热岩钻探和相关关键技术研究论文

　　干热岩资源是一种储量巨大、无污染、可再生的清洁能源，初步估算中国埋深3~10 km范围内的干热岩资源量相当于860万亿t标准煤，按2%的可开采资源量计算，相当于中国目前能源消耗总量的5200倍[1],实现干热岩资源开发利用可有效改善中国能源结构，促进经济发展。世界上很多国家都在开展干热岩资源研究工作，部分国家已经建立增强型地热系统（EGS），实现了干热岩资源的开发利用[2].中国地热资源利用历史悠久，1975年西藏羊八井钻成中国第一口湿蒸汽井，同时建立了中国大陆上第一台兆瓦级地热发电机组，进入了工业性发电阶段，开创了世界中温浅层热储资源发电的先列。目前中国已经将干热岩资源开发利用提上日程，国土资源部、中国地质调查局也将其列为重点发展方向，然而中国的干热岩资源开发利用工作尚属起步阶段，相关理论、技术、方法略显不足。

　　国际上普遍采用建立EGS的方法开采干热岩资源，即采用钻井的方法钻一口井作为注水井，钻一口或多口井作为生产井，采用水力压裂技术压通生产井和注入井形成循环系统，从注水井注入冷水，利用生产井开采蒸汽用于发电[3,4].

　　可见，如何钻开储层形成EGS系统是干热岩资源开发的关键。与石油和浅层地热钻探不同，干热岩地层上部通常为沉积岩盖层，下部储层为火山岩，地层温度高（通常高于200℃）、岩性复杂、可钻性差，钻探、压裂难度极大。中国在干热岩钻探和水力压裂方面经验不足，开展干热岩钻探和相关关键技术研究对推动中国干热岩资源开发利用具有重要意义。

1 高温钻井液技术

　　干热岩地层特点是埋藏深，温度为150~650℃。在开发干热岩过程中，钻井液起着至关重要的作用，井内钻井液将长期处于高温环境。恶劣环境对钻井液性能造成极其严重的破坏，直接影响孔壁稳定、携岩能力、施工安全及施工成本等；干热岩钻井过程中还可能遇到大量低压力地层，钻井液漏失严重。因此如何保证高温环境下钻井液性能的稳定是干热岩钻探必需解决的问题，也是国内外钻井液技术研究的热点和重点。

　　1.1 高温钻井液关键问题

　　1）抗高温问题。高温作用下，钻井液的黏土颗粒（膨润土）分散度增强，温度越高，分散性越强，从而引起钻井液增稠，流动性较差，高温高压（HTHP）失水量增加。高温一方面会使有机处理剂分子链发生断裂，降低高分子处理剂的相对分子质量，使其失去原有的特性，同时降低处理剂的亲水性，减弱其抗污染能力，可能会导致泥浆性能恶化；另一方面会使处理剂分子中不饱和键和活性基团之间发生各种反应，发生高温交联，使得整个泥浆体系变成凝胶，失去流动性[5].

　　2）低压地层井壁稳定。干热岩体钻遇变质岩或结晶岩，会有大量破碎地层，易发生坍塌、掉块等孔壁不稳定现象。

　　3）堵漏问题。钻井液漏失问题在国外干热岩钻探施工中比较常见，国内针对高温堵漏材料的研究较少。

　　目前国内研究的高温钻井液抗温性能不超过250℃，对抗高温的处理剂及体系研究还很少，干热岩预计孔底温度会达150~650℃，面临着超高温问题，有待开展耐高温钻井液技术研究，主要有以下几个方面：

　　1）高温处理剂的研制，包括抗高温降滤失剂、高温增黏剂、高温润滑剂、高温堵漏剂及高温保护剂；

　　2）高温钻井液体系的研究，包括高温高密度钻井液体系、高温泡沫钻井液体系、高温油基钻井液体系等；

　　3）高温检测仪器的研究，包括高温高压流变仪、高温高压失水仪、高温高压页岩膨胀量测定仪、高温堵漏仪、高温润滑仪等；

　　4）高温钻井液地表冷却系统研究，例如冷却塔、冷冻房等。

　　1.2 干热岩耐高温钻井液体系室内研究

　　通过室内实验在优选大量的高温造浆材料及高温处理剂的.基础上，重点针对抗高温钻井液体系--高温保护剂进行研究，形成了由抗高温复合造浆材料、高温降滤失剂、高温增黏剂、高温保护剂等组成的抗260℃高温的钻井液配方（质量分数）：3% 钠基膨润土+2% 抗盐黏土+4% 磺化褐煤+4%磺化褐煤树脂+4% 高温降失水剂1型+4% 高温降失水剂2型+1.5% 高温降黏剂+1% 高温增黏剂+1% 高温保护剂，性能如表1所示。【1】

