基于井下可视化成像的冻土区地热换热井井筒病害检测技术研究

【资料简介】

基于井下可视化成像的冻土区地热换热井井筒病害检测技术研究

摘要

冻土区地源热泵换热井、冻土监测钻孔，在地层冻胀融沉反复作用下，容易出现井壁坍塌、套管变形、缝隙渗漏、回填层脱空等隐蔽病害，直接影响换热效果与监测数据可靠性。传统钻探取样方式成本高、效率低。本文引入北京鸿鸥成运单目双目水下高清井下成像探测系统，论述侧挂近距测量方案；阐述冻土换热井不停井可视化检测作业流程；结合工程实例识别井筒各类冻融诱发病害；分析病害对换热井、监测孔的危害；提出井筒病害等级评价方法，为冻土区地热井运维、病害处置提供直观检测手段。

关键词：多年冻土；地热换热井；井下成像；钻孔电视；井筒病害；冻融破坏；井壁完整性检测

0 引言

冻土区地热换热井与监测钻孔，服役过程中持续承受地层冻胀‑融沉循环作用。地层冻结体积膨胀，对井套管产生挤压应力；土体融化之后，土体体积收缩，套管外围回填材料出现脱空空隙。长期往复作用，会造成套管变形、错断、井壁坍塌、孔口渗漏等病害。井筒出现病害之后，一方面换热井换热效率下降；另一方面监测钻孔会形成地下水流动通道，地表水顺着缝隙下渗，扰动原始冻土地温场，造成地温监测数据失真。

传统井筒质量检查依靠钻探取芯，成本高昂，效率低下，只能获取少量点位信息，无法全井段直观观察井筒完整状态。井下光学成像（钻孔电视）技术，可以不下放钻探工具，依靠高清摄像探头，完成全井段图像采集，直观识别套管、井壁病害。北京鸿鸥成运开发的单双目井下高清成像探测系统，适配冻土换热井、监测钻孔检测工况。本文针对冻土冻融诱发井筒病害开展可视化检测技术研究。

1 冻土环境井筒典型病害类型及危害

冻土区换热井、监测孔，区别于普通内地水井，病害主要由冻融循环应力造成，典型病害分为如下几类。

第一，套管挤压变形、错断。地层冻胀产生巨大侧向挤压力，造成套管凹陷、变形、接口错断。套管破损之后，地层不同层位地下水相互窜层，改变原始地层热状态，换热井换热能力下降。

第二，回填层脱空。土体融化收缩，套管外侧回填材料和井壁之间形成空隙，空气夹层导热系数极低，会严重干扰地温监测钻孔测温精度。

第三，井壁坍塌。裸孔段冻土融化，土体垮塌，造成钻孔缩径、埋孔，传感器探头被掩埋损坏。

第四，孔口与套管缝隙渗漏。地表融雪、雨水顺着套管外壁缝隙向下渗入钻孔，形成热通道，热量向下传导，造成钻孔周边冻土人为融化，监测数据失真。该病害在冻土监测孔中危害尤其突出。

上述病害大部分属于隐蔽性缺陷，依靠地面压力、流量数据很难发现，必须依靠井下可视化手段直接观察井筒内部。

2 检测系统设备组成

检测设备采用北京鸿鸥成运井下高清光学成像探测系统，整套设备由井下成像探头、铠装测井线缆、地面主控存储单元组成。探头支持单目、双目两种模式；具备耐压防水能力，适配150m以内换热井深度；自带补光照明模块，适应井筒内部全黑暗环境；侧挂近距测量结构，探头可以贴近井壁，获取清晰套管内壁图像。

设备不破坏井筒结构，不需要洗井、不需要大量注水，冻土换热井可以实现不停机检测。成像图像实时回传地面主机，同步存储视频与图片资料，后期可以回放分析井筒缺陷位置、缺陷规模。

3 冻土换热井标准化检测作业流程

3.1检测前期准备

收集换热井钻孔资料：钻孔深度、套管下入深度、孔径、地层冻土分布情况。井筒内部尽量保持清水状态，避免高浓度泥浆，泥浆会遮挡镜头，影响成像清晰度。如果井筒淤积严重，需要做简单洗井处理。

