熱巖鉆探和相關關鍵技術研究論文
干熱巖資源是一種儲量巨大、無污染、可再生的清潔能源，初步估算中國埋深3~10 km范圍內的干熱巖資源量相當于860萬億t標準煤，按2%的可開采資源量計算，相當于中國目前能源消耗總量的5200倍[1],實現干熱巖資源開發(fā)利用可有效改善中國能源結構，促進經濟發(fā)展。世界上很多國家都在開展干熱巖資源研究工作，部分國家已經建立增強型地熱系統(tǒng)（EGS），實現了干熱巖資源的開發(fā)利用[2].中國地熱資源利用歷史悠久，1975年西藏羊八井鉆成中國第一口濕蒸汽井，同時建立了中國大陸上第一臺兆瓦級地熱發(fā)電機組，進入了工業(yè)性發(fā)電階段，開創(chuàng)了世界中溫淺層熱儲資源發(fā)電的先列。目前中國已經將干熱巖資源開發(fā)利用提上日程，國土資源部、中國地質調查局也將其列為重點發(fā)展方向，然而中國的干熱巖資源開發(fā)利用工作尚屬起步階段，相關理論、技術、方法略顯不足。
國際上普遍采用建立EGS的方法開采干熱巖資源，即采用鉆井的方法鉆一口井作為注水井，鉆一口或多口井作為生產井，采用水力壓裂技術壓通生產井和注入井形成循環(huán)系統(tǒng)，從注水井注入冷水，利用生產井開采蒸汽用于發(fā)電[3,4].
可見，如何鉆開儲層形成EGS系統(tǒng)是干熱巖資源開發(fā)的關鍵。與石油和淺層地熱鉆探不同，干熱巖地層上部通常為沉積巖蓋層，下部儲層為火山巖，地層溫度高（通常高于200℃）、巖性復雜、可鉆性差，鉆探、壓裂難度極大。中國在干熱巖鉆探和水力壓裂方面經驗不足，開展干熱巖鉆探和相關關鍵技術研究對推動中國干熱巖資源開發(fā)利用具有重要意義。
1 高溫鉆井液技術
干熱巖地層特點是埋藏深，溫度為150~650℃。在開發(fā)干熱巖過程中，鉆井液起著至關重要的作用，井內鉆井液將長期處于高溫環(huán)境。惡劣環(huán)境對鉆井液性能造成極其嚴重的破壞，直接影響孔壁穩(wěn)定、攜巖能力、施工安全及施工成本等；干熱巖鉆井過程中還可能遇到大量低壓力地層，鉆井液漏失嚴重。因此如何保證高溫環(huán)境下鉆井液性能的穩(wěn)定是干熱巖鉆探必需解決的問題，也是國內外鉆井液技術研究的熱點和重點。
1.1 高溫鉆井液關鍵問題
1）抗高溫問題。高溫作用下，鉆井液的黏土顆粒（膨潤土）分散度增強，溫度越高，分散性越強，從而引起鉆井液增稠，流動性較差，高溫高壓（HTHP）失水量增加。高溫一方面會使有機處理劑分子鏈發(fā)生斷裂，降低高分子處理劑的相對分子質量，使其失去原有的特性，同時降低處理劑的親水性，減弱其抗污染能力，可能會導致泥漿性能惡化；另一方面會使處理劑分子中不飽和鍵和活性基團之間發(fā)生各種反應，發(fā)生高溫交聯，使得整個泥漿體系變成凝膠，失去流動性[5].
