地熱鉆探技術研究與應用

朱挺 王聰

【摘 要】當前，地熱資源作為新型綠色能源步入國家能源格局的序列，得到了高層和行業前所未有的重視，地熱市場具備可持續發展的經濟社會環境。近年國家及地方各級政府相繼出臺了一系列文件，提倡鼓勵開發地熱能等清潔能源，以實現節能減排、環境保護等目的，地熱能產業迎來巨大發展機遇。本文在此基礎上就地熱鉆探技術應用的相關內容進行了簡要的分析。

【關鍵詞】地熱鉆探技術;研究;應用

1地熱鉆井主要問題分析

國內地熱鉆井技術是在水文水井鉆探工藝基礎上發展起來，無論是設備還是工藝均處于一個落后狀態，基本以三牙輪正循環泥漿鉆進工藝為主。就目前實際鉆井效率情況看：砂土松散地層5～10m/h之間;較軟基巖地層1～2m/h之間;堅硬地層0.1～0.8m/h之間。因此可知：地熱鉆井的主要問題是鉆效低。由于鉆井效率低，最終導致鉆井成本高、泥漿對地層污染程度高、洗井困難以及誘發井壁失穩、坍塌、埋鉆等事故。造成鉆井效率低的主要因素諸多，如設備能力、鉆頭適宜性、鉆井液性能、鉆進壓力、人員素質，以及鉆井液的上返速度問題。目前國內多數地熱井施工單位所使用的泥漿泵型號為TBW1200/7和QZ3NB-350、QZ3NB-800型泥漿泵。當井深大于500m時TBW1200/7型泥漿泵的排量顯然滿足不了正常的上返速度、井底巖屑重復破碎和鉆頭損耗嚴重，其鉆井效率急劇下降。為解決這一問題，QZ3NB-800型泥漿泵驅動功率較大，在城市中使用受到噪音和變壓器等限制。

2地熱鉆探技術的應用要點

2.1氣舉反循環鉆進

目前我國地熱鉆井深度一般在一千米至四千米之間。在巖溶、裂隙型熱儲地層，構造較為發育，破碎、漏失情況普遍，鉆井難度較大。鉆遇漏失地層時，通常對策為堵漏或者頂漏鉆進。其中堵漏鉆進，耗時耗力耗物，且在主要取水目的層，會堵塞含水通道，造成出水量減小;而頂漏鉆進，在某些比較破碎的地層，難以建立有效的循環，造成巖屑重復破碎、堆積等，容易造成埋鉆，卡鉆等事故。氣舉反循環的工作原理是將壓縮空氣通過氣水龍頭等供氣管路送至孔內的氣水混合器，同時將壓縮空氣與鉆具內的鉆井液混合，形成比重小的多態混合液。混合液在鉆具內外液面壓力差的作用下，沿鉆具內腔返出至地表，鉆井液去除固相顆粒后重新返流入井內環狀間隙，形成反循環。氣舉反循環鉆進工藝的適用范圍（1）氣舉反循環工藝使用范圍廣，可應用于大口徑工程地質鉆探、地質礦產鉆探、地熱和水文水井鉆探等各類型鉆探工程。（2）需能在鉆具內外腔的壓力差作用下建立循環，達到適宜的沉沒系數。（3）不宜在水敏性強的粘土、泥巖等地層使用。水敏性強粘土、泥巖等地層，鉆進時產生的泥質巖屑在壓差作用下，會吸附積累于鉆桿內壁，若不能及時排除，很容易堵塞過水通道。（4）不宜在特別嚴重漏失或破碎孔段鉆進。在地層漏失特別嚴重情況，會加大鉆井液補充成本，且巖屑無法按正常循環通道返出，極易產生事故;在嚴重破碎等不穩定孔段，由于缺少鉆井液的護壁平衡作用，易坍塌，造成卡鉆或埋鉆等事故。

2.2鉆進液回轉鉆進技術

在運用鉆進液回轉鉆進技術是首先應對鉆壓、鉆的轉速及泵量進行控制，同時在進行具體施工時還應保證可以符合以下操作要求：第一，在進行深部鉆進加壓時可選擇使用鉆鋌加壓的方式，應保證鉆鋌的總重量是鉆壓值的1.3倍。第二，在選擇鉆頭型號時，應保證可以滿足所需要鉆進地層及鉆進孔徑的實際要求。在正式鉆進前應先對鉆頭的磨損狀況及鉆頭水眼的通暢性進行檢查，嚴禁使用沒有達到施工要求的鉆頭。如果在鉆進時使用的是新鉆頭可以先磨合鉆進0.5米，再根據實際情況對鉆壓進行增加。第三，單根鉆桿鉆進前可以先開鉆并啟動回轉器，再將鉆具放到井下，并根據鉆進情況增加鉆壓。在下鉆時相關的技術人員應保證穩定性，當遇到阻礙時不得用猛力。第四，在鉆進時，相關的技術人員應保證鉆孔內部的清潔性和孔壁的穩定性，避免出現卡鉆和埋鉆情況。第五，鉆進時如果遇到泥巖段并出現鉆進速度下降的情況時，可以將鉆壓進行提升同時減慢鉆進速度;如果遇到硬夾巖層，會出現憋鉆情況，這時同樣將鉆壓降低并減慢鉆速，當鉆穿硬夾巖層后再繼續應用正常參數進行鉆進;當鉆進時巖層出現卵礫石或破碎地帶時，應及時的對鉆壓進行調整，并適當的減慢鉆進速度，避免鉆頭在井底出現震動、憋車及跳動情況。

