熱巖鑽探和相關關鍵技術研究論文
熱巖鑽探和相關關鍵技術研究論文
乾熱巖資源是一種儲量巨大、無汙染、可再生的清潔能源，初步估算中國埋深3~10 km範圍內的乾熱巖資源量相當於860萬億t標準煤，按2%的可開採資源量計算，相當於中國目前能源消耗總量的5200倍[1],實現乾熱巖資源開發利用可有效改善中國能源結構，促進經濟發展。世界上很多國家都在開展乾熱巖資源研究工作，部分國家已經建立增強型地熱系統（EGS），實現了乾熱巖資源的開發利用[2].中國地熱資源利用歷史悠久，1975年西藏羊八井鑽成中國第一口溼蒸汽井，同時建立了中國大陸上第一臺兆瓦級地熱發電機組，進入了工業性發電階段，開創了世界中溫淺層熱儲資源發電的先列。目前中國已經將乾熱巖資源開發利用提上日程，國土資源部、中國地質調查局也將其列為重點發展方向，然而中國的乾熱巖資源開發利用工作尚屬起步階段，相關理論、技術、方法略顯不足。
國際上普遍採用建立EGS的方法開採乾熱巖資源，即採用鑽井的方法鑽一口井作為注水井，鑽一口或多口井作為生產井，採用水力壓裂技術壓通生產井和注入井形成迴圈系統，從注水井注入冷水，利用生產井開採蒸汽用於發電[3,4].
可見，如何鑽開儲層形成EGS系統是乾熱巖資源開發的關鍵。與石油和淺層地熱鑽探不同，乾熱巖地層上部通常為沉積岩蓋層，下部儲層為火山岩，地層溫度高（通常高於200℃）、巖性複雜、可鑽性差，鑽探、壓裂難度極大。中國在乾熱巖鑽探和水力壓裂方面經驗不足，開展乾熱巖鑽探和相關關鍵技術研究對推動中國乾熱巖資源開發利用具有重要意義。
1 高溫鑽井液技術
乾熱巖地層特點是埋藏深，溫度為150~650℃。在開發乾熱巖過程中，鑽井液起著至關重要的作用，井內鑽井液將長期處於高溫環境。惡劣環境對鑽井液效能造成極其嚴重的破壞，直接影響孔壁穩定、攜巖能力、施工安全及施工成本等；乾熱巖鑽井過程中還可能遇到大量低壓力地層，鑽井液漏失嚴重。因此如何保證高溫環境下鑽井液效能的穩定是乾熱巖鑽探必需解決的問題，也是國內外鑽井液技術研究的熱點和重點。
1.1 高溫鑽井液關鍵問題
1）抗高溫問題。高溫作用下，鑽井液的黏土顆粒（膨潤土）分散度增強，溫度越高，分散性越強，從而引起鑽井液增稠，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，減弱其抗汙染能力，可能會導致泥漿效能惡化；另一方面會使處理劑分子中不飽和鍵和活性基團之間發生各種反應，發生高溫交聯，使得整個泥漿體系變成凝膠，失去流動性[5].