2）低壓地層井壁穩(wěn)定。干熱巖體鉆遇變質巖或結晶巖，會有大量破碎地層，易發(fā)生坍塌、掉塊等孔壁不穩(wěn)定現象。
3）堵漏問題。鉆井液漏失問題在國外干熱巖鉆探施工中比較常見，國內針對高溫堵漏材料的研究較少。
目前國內研究的高溫鉆井液抗溫性能不超過250℃，對抗高溫的處理劑及體系研究還很少，干熱巖預計孔底溫度會達150~650℃，面臨著超高溫問題，有待開展耐高溫鉆井液技術研究，主要有以下幾個方面：
1）高溫處理劑的研制，包括抗高溫降濾失劑、高溫增黏劑、高溫潤滑劑、高溫堵漏劑及高溫保護劑；
2）高溫鉆井液體系的研究，包括高溫高密度鉆井液體系、高溫泡沫鉆井液體系、高溫油基鉆井液體系等；
3）高溫檢測儀器的研究，包括高溫高壓流變儀、高溫高壓失水儀、高溫高壓頁巖膨脹量測定儀、高溫堵漏儀、高溫潤滑儀等；
4）高溫鉆井液地表冷卻系統(tǒng)研究，例如冷卻塔、冷凍房等。
1.2 干熱巖耐高溫鉆井液體系室內研究
通過室內實驗在優(yōu)選大量的高溫造漿材料及高溫處理劑的基礎上，重點針對抗高溫鉆井液體系--高溫保護劑進行研究，形成了由抗高溫復合造漿材料、高溫降濾失劑、高溫增黏劑、高溫保護劑等組成的抗260℃高溫的鉆井液配方（質量分數）：3% 鈉基膨潤土+2% 抗鹽黏土+4% 磺化褐煤+4%磺化褐煤樹脂+4% 高溫降失水劑1型+4% 高溫降失水劑2型+1.5% 高溫降黏劑+1% 高溫增黏劑+1% 高溫保護劑，性能如表1所示。【1】
由實驗結果（表 1）可以看出，該耐高溫鉆井液體系抗260℃高溫，流變性能好，可以滿足鉆井液長時間高溫循環(huán)的要求。
2 高溫井下鉆具
干熱巖地層通常為火山巖，溫度通常高于200℃，地層巖石研磨性強、可鉆性差，對井下鉆具的耐溫能力、工作性能要求較高。
2.1 耐高溫渦輪鉆具
井下動力鉆具是提高鉆井效率的重要工具之一，目前最常用的井下動力鉆具有渦輪鉆具、螺桿鉆具、液動沖擊器等。螺桿鉆具耐溫能力通常不高于150℃，高溫螺桿鉆具耐溫能力通常不高于180℃，且在高溫環(huán)境下螺桿鉆具表現出性能不穩(wěn)定、工作壽命短等問題。液動沖擊器可以有效提高鉆速，然而現有的液動沖擊器工作壽命普遍較短，且受鉆井液性能和固相含量影響較大。
渦輪鉆具具有耐高溫、轉速高、工作壽命長等優(yōu)點，適合火山巖地層鉆進[6].國外干熱巖高溫鉆探通常采用高溫渦輪鉆具配合金剛石鉆頭進行復合鉆進，鉆探效率明顯提高[7].
北京探礦工程研究所研制了Φ127規(guī)格渦輪鉆具，渦輪節(jié)采用獨立懸掛結構，渦輪葉片為不銹鋼精密鑄造（圖1），可以有效提高渦輪葉片壽命和水力效率；采用獨立軸承節(jié)結構，軸承為金剛石止推軸承（圖2）；整套鉆具采用全金屬結構，無橡膠元件，鉆具耐溫性能大幅提高。該規(guī)格渦輪鉆具外徑為127 mm,匹配井徑為152 mm,工作轉速為1000~1400 r/min,工作壓降為7.5~10.0 MPa,制動扭矩為1300~1740 N·m,工作排量為14~16 L/s.
2.2 鉆頭優(yōu)選及設計
1）鉆頭選型技術。鉆頭選型技術目前已廣泛應用于石油鉆井過程中，目前常用的鉆頭選型方法是通過聲波測井曲線預測地層的`巖性特征和可鉆性，通過對國內各區(qū)塊鉆頭使用情況的調研，建立鉆頭參數數據庫，從而進行地層與鉆頭的匹配和選型。應用計算機軟件建立地層巖性預測模型和鉆頭數據庫系統(tǒng)，應用該系統(tǒng)可以對地層巖石的巖性和可鉆性進行預測，從而進行鉆頭優(yōu)選[8,9].
