制作過程

止水裝置主要由三部分構成，分別為軸承、套管及硅膠板。其中，套管是止水裝置的主體管，硅膠板是起止水作用的材料，填補套管底部和孔壁之間的縫隙；軸承為傳動裝置。該裝置的制作方法為：將內、外徑分別為159mm和200mm的管作為裝置的主軸，以40Mn為主要材質，下部公頭與石油管采用絲扣進行連接，在支撐板表面采用硅膠板作為塊料，于中部設置浮動板。在骨架板上進行硅膠板的填入后做浮動添加。軸承用旋緊板進行緊扣。

2.2基本原理分析

硅膠板遇水后體積膨脹，具有一定彈性且能止水。在橡膠中添加適量高分子材料，不僅具有橡膠制品所有性能，而且遇水后會發生膨脹，屬全新防水材料，止水效果突出，相較于普通橡膠等材料更加可靠。相比于普通材料，主要具有以下特點及優勢：遇水后將發生明顯膨脹，可達原體積的2~3倍，能充滿接縫中每個孔隙，并產生接觸壓力，從根本上防止滲漏。如果施工縫及接縫產生位移，使間隙超出最大彈性范圍，則普通材料必定失去止水效果，但這種材料能通過進一步膨脹來繼續止水。將遇水后會發生膨脹的橡膠材料作為止水體，除了能減少材料用量，還能解決普通材料由于壓縮較大而出現彈性疲勞，保證防水效果。使用止水裝置時，因檔案能防將止水材料下到孔中時發生錯位，并經過適當給壓，在遇水后立即膨脹，從而實現隔離密閉止水根本目標[2]。

2.3主要特點

（1）止水裝置采用硅膠板，在遇水后體積迅速膨脹，能對地層當中的水進行有效封堵與阻隔。同時，膨脹的倍率很高，且具有很強的位移補充性，可在一定情況下實現平衡自愈，自動封堵由于沉降產生的所有裂隙。（2）優于普通止水工藝，而且制作方法簡單可行，能縮短工期，節省成本。（3）裝置所用止水工藝十分簡單，可滿足基本試驗要求，且事故發生率很低，安全風險小。

2.4應用范圍

（1）地熱井施工過程中，以電測井與鉆探成果為依據確定止水具體位置，然后對熱儲層進行止水。這一止水裝置能用在涌水試驗過程中，也能實現一孔多層抽水，阻隔上、下兩個含水層，而且還能在所有含水層段進行安裝，防止由于地層垮塌造成含水層被堵。（2）無論是煤田地質鉆孔還是水文井鉆孔，通過對這一止水裝置的合理應用，可以起到有效隔離作用，保證工程質量，并能加快施工效率，縮短工期。（3）針對水文水井項目，如固井和舊井修復，都可以采用這一止水裝置實現止水。

3實例分析

現以某熱井止水項目為例進行深入分析。該項目施工場地范圍內斷裂發育，為典型的張性斷裂，且破碎帶的寬度很大，有隨時可能發生坍塌的危險。孔深的設計值為1200m，經電測井可知，冷、熱水止水深度約486m。

3.1地熱井鉆孔基本結構優化調整

（1）原結構首先，使用牙輪鉆頭鉆進到基巖界面，放入325mm的套管，用水泥與粘土等材料進行止水；然后按311mm的孔徑鉆進到終孔處，放入套管，在套管外側使用水泥進行固定與止水[3]。（2）結構調整首先，按照450mm的孔徑鉆進到基巖界面，放入325mm的套管，將其作為下泵段，同時進行護壁，形成隔離覆蓋層；然后按311mm的孔徑鉆進到終孔處，放入177.8mm的套管，在套管外側使用水泥進行固定與止水。（3）調整后優點一方面，地熱井鉆探過程中，因孔徑持續變小，所用鉆桿的扭矩力以及鉆盤的扭矩力均會不斷減小，這樣能有效防止鉆孔中產生安全事故，進一步降低安全風險。另一方面，能有效縮短工期，減少原材料的成本，保證工程經濟效益。

3.2止水過程

（1）根據現有電測井資料，結合鉆孔取芯實際情況與儲熱層所在位置，準確定出止水層的位置，然后選擇質地堅硬且完整性好的巖石，將其作為止水段。根據井身結構，制作尺寸適宜的隔離器，同時對止水裝置具體下入位置進行準確計算，然后用鉆具將其送到指定的位置。（2）止水裝置主軸上部采用內反扣式接頭，而端點與接頭之間的連接頭，其下部采用公反絲扣，送至重疊位置以后，通過開正車將其甩到井中，然后進行鉆具提升，與工具扳手相連接，開車上扣，到壓至最大限度為止。（3）將正、反絲的接手倒開，將孔中所有鉆具都提出以后，靜置12h，采用硅膠板對兩板之間的縫隙進行填充，然后經充氣與充水之后，和孔壁環裝間隙實現封閉，以此起到應有的止水作用效果。

3.3質量檢查

抽水試驗開始前，先使用鉆具將止水管的底部掃通，含水層和止水管未連通時，持續向止水管中注入水。當管中沒有漏失，或實際漏失量相對較小時，則認為止水效果良好，可達到要求。對地熱井的實際止水效果進行檢查時，主要檢查溫度，當溫度處在允許的范圍內時，說明止水效果達到要求，質量過關[4]。

4結束語

綜上所述，該止水技術應成功用于多地的地熱井和水文孔。經抽水試驗可知，它有效克服了采用傳統材料會發生磨掛的弊端，發揮出極好的止水效果，確保成孔及鉆探都可以順利完成。對于現有四口深度都在1200m以上的熱水井，鉆進時泥漿實測溫度53℃，通過對上述止水裝置的應用，完成抽水1d后，出口水溫可達97℃，每日平均出水量約1920m3，效果良好。另外，該止水裝置除了能用于熱水井，還能在水文孔鉆設中發揮相同效果。因此，這項技術的研發與應用，能為地熱井及水文孔工作提供可靠技術保障。

參考文獻

[1]張春亮.地熱井及水文孔止水工藝的探討[J].山西建筑，2015，41（5）：66~67.

[2]王海軍.水文孔同徑抽水試驗止水方法研究[J].地下水，2015（5）：125~127.

[3]江哲.地質勘查水文孔幾種止水工藝討論[J].建筑工程技術與設計，2017（7）：22~23.

[4]高永彬.煤田水文地質孔造壁止水施工工藝探討[J].西部探礦工程，2015，27（3）：43~44.

作者:賈紅殿 單位:廣西壯族自治區地球物理勘察院