CN114232591B - 一种高温地热井的井口地基加固处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地热资源勘查开发技术领域，具体涉及一种高温地热井的井口地基加固处理方法。本发明包括以下步骤；步骤1，井口地层稳定性评价；步骤2，开挖和固化基坑；步骤3，防腐及隔热处理；步骤4，焊接结构骨架；步骤5，浇筑水泥底座；步骤6，焊接密封钢板；步骤7，浇筑水泥台。本发明将高温地热井口周边的热对流变为热传导，大幅度降低井筒中的热损失，提高了地热资源利用率；有效隔绝了井口周边的冷水，解决了高温地热井井口周边持续冒气的现象，有效抑制了气爆和坍塌风险，极大的提高了高温地热井持续利用的稳定性和安全性。

Description

一种高温地热井的井口地基加固处理方法

技术领域

本发明属于地热资源勘查开发技术领域，具体涉及一种高温地热井的井口地基加固处理方法。

背景技术

高温地热井是指开采温度超过150℃，地热资源主要以水蒸气形式存在的钻井，主要用于地热发电。由于高温地热资源常发育在板块构造边缘、深大断裂构造带或现代裂谷中，特别是与更新世以来的构造应力场和热动力场关系密切，以断裂构造发育为主要特征，这就决定了高温地热井常处于地层破碎、多期次构造叠加部位。

建设稳定可靠的高温地热井是安全、高效利用地热资源的关键步骤。

地热钻井过程中，在下表层套管前不能有效承压固井形成地层封环，井口周边裂隙不能完全被水泥填充胶结，裂隙中聚集的地下冷水在高温地热井产能测试及开采利用过程中容易被迅速加热甚至沸腾，冷水的持续汽化导致井口周围持续冒气，严重时可能发生气爆、坍塌等现象。因此在高温地热井开展产能测试及开采利用前务必进行井口地层稳定性评价及井口地基加固处理，保障高温地热井的稳定性和安全性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高温地热井的井口地基加固处理方法，保障高温地热井的稳定性和安全性

本发明采用的技术方案：

一种高温地热井的井口地基加固处理方法，包括以下步骤：

步骤1，井口地层稳定性评价：对高温地热井施工过程和井口周边30m范围内进行稳定性评价，确定是否需要进行井口地基加固处理。

步骤2，开挖和固化基坑：以井口为中心，开挖正方形基坑，清理内部淤泥和碎石，夯实地基，导出涌水。

步骤3，防腐及隔热处理：选用耐高温防腐漆对所有结构部件进行防腐处理；与表层套管同轴布设隔热管，形成空气隔热层。

步骤4，焊接结构骨架：结构骨架包括锚杆、支撑钢管、垂向钢筋网和上下双层水平钢筋网，结构骨架所有交叉部位均采用焊接方式连接。

步骤5，浇筑水泥底座：使用混凝土浇筑水泥底座，浇筑过程中要确保结构骨架牢固并处于正确位置；表面凿毛法处理，增强与上部水泥的咬合力。

步骤6，焊接密封钢板：密封钢板为以井口为中心的正方形热轧碳素结构钢，与井口法兰下缘密封焊接，四角设置临时注浆口；隔热管、支撑钢管、垂向钢筋网均采用焊接形式与其连接固定。

步骤7，浇筑水泥台：先在水泥底座表面刷素水泥浆，通过临时注浆口进行注入混凝土并震动夯实，确保密封钢板下部无空隙；然后焊接密封临时注浆口，而后在其上部浇筑水泥砂浆与井口法兰齐平，由水泥台中心向边缘形成不小于2％的坡度，防止水泥台积水。

优选的，所述井口地层稳定性评价，其评价要素包括井口周边持续冒气或冒水；地层破碎，裂隙构造发育；地层较松散，工程地质条件较差；地热井上部地层含水性好，潜水位浅；施工过程中井口周边热显示发生改变；试放喷过程中井口周围冷水被明显加热甚至汽化，若存在上述情况中的一种或多种，则需要对井口地基加固处理。

优选的，所述基坑大小以井口地层稳定性评价结果为确定依据，以隔绝冷水和降低热传导为目的，经验值基坑宽度以5m～8m为宜，深度以0.8m～2m为宜，当井口温度超过100℃，压力大于1Mpa时，基坑深度不小于1.5m。