2）金剛石鉆頭。目前在火山巖地層鉆進過程中通常采用高速牙輪鉆頭或金剛石鉆頭鉆進。牙輪鉆頭具有低轉速、可承受高鉆壓的特點，可適應軟到堅硬等各種地層。但牙輪鉆頭鉆頭牙掌與鉆頭主體間采用軸承連接，在高溫、高鉆壓情況下，其軸承壽命相對較短。金剛石鉆頭具有耐高溫、高轉速的特點，其中孕鑲金剛石鉆頭適合在高溫硬巖環(huán)境中使用，配合井下動力鉆具進行復合鉆進可大幅提高鉆探效率[6].為解決硬巖鉆進難的問題，史密斯公司研制了一種GHI熱壓鑲嵌齒，將該GHI齒二次鑲焊于胎體中，形成超高工作層、多種切削機理的Kinetic孕鑲金剛石鉆頭（圖3）。該類鉆頭在刀翼上鑲嵌了特殊工藝材料的熱壓鑲嵌齒，這種凸起在孕鑲鉆頭胎體外部的GHI熱壓鑲嵌齒較PDC更加堅硬耐磨，鉆進過程中，由于其降低了鉆頭表面與巖石的接觸面積，增加了單顆金剛石的工作壓力，故在硬巖鉆進中，金剛石產生新陳代謝加快，提高了鉆頭的鉆進效率。該鉆頭配備渦輪鉆具更能體現出在硬巖鉆進中的優(yōu)勢。
3）個性化鉆頭設計。個性化鉆頭設計是指針對地層巖性及可鉆性特點對鉆頭進行優(yōu)化設計，從而達到提高機械鉆速和鉆頭壽命的目的。對于金剛石而言，在個性化設計時金剛石的粒度設計應重點考慮巖層的完整度、硬度、鉆進參數、金剛石參數等因素[11],鉆頭結構設計應重點考慮地層結構、巖性、壓力、鉆頭穩(wěn)定性等因素，根據地層巖性及鉆進工況合理設計鉆頭胎體硬度和強度，針對地層研磨性合理設計鉆頭保徑形式及長度等。此外，在鉆頭設計過程中還應考慮復合鉆進條件下工作轉速、鉆壓、壓降等鉆進參數的要求。
北京探礦工程研究所根據干熱巖地層特點研制了高溫硬巖金剛石鉆頭，采用雙圓弧冠部曲線設計，熱壓鑲嵌天然金剛石和孕鑲金剛石，具有長方體聚晶及復合片保徑，該鉆頭具有壽命長、鉆探效率高的特點（圖4）。
3 高溫井控技術
3.1 干熱巖鉆探井噴發(fā)生機理
在干熱巖鉆探過程中，地層孔隙壓力通常低于環(huán)空液柱壓力，容易引發(fā)井噴。井噴原因主要有以下兩種[7]:一是在鉆井液上返過程中，壓力降低導致鉆井液瞬間汽化，汽化后鉆井液液柱壓力進一步降低，進而引發(fā)更深層次的鉆井液汽化和壓力下降，從而引發(fā)井噴；二是鉆井液大量漏失導致環(huán)空壓力瞬間下降，引發(fā)井噴。在發(fā)生井涌時必須迅速采取井控措施，一旦失去控制，大量流體瞬間涌入井筒將會引發(fā)井噴，大量的高溫鉆井液、地層流體和高溫氣體（有時含有有毒氣體）噴出，輕則造成一定的經濟損失，重則導致設備損壞、環(huán)境污染乃至人員傷亡。在美國的內華達州、夏威夷的干熱巖鉆探施工過程中均發(fā)生過重大井噴事故[12].