2）低壓地層井壁穩定。乾熱巖體鑽遇變質岩或結晶岩，會有大量破碎地層，易發生坍塌、掉塊等孔壁不穩定現象。
3）堵漏問題。鑽井液漏失問題在國外乾熱巖鑽探施工中比較常見，國內針對高溫堵漏材料的研究較少。
目前國內研究的高溫鑽井液抗溫效能不超過250℃，對抗高溫的處理劑及體系研究還很少，乾熱巖預計孔底溫度會達150~650℃，面臨著超高溫問題，有待開展耐高溫鑽井液技術研究，主要有以下幾個方面：
1）高溫處理劑的研製，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）高溫鑽井液體系的研究，包括高溫高密度鑽井液體系、高溫泡沫鑽井液體系、高溫油基鑽井液體系等；
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、高溫高壓頁岩膨脹量測定儀、高溫堵漏儀、高溫潤滑儀等；
4）高溫鑽井液地表冷卻系統研究，例如冷卻塔、冷凍房等。
1.2 乾熱巖耐高溫鑽井液體系室內研究
透過室內實驗在優選大量的高溫造漿材料及高溫處理劑的基礎上，重點針對抗高溫鑽井液體系--高溫保護劑進行研究，形成了由抗高溫複合造漿材料、高溫降濾失劑、高溫增黏劑、高溫保護劑等組成的抗260℃高溫的鑽井液配方（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，效能如表1所示。【1】
由實驗結果（表 1）可以看出，該耐高溫鑽井液體系抗260℃高溫，流變效能好，可以滿足鑽井液長時間高溫迴圈的要求。
2 高溫井下鑽具
乾熱巖地層通常為火山岩，溫度通常高於200℃，地層岩石研磨性強、可鑽性差，對井下鑽具的耐溫能力、工作效能要求較高。
2.1 耐高溫渦輪鑽具
井下動力鑽具是提高鑽井效率的重要工具之一，目前最常用的井下動力鑽具有渦輪鑽具、螺桿鑽具、液動衝擊器等。螺桿鑽具耐溫能力通常不高於150℃，高溫螺桿鑽具耐溫能力通常不高於180℃，且在高溫環境下螺桿鑽具表現出效能不穩定、工作壽命短等問題。液動衝擊器可以有效提高鑽速，然而現有的液動衝擊器工作壽命普遍較短，且受鑽井液效能和固相含量影響較大。
渦輪鑽具具有耐高溫、轉速高、工作壽命長等優點，適合火山岩地層鑽進[6].國外乾熱巖高溫鑽探通常採用高溫渦輪鑽具配合金剛石鑽頭進行復合鑽進，鑽探效率明顯提高[7].
北京探礦工程研究所研製了Φ127規格渦輪鑽具，渦輪節採用獨立懸掛結構，渦輪葉片為不鏽鋼精密鑄造（圖1），可以有效提高渦輪葉片壽命和水力效率；採用獨立軸承節結構，軸承為金剛石止推軸承（圖2）；整套鑽具採用全金屬結構，無橡膠元件，鑽具耐溫效能大幅提高。該規格渦輪鑽具外徑為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 鑽頭優選及設計
1）鑽頭選型技術。鑽頭選型技術目前已廣泛應用於石油鑽井過程中，目前常用的鑽頭選型方法是透過聲波測井曲線預測地層的`巖性特徵和可鑽性，透過對國內各區塊鑽頭使用情況的調研，建立鑽頭引數資料庫，從而進行地層與鑽頭的匹配和選型。應用計算機軟體建立地層巖性預測模型和鑽頭資料庫系統，應用該系統可以對地層岩石的巖性和可鑽性進行預測，從而進行鑽頭優選[8,9].
2）金剛石鑽頭。目前在火山岩地層鑽進過程中通常採用高速牙輪鑽頭或金剛石鑽頭鑽進。牙輪鑽頭具有低轉速、可承受高鑽壓的特點，可適應軟到堅硬等各種地層。但牙輪鑽頭鑽頭牙掌與鑽頭主體間採用軸承連線，在高溫、高鑽壓情況下，其軸承壽命相對較短。金剛石鑽頭具有耐高溫、高轉速的特點，其中孕鑲金剛石鑽頭適合在高溫硬巖環境中使用，配合井下動力鑽具進行復合鑽進可大幅提高鑽探效率[6].為解決硬巖鑽進難的問題，史密斯公司研製了一種GHI熱壓鑲嵌齒，將該GHI齒二次鑲焊於胎體中，形成超高工作層、多種切削機理的Kinetic孕鑲金剛石鑽頭（圖3）。該類鑽頭在刀翼上鑲嵌了特殊工藝材料的熱壓鑲嵌齒，這種凸起在孕鑲鑽頭胎體外部的GHI熱壓鑲嵌齒較PDC更加堅硬耐磨，鑽進過程中，由於其降低了鑽頭表面與岩石的接觸面積，增加了單顆金剛石的工作壓力，故在硬巖鑽進中，金剛石產生新陳代謝加快，提高了鑽頭的鑽進效率。該鑽頭配備渦輪鑽具更能體現出在硬巖鑽進中的優勢。
3）個性化鑽頭設計。個性化鑽頭設計是指標對地層巖性及可鑽性特點對鑽頭進行最佳化設計，從而達到提高機械鑽速和鑽頭壽命的目的。對於金剛石而言，在個性化設計時金剛石的粒度設計應重點考慮岩層的完整度、硬度、鑽進引數、金剛石引數等因素[11],鑽頭結構設計應重點考慮地層結構、巖性、壓力、鑽頭穩定性等因素，根據地層巖性及鑽進工況合理設計鑽頭胎體硬度和強度，針對地層研磨性合理設計鑽頭保徑形式及長度等。此外，在鑽頭設計過程中還應考慮複合鑽進條件下工作轉速、鑽壓、壓降等鑽進引數的要求。