　　由实验结果（表 1）可以看出，该耐高温钻井液体系抗260℃高温，流变性能好，可以满足钻井液长时间高温循环的要求。

2 高温井下钻具

　　干热岩地层通常为火山岩，温度通常高于200℃，地层岩石研磨性强、可钻性差，对井下钻具的耐温能力、工作性能要求较高。

　　2.1 耐高温涡轮钻具

　　井下动力钻具是提高钻井效率的重要工具之一，目前最常用的井下动力钻具有涡轮钻具、螺杆钻具、液动冲击器等。螺杆钻具耐温能力通常不高于150℃，高温螺杆钻具耐温能力通常不高于180℃，且在高温环境下螺杆钻具表现出性能不稳定、工作寿命短等问题。液动冲击器可以有效提高钻速，然而现有的液动冲击器工作寿命普遍较短，且受钻井液性能和固相含量影响较大。

　　涡轮钻具具有耐高温、转速高、工作寿命长等优点，适合火山岩地层钻进[6].国外干热岩高温钻探通常采用高温涡轮钻具配合金刚石钻头进行复合钻进，钻探效率明显提高[7].

　　北京探矿工程研究所研制了Φ127规格涡轮钻具，涡轮节采用独立悬挂结构，涡轮叶片为不锈钢精密铸造（图1），可以有效提高涡轮叶片寿命和水力效率；采用独立轴承节结构，轴承为金刚石止推轴承（图2）；整套钻具采用全金属结构，无橡胶元件，钻具耐温性能大幅提高。该规格涡轮钻具外径为127 mm,匹配井径为152 mm,工作转速为1000~1400 r/min,工作压降为7.5~10.0 MPa,制动扭矩为1300~1740 N·m,工作排量为14~16 L/s.

　　2.2 钻头优选及设计

　　1）钻头选型技术。钻头选型技术目前已广泛应用于石油钻井过程中，目前常用的钻头选型方法是通过声波测井曲线预测地层的岩性特征和可钻性，通过对国内各区块钻头使用情况的调研，建立钻头参数数据库，从而进行地层与钻头的匹配和选型。应用计算机软件建立地层岩性预测模型和钻头数据库系统，应用该系统可以对地层岩石的岩性和可钻性进行预测，从而进行钻头优选[8,9].

　　2）金刚石钻头。目前在火山岩地层钻进过程中通常采用高速牙轮钻头或金刚石钻头钻进。牙轮钻头具有低转速、可承受高钻压的特点，可适应软到坚硬等各种地层。但牙轮钻头钻头牙掌与钻头主体间采用轴承连接，在高温、高钻压情况下，其轴承寿命相对较短。金刚石钻头具有耐高温、高转速的特点，其中孕镶金刚石钻头适合在高温硬岩环境中使用，配合井下动力钻具进行复合钻进可大幅提高钻探效率[6].为解决硬岩钻进难的问题，史密斯公司研制了一种GHI热压镶嵌齿，将该GHI齿二次镶焊于胎体中，形成超高工作层、多种切削机理的Kinetic孕镶金刚石钻头（图3）。该类钻头在刀翼上镶嵌了特殊工艺材料的热压镶嵌齿，这种凸起在孕镶钻头胎体外部的GHI热压镶嵌齿较PDC更加坚硬耐磨，钻进过程中，由于其降低了钻头表面与岩石的接触面积，增加了单颗金刚石的工作压力，故在硬岩钻进中，金刚石产生新陈代谢加快，提高了钻头的钻进效率。该钻头配备涡轮钻具更能体现出在硬岩钻进中的优势。

　　3）个性化钻头设计。个性化钻头设计是指针对地层岩性及可钻性特点对钻头进行优化设计，从而达到提高机械钻速和钻头寿命的目的。对于金刚石而言，在个性化设计时金刚石的粒度设计应重点考虑岩层的完整度、硬度、钻进参数、金刚石参数等因素[11],钻头结构设计应重点考虑地层结构、岩性、压力、钻头稳定性等因素，根据地层岩性及钻进工况合理设计钻头胎体硬度和强度，针对地层研磨性合理设计钻头保径形式及长度等。此外，在钻头设计过程中还应考虑复合钻进条件下工作转速、钻压、压降等钻进参数的要求。

　　北京探矿工程研究所根据干热岩地层特点研制了高温硬岩金刚石钻头，采用双圆弧冠部曲线设计，热压镶嵌天然金刚石和孕镶金刚石，具有长方体聚晶及复合片保径，该钻头具有寿命长、钻探效率高的特点（图4）。