3.2 干熱巖鉆探井控技術研究
國外干熱巖鉆探井控設備通常選用閘板防噴器，部分選用了安全高效的旋轉防噴器。中國干熱巖鉆探工作處于起步階段，旋轉防噴器在中國干熱巖鉆探施工過程中沒有應用，一般選用閘板防噴器作為井控設備，部分鉆井施工現場甚至沒有配備井控設備。主要原因有：旋轉防噴器價格昂貴；現有旋轉防噴器主要針對石油鉆井，規(guī)格尺寸大，無法滿足干熱巖鉆探需要；國內干熱巖鉆探通常選用水文水井鉆機，工作轉速通常高于200 r/min,而現有旋轉防噴器最大工作轉速不高于200 r/min.對比分析可以發(fā)現，國內相關技術及設備明顯落后，且對井控重要性認識明顯不足。
3.3 高溫高速旋轉防噴器研制
中國目前實施的干熱巖鉆探井均采用水井鉆機，其特點是鉆進轉速高、機臺結構緊湊、平臺高度較低，而現有的旋轉防噴器的特點是尺寸高、重量大、成本高，不適合現場應用。
北京探礦工程研究所針對中國干熱巖鉆探特點研制了一套結構簡單、轉速高、尺寸小、成本低、耐溫能力高的旋轉防噴器（圖5）。該旋轉防噴器配備液壓控制系統(tǒng)，可實現遠程控制，操作簡單方便，適合中國干熱巖鉆探現場使用。此外，防噴器的底法蘭和側出口法蘭均采用API標準，通用性強，可應用于煤層氣、頁巖氣等淺井鉆探。
4 火山巖地層壓裂技術
干熱巖地層上部為沉積巖蓋層，下部為火山巖儲層，采用水力壓裂技術壓開儲層實現注入井與生產井之間的聯通是建立EGS系統(tǒng)的一個關鍵環(huán)節(jié)。石油、頁巖氣、煤層氣等地層通常為沉積巖地層，而干熱巖儲層為火山巖，地層巖石具有較高的力學強度和非均質性。普通沉積巖地層楊氏模量一般為 20000~30000 MPa,火山巖地層楊氏模量一般為47000~80000 MPa,楊氏模量越高裂縫寬度越窄，施工難度越大[13].在干熱巖壓裂過程中需要較高的壓力和排量，對地面設備、井下工具、壓裂工藝都有更高的要求。
4.1 壓裂液
中國壓裂技術主要應用在石油天然氣開發(fā)領域，實施壓裂的地層通常為含油含氣沉積巖地層，而在火山巖地層水力壓裂技術方面基本空白。國內致密油氣藏主要為砂巖、灰?guī)r，天然裂縫發(fā)育，大部分儲層溫度低于120℃，所用高溫壓裂液抗溫集中在 130~140℃，而且壓裂時間較短，為 2.5~3.0 h.目前，尚無針對干熱巖壓裂的高溫壓裂液研究。針對干熱巖地層的特點，北京探礦工程研究所研制了一種耐150℃高溫壓裂液體系，配方為（質量分數）：0.65% GHPG羥丙基瓜爾膠+0.7% GJP-10抗高溫交聯劑+ 0.4% GKW-1 pH值調節(jié)劑+0.3% GZP-2 助排劑+0.1% GSJ-2 殺菌劑+0.1%GHTS高溫穩(wěn)定劑。該耐高溫壓裂液具有良好的耐高溫剪切性，在 150℃及 170 s- 1剪切速率下剪切 2 h 后表觀黏度為184.9 mPa·s,遠大于50 mPa·s.在150℃下加入0.2%膠囊破膠劑GSN-04,凍膠能在1 h內徹底破膠，破膠液外觀清澈透明，破膠液黏度小于5 mPa·s,破膠后殘渣含量為577 mg/L,破膠液表面張力為23.3 mN/m.