北京探礦工程研究所根據乾熱巖地層特點研製了高溫硬巖金剛石鑽頭，採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，具有長方體聚晶及複合片保徑，該鑽頭具有壽命長、鑽探效率高的特點（圖4）。
3 高溫井控技術
3.1 乾熱巖鑽探井噴發生機理
在乾熱巖鑽探過程中，地層孔隙壓力通常低於環空液柱壓力，容易引發井噴。井噴原因主要有以下兩種[7]:一是在鑽井液上返過程中，壓力降低導致鑽井液瞬間汽化，汽化後鑽井液液柱壓力進一步降低，進而引發更深層次的鑽井液汽化和壓力下降，從而引發井噴；二是鑽井液大量漏失導致環空壓力瞬間下降，引發井噴。在發生井湧時必須迅速採取井控措施，一旦失去控制，大量流體瞬間湧入井筒將會引發井噴，大量的高溫鑽井液、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，重則導致裝置損壞、環境汙染乃至人員傷亡。在美國的內華達州、夏威夷的乾熱巖鑽探施工過程中均發生過重大井噴事故[12].
3.2 乾熱巖鑽探井控技術研究
國外乾熱巖鑽探井控裝置通常選用閘板防噴器，部分選用了安全高效的旋轉防噴器。中國乾熱巖鑽探工作處於起步階段，旋轉防噴器在中國乾熱巖鑽探施工過程中沒有應用，一般選用閘板防噴器作為井控裝置，部分鑽井施工現場甚至沒有配備井控裝置。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鑽井，規格尺寸大，無法滿足乾熱巖鑽探需要；國內乾熱巖鑽探通常選用水文水井鑽機，工作轉速通常高於200 r/min,而現有旋轉防噴器最大工作轉速不高於200 r/min.對比分析可以發現，國內相關技術及裝置明顯落後，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製
中國目前實施的乾熱巖鑽探井均採用水井鑽機，其特點是鑽進轉速高、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乾熱巖鑽探特點研製了一套結構簡單、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，可實現遠端控制，操作簡單方便，適合中國乾熱巖鑽探現場使用。此外，防噴器的底法蘭和側出口法蘭均採用API標準，通用性強，可應用於煤層氣、頁岩氣等淺井鑽探。
4 火山岩地層壓裂技術
乾熱巖地層上部為沉積岩蓋層，下部為火山岩儲層，採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系統的一個關鍵環節。石油、頁岩氣、煤層氣等地層通常為沉積岩地層，而乾熱巖儲層為火山岩，地層岩石具有較高的力學強度和非均質性。普通沉積岩地層楊氏模量一般為 20000~30000 MPa,火山岩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].在乾熱巖壓裂過程中需要較高的壓力和排量，對地面裝置、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領域，實施壓裂的地層通常為含油含氣沉積岩地層，而在火山岩地層水力壓裂技術方面基本空白。國內緻密油氣藏主要為砂岩、灰巖，天然裂縫發育，大部分儲層溫度低於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，尚無針對乾熱巖壓裂的高溫壓裂液研究。針對乾熱巖地層的特點，北京探礦工程研究所研製了一種耐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值調節劑+0.3% GZP-2 助排劑+0.1% GSJ-2 殺菌劑+0.1%GHTS高溫穩定劑。該耐高溫壓裂液具有良好的耐高溫剪下性，在 150℃及 170 s- 1剪下速率下剪下 2 h 後表觀黏度為184.9 mPa·s,遠大於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，破膠液黏度小於5 mPa·s,破膠後殘渣含量為577 mg/L,破膠液表面張力為23.3 mN/m.