2.3氣動潛孔錘鉆技術

使用氣動潛孔錘鉆進技術過程中，需要充分保證以下幾個施工條件：首先使用氣動潛孔錘鉆進過程中，需要對所連接的鉆桿進行穩定性檢測，保證鉆桿內部的通暢性，在進行鉆孔施工之前，需要在地表面進行氣動潛孔錘的啟動實驗，充分保證內部的沖擊器和卡套屬于正常的工作狀態，然后從后方來進行鉆探操作。其次，在每一次氣動潛孔錘的鉆進工作當中不能直接深入到井底，可以先將鉆頭先鉆進0.5米左右的距離，然后通過打通之后再進行后續的鉆進操作。鉆頭在鉆進過程中遇到巖石層需要立即啟動沖擊器，如果沖擊不完全可以將鉆具進行上下擺動，保證正常沖擊的條件下再進行鉆井參數的調整，如果運用氣動潛孔錘鉆進技術過程中，如果產生憋泵或者是設備停止工作的問題，可以將鉆孔設備上下進行調整，同時對鉆井工作系數進行測定。最后，在啟動測孔錘鉆進時，還需要充分注意該區地質的氣壓變化情況，經常形成的氣壓突然明顯降低的問題，主要是因為鉆桿和鉆頭產生了折斷或者是鉆桿接頭部分產生了漏氣問題，需要對設備進行及時的修復。

3地熱鉆井技術的應用發展

（1）引進和推廣石油鉆井裝備和工藝。目前，我國石油鉆井深度已達7000余米以上，其設備能力、鉆進工藝和鉆進效率在整個鉆井工程領域一直處于領先地位。所以，引進和推廣石油鉆井成熟技術將會對地熱鉆井技術的發展起到積極推動作用。但是石油設備以及配套裝備價格高昂，從而限制了石油鉆井技術的推廣應用，應將其與地熱鉆探特點相結合并推廣應用。（2）綠色鉆探，智能化鉆探。智能及自動化可降低鉆探過程“人為性事故”等不利因素，減少降低勞動力數量和強度，并對提高鉆井的精準度和保障井內安全都有重要作用，是未來發展方向。綠色鉆探無論是在鉆井還是在其前后階段，都強調環保清潔、節能高效等思想，將對自然的損害和破壞減少到最低程度，在當前我國社會各界普遍的“青山綠水”環保要求大背景下，綠色鉆探技術無疑是鉆探工程發展繞不開的必經之路。（3）多工藝復合鉆井技術。針對同一口井鉆遇不同地層分別采用正循環泥漿鉆進、空氣潛孔錘鉆進、氣舉反循環鉆進、井底螺桿馬達驅動鉆進等工藝，或者采用兩種、三種以上工藝組合。優點是：回避了鉆井裝備不足問題，重點解決鉆進工藝問題。（4）地熱鉆井逐步向高深度、高溫度、高壓力方向發展。當前我國中低溫地熱資源開發技術已基本成熟，而對于干熱巖等高溫資源如何開采，目前還沒有統一的認知，三千至六千余米的深度，幾百攝氏度的高溫以及巨大的地層壓力，對地熱鉆井技術是個挑戰，例如如何提高鉆井液的耐高溫性能，保證螺桿、液動錘、測井儀器等井下器具在高溫高壓條件下正常工作，達到高效碎巖攜巖等目的。故而對抗高溫鉆井液技術、抗高溫隨鉆測控技術、高溫固完井技術和高效破巖輔助工具的耐高溫無故障工作研究是未來重要方向。

4結束語

地熱資源勘查工作屬于野外勘探工作，所以風險性較大，并且還存在較多的隱蔽工程，這樣就要求相關的施工人員合理的利用地熱鉆探技術。隨著我國綠色可持續發展進程的不斷深入，地熱資源作為一種新型的綠色資源，符合我國綠色發展的要求，在未來會有更大的發展空間。

參考文獻：

[1]夏敏.地熱資源勘查方法及地熱鉆探施工技術探析[J].資源信息與工程，2018，3301：85-86.

（作者單位：天津地熱勘查開發設計院）