地热监测钻井工艺及技术研究

摘要：地质环境监测工作是一项服务于国民经济建设和政府宏观决策的基础性工作，而地下水环境监测是地质环境监测的重要组成部分。本文以郑州公交七公司地热井为例，通过钻井设计、设备选型、钻井参数、现场组织施工等方面，详细论述了地热监测井钻井施工工艺与技术，监测了深层地热水漏斗区水位、水质和水温，为该地区和其它类似地区进一步勘查开发地热资源提供指导和借鉴。

关键词：地热井；监测井；施工工艺 ；抽水试验

1.工程概况

随着郑州市的深层地热水长期过量开采，已经造成地下水位持续下降，局部出现水位降落漏斗。郑州公交七公司地热井来源于河南省国土资源厅2010年省两权价款矿山环境治理恢复项目，其目的是完成1200m深层地热水示范监测井建设，完善郑州市深层地热水监测网络，监测深层地热水漏斗区水位、水质和水温，为全省城市地热水监测井建设提供示范和城市地热资源管理提供依据，拟建深层地热示范监测井位于郑州市区西北部——郑州市长兴路公交七公司院内。

该井位于郑州市长兴路公交七公司院内，钻探深度1202m，成井深度1180m，0～260m下入Φ273×7mm井壁管，260～1180m下入Φ159×6mm井壁管和滤水管，0～1050m下入Φ48×4mm监测管；采用分层止水方法，止水位置分别为885～905m，440～460m；投入Φ1-3石英砂32m3，Φ2-4优质粘土球4m3。

经抽水试验得到：该井静水位埋深72.07m，动水位埋深111.60m，稳定出水量45.4m3/h，降深39.53m，单位涌水量1.15m3/h·m，含水层总厚度为128.35m，计算得到渗透系数为0.29m/d，影响半径为212.87m。

2.地质特征

2.1区域地质特征

郑州市地形平坦，地表岩性由粉土及粉砂组成。西部及西南部表现为早期沉降，后期抬升遭受侵蚀切割，受尖岗和古荥断裂的控制，形成西南和西北地势较高的黄土台塬。东部、北部长期下沉接受沉积，形成地势较低、开阔的黄河冲积平原、黄河漫滩和风成沙丘。在大地构造上属于华北地台的二级构造单元开封凹陷的西南缘与豫西隆起的交接部位，区内构造形迹以断裂为主，尤其近东西向和北西向断裂最为发育。郑州市地质构造小区位于豫西隆起荥巩背斜北翼东端与开封拗陷西南边缘的交接地带，构造运动强烈，古地形复杂。

2.2水文地质特征

郑州市地下水类型以松散岩类孔隙水为主，依含水层的埋藏深度和开采条件可将本区地下水分为浅层地下水、中深层地下水、中深层地热水和深层地热水。

浅层地下水：指埋藏于地表80m深度内的潜水，西部埋藏较浅，东部埋藏较深。含水层厚度一般小于25m。富水性差异大，具由西向东逐渐增大的规律，单井涌水量西南小于100m3/d，东北部最大达5000m3/d以上。水化学类型主要有HCO3—Ca、HCO3—Ca·Na、HCO3—Ca·Mg型。

中深层地下水：指埋藏在80～350m深度的承压含水层（组）。在城区一般可见4层含水层，至北郊近黄河地带可见7～10层含水层。水化学类型主要有HCO3—Ca、HCO3—Ca·Na、HCO3—Ca·Mg、HCO3—Ca·Na·Mg、HCO3·HSO4—Ca·Na·Mg型等。

中深层地热水：顶板埋深一般350～450 m，底板埋深500～800 m。主要为上第三系明化镇组下段和馆陶组上、中段湖积地层。底板以下粘土层厚20～40m，顶、底部均有稳定的隔水层与上、下含水层组相隔，为承压水类型。其含水层岩性岩性为新近系化镇组（Nm）砂层、新近系馆陶组上、中段的中细砂、中粗砂、粗砂和细砂。地热水温度25～48℃，水质良好，水化学类型主要为HCO3—Na型、HCO3·SO4—Na型、HCO3—Ca型，矿化度500～700 mg/l，PH值7.2～8.56，H2SiO3含量25.99～45.06 mg/l，总硬度75～150mg/L，Sr含量为0.21～1.03 mg/l，偏硅酸（H2SiO3）含量30～40mg/L。

深层地热水：指含水层埋深800～1200m，主要为新近系馆陶组下段湖相沉积物。岩性以细砂、中细砂为主，夹有粉细砂层。多由钙质胶结或半胶结，呈半成岩状态，顶板埋深807.6～943.5 m，局部小于800 m。共8～10层，井口水温40～48℃，水化学类型主要为HCO3—Na型，个别为HCO3·SO4—Na型，矿化度600～900 mg/l，最高可达1281 mg/l，PH值7.4～8.3，H2SiO3含量25～30 mg/l，Sr含量为0.2～0.3 mg/l，H2SiO3含量25～30 mg/l。