优选的，所述耐高温防腐漆耐温不低于井温的1.5倍，涂覆率不低于30μm；所述结构部件包括表层套管、隔热管、锚杆、支撑钢管、垂向钢筋网、水平钢筋网和密封钢板，其中隔热管宜采用不低于δ10mm Q235B碳素结构钢制成；锚杆、垂向钢筋网和水平钢筋网宜采用不低于15mm热轧带肋钢筋；支撑钢管采用不低于D60.3×3.5mm无缝钢管；密封钢宜采用不低于δ10mm的Q235B碳素结构钢。

优选的，所述隔热管与表层套管同轴布设，二者之间布设若干热导率低的耐高温定位板，其耐温不低于井温的1.5倍，所述隔热管顶部与所述密封钢板焊接，底部与所述表层套管焊接并固定于所述水泥底座，在表层套管与隔热管之间形成空气隔热层，进一步降低热传导。

优选的，所述水平钢筋网宜采用0.3m×0.3m～0.5m×0.5m网度；所述垂向钢筋网宜采用0.3m×0.3m～0.6m×0.6m网度；所述支撑钢管两端焊接密封防止水汽进入，其顶部与所述密封钢板焊接连接，底部固定于所述水泥底座；所述锚杆沿隔热管表面呈螺旋状布设，长度不小于0.3m，外端下翻5cm。

优选的，所述水泥底座及所述水泥台均采用不低于P.O42.5强度水泥，混凝土强度不低于C35。

优选的，浇筑所述水泥底座及所述水泥台时，所述基坑侧壁不加模具，将水泥砂浆更多的注入周围土体或底层裂隙之中，并与周围地层或土体胶结成整体，确保有效隔绝井口周围地层裂隙或土体中的冷水。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的一种高温地热井的井口地基加固处理方法，将高温地热井口周边的热对流变为热传导，大幅度降低井筒中的热损失，提高了地热资源利用率；

(2)本发明提供的一种高温地热井的井口地基加固处理方法，有效隔绝了井口周边的冷水，解决了高温地热井井口周边持续冒气的现象，有效抑制了气爆和坍塌风险，极大的提高了高温地热井持续利用的稳定性和安全性。

附图说明

图1是本发明提供的一种高温地热井的井口地基加固处理方法流程图；

图2是本发明的一个实施例的整体结构示意图

图3为图2的A-A＇剖视图；

图4为图2的B-B＇剖视图。

图中：1-井口法兰；2-表层套管；3-二开技术套管；4-固井水泥；5-隔热管；6-水泥台；7-基坑；8-水泥底座；9-密封钢板；10-耐高温定位板；11-锚杆；12-支撑钢管；13-垂向钢筋网；14-水平钢筋网；15-临时注浆口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-4所示，一种高温地热井的井口地基加固处理方法，包括以下步骤：

步骤S1，井口地层稳定性评价：对高温地热井施工过程和井口周边30m范围内进行稳定性评价，确定是否需要进行井口地基加固处理。

实施例井口周边构造裂隙发育，聚集了大量的地下冷水，井口周边10m范围内存在持续冒气孔，试放喷过程中井口周围冷水被迅速加热至沸腾，严重影响该高温地热井的利用及人员设备安全，因此需要进行井口地基加固处理。

步骤S2，开挖和固化基坑：以井口为中心，开挖正方形基坑7，清理内部淤泥和碎石，夯实地基，导出涌水。

如图2所示，所述基坑7以井口为中心，以井口法兰1上平面为基准，规格尺寸采用6m×6m×1.5m，开挖过程未对表层套管2有任何损坏，清理内部淤泥和碎石，夯实地基，导出涌水。

步骤S3，防腐及隔热处理：选用耐高温防腐漆对所有结构部件进行防腐处理；与表层套管2同轴布设隔热管5，形成空气隔热层。

如图2和图4所示，选用有机硅耐高温防腐漆(300℃)对所述结构部件包括表层套管2、隔热管5、密封钢板9、锚杆11、支撑钢管12、垂向钢筋网13和水平钢筋网14进行表面喷涂防腐处理，涂覆率35μm；所述隔热管5采用δ10mm Q235B碳素结构钢制成，与所述表层套管2同轴布设，二者之间布设8个蛭石耐高温定位板10，所述隔热管5底部与所述表层套管2密封焊接并固定于所述水泥底座8，所述隔热套管5顶部与所述密封钢板9密封焊接，共同构成96mm厚隔热层。