4.2 支撐劑優選原則
常用的支撐劑主要有石英砂、陶粒砂及樹脂包覆的複合顆粒等。石英砂具有成本低及易於泵送等特點，被大量使用，但其強度低、球度差，而且降低裂縫導流能力，不適用於閉合壓力高的深井。樹脂包覆石英砂的複合顆粒，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採用。乾熱巖地層堅硬緻密，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，降低壓裂裝置損耗，並有利於支撐劑在裂縫中運移，製造更長的裂縫。此外，受乾熱巖地層岩石強度的影響，壓裂過程中裂縫寬度普遍低於沉積岩地層，因此宜選用粒度較小的支撐劑產品[14].
4.3 壓裂工具
美國在乾熱巖鑽探過程中進行了大量的壓裂實驗，實驗過程中發現火山岩地層壓裂所需壓力、排量遠大於沉積岩地層壓裂，並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],因此針對高溫乾熱巖特點研製耐高溫封隔器可有效提高幹熱巖壓裂的成功機率。
5 分散式測溫技術
乾熱巖鑽探的關鍵問題在於井下溫度過高，溫度給鑽井液、井下工具等帶來重要影響。此外，一旦建成EGS系統後，實施儲層、生產井溫度監測對乾熱巖儲層評價、產能預測有重要作用。
目前常用的測溫系統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散式測溫系統[16~18].其原理是：光纖溫度感測的主要依據是光纖的光時域反射原理及光纖後向拉曼散射的溫度效應。當光脈衝從光纖的一端注入並沿著光纖向前傳輸時，由於拉曼效應，會產生後向散射，後向散射光的光強與散射點的溫度有一定的關係。散射點的溫度（光纖所處的環境溫度）越高，後向散射光的光強越大，後向散射光的光強可以反映出散射點的溫度。利用這個現象，測量出後向散射光的光強，就可以計算出散射點的溫度[19,20].圖6為分散式測溫系統結構。
應用分散式光纖測溫系統，可以在短時間內獲得整個井筒縱向溫度場分佈情況。分散式光纖溫度感測器利用光纖作為溫度資訊的感測和傳輸介質，可以在很短的時間內測量光纖沿線的所有溫度分佈情況，這是分散式光纖溫度感測器相對於其他溫度感測器的顯著優點。
應用分散式測溫系統快速測量和掌握整個井筒的溫度分佈，在鑽探過程中可以為鑽探施工提供參考和指導，在乾熱巖示範工程開採過程中可以實現對整個井筒溫度變化進行監測，從而預測產能，為乾熱巖資源開發研究提供指導。
6 結論
1）介紹了乾熱巖鑽探關鍵技術及研究進展，部分研究成果仍處於理論研究階段，建議實施乾熱巖示範工程，結合示範工程開展相關技術的現場應用研究。
2）中國在高溫鑽井液儀器、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、裝置的研發工作。
3）井控是高溫乾熱巖鑽探重要工作之一，建議在旋轉防噴器的基礎上進一步研究高溫乾熱巖鑽探井控系統，形成高溫乾熱巖鑽探井控體系。
4）國內渦輪鑽具應用較少，相關經驗不足，建議針對火山岩地層特點進一步開展高速渦輪鑽具配合金剛石鑽頭鑽進工藝及現場實驗研究，提高深部火山岩地層鑽進速度。
5）火山岩地層壓裂技術難度大，建議進一步開展火山岩地層壓裂技術及現場實驗研究，掌握火山岩壓裂工藝，為建立乾熱巖EGS工程提供技術保障。