3.地热井钻探施工工艺与技术

根据郑州市地层特点，依据《地下水监测规范》（SL183-2005）、《供水水文地质勘察规范》（GBJ27-88）、《供水管井技术规范》（GB50296-99）的技术要求，设计了该钻井主要工程技术参数指标：

井深：1180m。钻孔结构：0～270m为Φ500mm，270～1200mm为Φ374mm。井管结构：0～260m为Φ273×7mm螺旋钢管， 260～1180m为Φ159×6mm无缝钢管和桥式滤水管，在井管中下入Φ48×4mm观测管，长度为1050m。钻孔倾斜度：260m深度内井斜不大于1度，260～1200m深度内不大于3～5度。监测井滤水管位置选定900～1180m含水层，900m以浅采取分段止水。

3.1施工设备

根据钻井设计深度、钻孔结构及地质情况，选用TSJ-1500型钻机及其配套设备，泥浆泵选用BW600/60泥浆泵。主要设备选型配套见表1。

3.2钻井施工技术

根据本井确定的井孔结构和钻进中钻遇地层情况，本井采用钻铤孔低加压，三牙轮钻头无芯钻进的施工方法。

一开：孔径500mm，深度270m，钻具组合： 500mm三牙轮钻头+159mm钻铤18m +89mm钻杆+主动钻杆。

二开：孔径374mm，深度1180m，钻具组合： 374mm三牙轮钻头+159mm钻铤18m +89mm钻杆+主动钻杆。

取芯钻进：开孔选用Ф311mm的三牙轮钻头施工，钻进至1140m，起钻配钻具取芯。根据地质技术要求，为保证岩芯采取率，选择Φ112mm合金取芯钻头，采用正循环泥浆钻井工艺。其钻具组合为：112mm（内径79mm）取芯钻头+108mm（内径99mm）双管单动管9m岩芯管+159mm钻铤18m +89mm钻杆+主动钻杆。具体钻进参数如表2。

3.3钻井液的选择与使用

该地热井采用不分散低固相淡水泥浆，用优质膨润土配置泥浆，用NaCO3、CMC、烧碱等调整泥浆性能。具体泥浆性能指示参数如表3

3.4洗井与抽水试验

3.4.1洗井

该井首先用清水替浆后，再用清水冲洗井壁，将井内泥浆替处，然后使用200QJ50-156型潜水泵洗井，直至水清砂净，水位稳定，洗井时间共计40h。

3.4.2抽水试验

本井按照相关的技术规范要求进行一次稳定流抽水试验，要求尽机械能力做一次最大降深，动水位和出水量观测在抽水开始后的第5、10、15、20、25和30min各观测一次，以后每隔30和60min观测一次，动水位和出水量必须同时观测，稳定延续时间必须达到8小时，出水量测量采用水表，读数到0.1m3，水位测量采用万用电表，测绳长度读数至厘米，水温、气温每两小时同步观测一次，读数至0.5℃。抽水结束后，进行恢复水位观测，水位观测频率按停泵后的第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min各观测一次，以后每隔30min观测一次，恢复水位延续时间12小时。

抽水试验从开始至结束，历时48h，稳定延续时间11h，静水位埋深72.07m，动水位埋深111.60m，稳定出水量45.4m3/h，降深39.53m，单位涌水量1.15m3/h·m。停泵后立即进行水位恢复观测，水位恢复历时48h，恢复后静水位埋深72.13m。

4.水质评价

5.结论与建议

5.1结论

（1）郑州市深层地热水示范监测井从安装到施工、成井、洗井及抽水，严格按照各种规范进行，符合施工技术要求。

（2）基本查明了该井地层、热储的岩性、厚度，为进一步在郑州市区开展地热资源勘查提供了可靠的依据。

（3）本井温泉水pH值为7.30，属中性水，矿化度为460mg/L，属淡水，经初步化验，达到生活饮用水卫生标准，适于饮用。

5.2建议

（1）对该监测井，建议安装专门的监测仪，对水温、水位进行测量，以便更好地了解地下水的动态情况。对地下水实行全面统一规划，建立地下水动态监测和管理系统，对监测井及周边地下水的水质、水量、水位进行长期观测和研究，进一步论证地下水动态变化。

（2）地面污染可能会对地下水造成影响，应采取严格的止水措施，避免人为因素致使地下水水质恶化。因此，根据地下水埋藏条件、地表渗透条件以及开采降落漏斗影响范围等因素，建立卫生防护带。

参考文献

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作者简介：赵光耀（1987.10），男，汉族，中共党员，河南开封人，河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，助理工程师，硕士研究生，从事地质勘查工作。

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