4.2 支撐劑優(yōu)選原則
常用的支撐劑主要有石英砂、陶粒砂及樹脂包覆的復合顆粒等。石英砂具有成本低及易于泵送等特點，被大量使用，但其強度低、球度差，而且降低裂縫導流能力，不適用于閉合壓力高的深井。樹脂包覆石英砂的復合顆粒，球度有改善，耐腐蝕性比較強，導流能力也較好，但產品保持期短，造價過高。陶粒具有球度好、耐腐蝕、耐高溫高壓的特點，同時成本可得到較好控制，因此越來越廣泛地被油氣田采用。干熱巖地層堅硬致密，破裂壓力高，因此，在實施該類地層壓裂時應選擇低密度高強度陶粒支撐劑（如耐86、103 MPa），可明顯減少壓裂液用量，降低壓裂設備損耗，并有利于支撐劑在裂縫中運移，制造更長的裂縫。此外，受干熱巖地層巖石強度的影響，壓裂過程中裂縫寬度普遍低于沉積巖地層，因此宜選用粒度較小的支撐劑產品[14].
4.3 壓裂工具
美國在干熱巖鉆探過程中進行了大量的壓裂實驗，實驗過程中發(fā)現火山巖地層壓裂所需壓力、排量遠大于沉積巖地層壓裂，并且在壓裂過程中常出現封隔器無法順利坐封、封隔器損壞等問題[15],因此針對高溫干熱巖特點研制耐高溫封隔器可有效提高干熱巖壓裂的成功概率。
5 分布式測溫技術
干熱巖鉆探的關鍵問題在于井下溫度過高，溫度給鉆井液、井下工具等帶來重要影響。此外，一旦建成EGS系統(tǒng)后，實施儲層、生產井溫度監(jiān)測對干熱巖儲層評價、產能預測有重要作用。
目前常用的測溫系統(tǒng)通常為點式測溫儀器，每次只能測量一個或幾個點的溫度。目前國內外學者都提出了分布式測溫系統(tǒng)[16~18].其原理是：光纖溫度傳感的主要依據是光纖的光時域反射原理及光纖后向拉曼散射的溫度效應。當光脈沖從光纖的一端注入并沿著光纖向前傳輸時，由于拉曼效應，會產生后向散射，后向散射光的光強與散射點的溫度有一定的關系。散射點的溫度（光纖所處的環(huán)境溫度）越高，后向散射光的光強越大，后向散射光的光強可以反映出散射點的溫度。利用這個現象，測量出后向散射光的光強，就可以計算出散射點的溫度[19,20].圖6為分布式測溫系統(tǒng)結構。
應用分布式光纖測溫系統(tǒng)，可以在短時間內獲得整個井筒縱向溫度場分布情況。分布式光纖溫度傳感器利用光纖作為溫度信息的傳感和傳輸介質，可以在很短的時間內測量光纖沿線的所有溫度分布情況，這是分布式光纖溫度傳感器相對于其他溫度傳感器的顯著優(yōu)點。
應用分布式測溫系統(tǒng)快速測量和掌握整個井筒的溫度分布，在鉆探過程中可以為鉆探施工提供參考和指導，在干熱巖示范工程開采過程中可以實現對整個井筒溫度變化進行監(jiān)測，從而預測產能，為干熱巖資源開發(fā)研究提供指導。
6 結論
1）介紹了干熱巖鉆探關鍵技術及研究進展，部分研究成果仍處于理論研究階段，建議實施干熱巖示范工程，結合示范工程開展相關技術的現場應用研究。
2）中國在高溫鉆井液儀器、高溫井測溫儀器方面還存在不足，建議進一步加強相關儀器、設備的研發(fā)工作。
3）井控是高溫干熱巖鉆探重要工作之一，建議在旋轉防噴器的基礎上進一步研究高溫干熱巖鉆探井控系統(tǒng)，形成高溫干熱巖鉆探井控體系。
4）國內渦輪鉆具應用較少，相關經驗不足，建議針對火山巖地層特點進一步開展高速渦輪鉆具配合金剛石鉆頭鉆進工藝及現場實驗研究，提高深部火山巖地層鉆進速度。
5）火山巖地層壓裂技術難度大，建議進一步開展火山巖地層壓裂技術及現場實驗研究，掌握火山巖壓裂工藝，為建立干熱巖EGS工程提供技術保障。
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