步骤S4，焊接结构骨架：结构骨架包括锚杆11、支撑钢管12、垂向钢筋网13和上下双层水平钢筋网14，结构骨架所有交叉部位均采用焊接方式连接。

如图2和图4所示，所述锚杆11、垂向钢筋网13和上下双层水平钢筋网14均采用20mm热轧带肋钢筋。所述锚杆11沿隔热管5表面呈螺旋状布设12根，长度0.3m，外端下翻5cm；所述垂向钢筋网为0.6m×0.6m网度，所述上下双层水平钢筋网均为0.3m×0.3m网度，其下层距基底0.4m，上层距井口法兰1下缘0.5m；所述支撑钢管采用D60.3×4.5mm无缝钢管沿所述密封钢板9侧缘和井口均匀布设20根，两端焊接密封，所有交叉部位均采用焊接方式连接。

步骤S5，浇筑水泥底座8：使用混凝土浇筑水泥底座8，浇筑过程中要确保结构骨架牢固并处于正确位置；表面凿毛法处理，增强与上部水泥的咬合力。

如图2所示，所述水泥底座8采用C40强度混凝土浇筑，厚度0.2m，浇筑过程保持隔热管5、支撑钢管12、垂向钢筋网13稳固，无明显位移；浇筑时采用振动棒消除混凝土中的空隙和气泡，使水泥浆充分的进入基坑7基底和侧壁地层裂隙和土体中。

步骤S6，焊接密封钢板9：密封钢板9为以井口为中心的正方形热轧碳素结构钢，与井口法兰1下缘密封焊接，四角设置临时注浆口15；隔热管5、支撑钢管12、垂向钢筋网13均采用焊接形式与其连接固定。

如图2-图4所示，所述密封钢板9采用δ10mm的Q235B碳素结构钢，尺寸为5m×5m，与井口法兰1下缘密封焊接；所述支撑钢管12沿所述密封钢板9侧缘和井口均匀布设20根，其顶部与所述密封钢板9密封焊接固定，底部埋入所述水泥基座8，所述临时注浆口15直径为0.4m。

步骤S7，浇筑水泥台6:先在水泥底座8表面刷素水泥浆，通过临时注浆口15进行注入混凝土并震动夯实，确保密封钢板9下部无空隙；然后焊接密封临时注浆口15，而后在其上部浇筑水泥砂浆与井口法兰1齐平，由水泥台6中心向边缘形成不小于2％的坡度，防止水泥台积水。

如图1所示，浇筑水泥台时所述基坑7侧壁不加模具，注入混凝土过程中使用振动棒不间断振动夯实混凝土，排出气泡，将水泥砂浆更多的注入周围土体及地层裂隙之中，并与周围地层或土体胶结成整体，所述密封钢板9下部混凝土夯实填满夯实后，将临时注浆口15焊接密封。而后在所述密封钢板9上部浇筑水泥砂浆与井口法兰1齐平，由水泥台中心向边缘形成2％的坡度，养护水泥台直至完全固结。

在另一技术方案中，当基坑7底部淤泥较厚时，需对底部淤泥施加挤压应力，压力不的超过表层套管2屈服强度的75％，使淤泥中水充分排出，填筑大块砾石及粗砂层后使用水泥固化基底。

在另一技术方案中，所述耐高温定位板使用石棉垫圈。

在另一技术方案中，所述支撑钢管12可以使用加密垂向钢筋网13的方法替代。

在另一技术方案中，所述步骤S4和步骤S6组合施工，首先将所述密封钢板9一分为二，分别焊接所述支撑钢管12、垂向钢筋网13和上下双层水平钢筋网14，待焊接完成后吊装至基坑7内，然后将井口法兰1、隔热管5、密封钢板9、上下双层水平钢筋网14组合焊接在一起。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种高温地热井的井口地基加固处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)，井口地层稳定性评价：对高温地热井施工过程和井口周边30m范围内进行稳定性评价，确定是否需要进行井口地基加固处理；

