2.4　地热井的设计

地热井的设计包括：确定井深，确定套管直径、材料、厚度及长度，以及泵的安放位置。一旦这些因素确定，其他参数如井孔直径、完井方法、钻进程序和方法也就可以确定。井的初步设计必须为编写说明书和招标报价做好准备。为慎重起见，一般在初步设计之前，先请有资格的地质学家全盘审阅附近已有地热井的测井记录和发表的地质资料，并解释岩屑和测井记录。

钻井深度通常取决于地热利用所要求的流量或温度，或两者兼有。控制因素是含水层的深度、含水层厚度、含水层渗透率和需要的流量。前三项可从邻近井的资料加以估计，但在断层和裂隙区，邻近井同深度的地热含水层和流量就可能不同。一旦穿透整个含水层，中低温地热井的水温随着深度的增加有时反而变冷。

对于非自流地热井，最终的下泵位置由井的试验确定。这些试验数据将提供不同泵抽流量时的水位。如果试验比较完善，还可用这些数据来估算长期抽水的降深。对于供暖或工业利用的深井或高产井，除非已掌握热储的情况，一般都需要有一个好的试验程序。如果这一地区为已知的地热区，那么除非无法从邻近井获得下泵的位置，一般供暖并就不需要进行这些费钱的试验。还应考虑到由于结垢和后期需要增加流量所引起的水位下降。

将合适的套管下到适当的深度是钻探中的一个十分重要的因素。每一眼井常有四组套管（套管采用J55—API高质钢或其他合适的材料），当热流体腐蚀性很强时，还需要有耐酸钢管。每一组套管的下入深度根据钻探揭露的地层决定。第一组是表层套管（或称护口井管）；第二组叫技术套管（或称中间套管）；第三组是生产套管；第四组一般叫尾管（或叫过滤器），即长缝或带眼的花管。

地热井孔可分为普查（井）孔、探采结合井（孔）和回灌井（孔）三种，其结构根据工作目的、岩层和热储层的结构以及使用的钻探设备、现有器材等条件而不同，一般探采结合井（孔）和回灌井（孔）较多，其口径要求比普查井孔大。

探采结合井孔的一般结构如图2-6所示。如上所述，井孔自上而下可分为表层套管（或称护口井管）、技术套管（中间套管）、生产套管和尾管（过滤器）等几部分。表层套管用来防止井的坍塌，一般多用直径为374～508mm（14.75～20in）的钢管，管深10～30m；技术套管用来封闭井孔上部一切渗漏、易坍塌或其他一切不利于开采的岩层，管径多用324～374mm（12.75～14.75in）钢管，深度100～800m。表层套管和技术套管的管外间隙都用水泥固井。如井孔上部岩层比较稳定或地热井深度不大（1500m以内），一般省去技术套管。生产套管为开采热水或蒸汽的井管，管径多采用194～324mm（7.625～12.75in）的钢管，深度可达2000m以上。钢管外壁与孔壁的间隙也用水泥浆固井。尾管过滤器是用来过滤热水开采时可能带有的泥砂和岩石颗粒。对于不同的岩层，过滤器的要求也不同。对松散岩层或易坍塌基岩，安装的过滤器视颗粒粗细有不同结构，颗粒较粗的可用不缠丝的条孔或圆孔管，颗粒细的应采用特别的笼状砾石过滤器或贴砾过滤器。在坚固的基岩层中，如石灰岩的溶洞或裂隙等，采水时可不用过滤器。如出水量较小，可用注酸法扩大含水层溶洞裂隙。如热流体中含有pH值很低的腐蚀性气体（如H2S、H2SO4等），则过滤器要用不锈钢材，井管内外壁要有防腐保护层，固井也要用耐酸水泥。如热流体含有很多结垢物质，则在设计时应根据过滤器的规格确定在井中不产生结垢的流速，并考虑到结垢后的对策。

回灌井的用途是将利用后的地热水注还地下，既保护地热资源又保护环境。回灌井的护口管与探采孔基本相同。上层封闭套管用来封闭井孔上部一切渗漏、易坍塌或其他松散层。注水用的渗漏层、含水层等尽量采用裸眼，不要过滤器。

地热井的套管材料、不同管径的最小厚度、不同管径的最大深度，不同国家和不同地区都有各自的规定。中低温地热井可以采用的套管材料包括热塑、塑料、玻璃纤维和钢材。钢材使用最普遍。

地热井用钢套管的材质要按一定标准制造，不能随意选取。套管可以用螺纹连接，或用带斜坡的管端插入后焊接。多数中低温地热井的套管采用焊接，这是最普遍的方法。钢套管在水位线以上的部位，由于水蒸气与空气混合，腐蚀会严重些，因此，要使套管顶部密封处以及所有空气入口和测量仪表接口的空气渗入量和腐蚀程度降到最小。增加套管的壁厚可以延长井的寿命，但由于地热水温度和水化学性质的变化范围太宽，因此至今还没有一个好的计算管壁增厚的标准办法。