3.2探头下放采集

将成像探头平稳下放至井筒底部，之后匀速向上提升，连续采集全井段视频图像；遇到套管变形、缝隙、脱空等异常位置，降低提升速度，定点拍摄高清照片；利用深度编码器记录每一处病害对应的井下深度。

冻土井筒检测作业注意：探头下放提升速度不能过快；遇到缩径位置，严禁硬冲硬顶，防止探头卡钻。

3.3图像资料判读与病害分级

对井下视频图像开展判读，识别套管变形、开裂、脱空、坍塌、渗漏痕迹等病害。根据病害规模、危害程度，划分三级评价等级。

Ⅰ级轻微缺陷：微小缝隙，局部轻微脱空，不影响换热与监测，可以持续服役；

Ⅱ级中等缺陷：套管局部变形，脱空范围较大，需要重点持续监测；

Ⅲ级严重缺陷：套管错断、大面积坍塌、严重渗漏，必须开展修复处置。

3.4输出检测成果报告

报告包含井筒概况、作业过程说明、全井段病害深度位置、典型缺陷截图、病害等级评价、处置建议，形成完整井筒检测档案。

4 工程案例分析

某冻土区地源热泵示范换热井，运行2个供暖周期之后，发现换热效率明显下降。采用鸿鸥成运井下成像系统开展全井段检测。检测发现：井下42‑48m位置套管受冻胀挤压发生局部凹陷变形；套管外侧回填层出现大范围脱空；孔口位置套管外壁存在缝隙，地表融雪水持续下渗。

病害分析：冻融循环反复挤压造成套管变形；回填土体融化收缩产生脱空；地表水入渗进一步扰动周边冻土，加剧换热井工况恶化。根据检测结果提出处置方案：对孔口缝隙做封堵防渗处理；对脱空段进行注浆回填，恢复井筒完整性。完成处置之后，换热井运行性能得到恢复。

本案例证明，井下可视化成像技术，能够快速定位冻土冻融造成隐蔽井筒损伤，为维修处置提供直接依据。

5 冻土井筒检测工程建议

1、冻土区地热换热井、长期地温监测钻孔，建议投运2个冻融周期后开展一次井下成像完整性检测，排查冻融诱发隐蔽病害。

2、检测前尽量清理井筒内部泥浆淤积，保障成像清晰度；冻土井筒严禁大水量洗井，避免大量水注入融化周边冻土。

3、重点关注孔口段、冻土‑非冻土交界面位置，这些位置是冻胀应力集中区域，病害高发。

4、对于监测钻孔，一旦成像发现孔口渗漏、回填脱空病害，必须及时处置，否则地温监测数据失去工程参考价值。

6 结论

（1）冻土区地热换热井、监测钻孔，在地层冻胀融沉循环作用下，容易产生套管变形、回填脱空、井壁坍塌、孔口渗漏等隐蔽病害，严重影响换热性能和地温监测可靠性。

（2）北京鸿鸥成运井下高清光学成像探测系统，可实现井筒不停井可视化检测，直观识别冻融相关缺陷，获取缺陷深度、形态图像资料，检测效率优于传统取芯手段。

（3）基于井下成像结果可以开展井筒病害分级评价，指导维修处置，为冻土区地热井运维提供直观检测技术手段。

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地热管理系统（geothermal management system）是为实现地热资源的可持续开发而建立的管理系统。

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1.0-1000米单点温度检测（普通表和存储表）／0-3000米单点温度检测（普通显示，只能显示温度，没有存储分析软件功能）

2.0-1000米浅层地温能监测（采集器采用低功耗、携带方便；物联网NB无线传输至WEB端B/S架构网络；单总线结构，可扩展256个点；进口18B20高精度传感器，在10-85度范围内，精度在0.1-0.2度）

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5.0-7000米全景型耐高温测温成像一体井下电视（同时监测温度和视频图片等）

6. 微功耗采集系统／遥控终端机——地热资源监测系统浅层／地热管理系统（可在换热站同时监测温度／流量／水位／泵内温度／压力／能耗等多参数内容，可实现物联网远程监控，24小时无人值守）

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