步骤(2)，开挖和固化基坑：以井口为中心，开挖正方形基坑，清理内部淤泥和碎石，夯实地基，导出涌水；

步骤(3)，防腐及隔热处理：选用耐高温防腐漆对所有结构部件进行防腐处理；与表层套管同轴布设隔热管，形成空气隔热层；所述耐高温防腐漆耐温不低于井温的1.5倍，涂覆率不低于30μm；所述结构部件包括表层套管、隔热管、锚杆、支撑钢管、垂向钢筋网、水平钢筋网和密封钢板，其中隔热管采用不低于δ10mmQ235B碳素结构钢制成；锚杆、垂向钢筋网和水平钢筋网采用不低于HRB335φ15mm热轧带肋钢筋；支撑钢管采用不低于D60.3×3.5mm无缝钢管；密封钢采用不低于δ10mm的Q235B碳素结构钢；

步骤(4)，焊接结构骨架：结构骨架包括锚杆、支撑钢管、垂向钢筋网和上下双层水平钢筋网，结构骨架所有交叉部位均采用焊接方式连接；所述水平钢筋网采用0.3m×0.3m～0.5m×0.5m网度；所述垂向钢筋网采用0.3m×0.3m～0.6m×0.6m网度；所述支撑钢管两端焊接密封防止水汽进入，其顶部与所述密封钢板焊接连接，底部固定于水泥底座；所述锚杆沿隔热管表面呈螺旋状布设，长度不小于0.3m，外端下翻5cm；

步骤(5)，浇筑水泥底座：使用混凝土浇筑水泥底座，浇筑过程中要确保结构骨架牢固并处于正确位置；表面凿毛法处理，增强与上部水泥的咬合力；

步骤(6)，焊接密封钢板：密封钢板为以井口为中心的正方形热轧碳素结构钢，与井口法兰下缘密封焊接，四角设置临时注浆口；隔热管、支撑钢管、垂向钢筋网均采用焊接形式与其连接固定；

步骤(7)，浇筑水泥台：先在水泥底座表面刷素水泥浆，通过临时注浆口进行注入混凝土并震动夯实，确保密封钢板下部无空隙；然后焊接密封临时注浆口，而后在其上部浇筑水泥砂浆与井口法兰齐平，由水泥台中心向边缘形成不小于2％的坡度，防止水泥台积水。

2.根据权利要求1所述的一种高温地热井的井口地基加固处理方法，其特征在于：所述井口地层稳定性评价，其评价要素包括井口周边持续冒气或冒水；地层破碎，裂隙构造发育；地层较松散，工程地质条件较差；地热井上部地层含水性好，潜水位浅；施工过程中井口周边热显示发生改变；试放喷过程中井口周围冷水被明显加热甚至汽化，若存在上述情况中的一种或多种，则需要对井口地基加固处理。

3.根据权利要求1所述的一种高温地热井的井口地基加固处理方法，其特征在于：所述基坑大小以井口地层稳定性评价结果为确定依据，以隔绝冷水和降低热传导为目的，经验值基坑宽度以5m～8m为宜，深度以0.8m～2m为宜，当井口温度超过100℃，压力大于1Mpa时，基坑深度不小于1.5m。

4.根据权利要求1所述的一种高温地热井的井口地基加固处理方法，其特征在于：所述隔热管与表层套管同轴布设，二者之间布设若干热导率低的耐高温定位板，其耐温不低于井温的1.5倍，所述隔热管顶部与所述密封钢板焊接，底部与所述表层套管焊接并固定于所述水泥底座，在表层套管与隔热管之间形成空气隔热层，进一步降低热传导。

5.根据权利要求1所述的一种高温地热井的井口地基加固处理方法，其特征在于：所述水泥底座及所述水泥台均采用不低于P.O42.5强度水泥，混凝土强度不低于C35。

6.根据权利要求1所述的一种高温地热井的井口地基加固处理方法，其特征在于：浇筑所述水泥底座及所述水泥台时，所述基坑侧壁不加模具，将水泥砂浆更多的注入周围土体或底层裂隙之中，并与周围地层或土体胶结成整体，确保有效隔绝井口周围地层裂隙或土体中的冷水。