深部地熱能鉆探施工若干問題的探討

朱恒銀，王強，劉兵

（安徽省地質礦產勘查局313地質隊，安徽六安 237010）

0 引言

我國已進入了新的歷史時期，地質勘探行業也發生了戰略性的改變，國土自然資源系統針對行業特點提出了“三深一土”科技發展戰略，地質勘探已從較單一的地質找礦向更廣泛的自然資源和生態、綠色環保地質領域方向發展。尤其在新型能源勘探利用方面（如頁巖氣、干熱巖、深層地熱、煤層氣、天然氣水合物等）逐漸成為社會關注的焦點。國家十分重視，投入較大。鉆探是地下新型能源的勘探與開發不可或缺的科學技術手段。因此，這給我們地質勘探行業帶來了新的機遇。下面就深部地熱能開發鉆探施工方面的若干問題淺談幾點認識，供同仁們參考。

1 機遇與挑戰淺析

1.1 深部地熱能開發機遇與愿景

1.1.1 地熱能資源儲量豐富

地熱能是一種新型清潔能源，在當今人們的環保意識日漸增強和石油、天然氣、煤炭等化石能源可采儲量減少且日趨緊缺的情況下，對地熱資源的合理開發利用已愈來愈受人們的青睞。我國是地熱資源相對豐富的國家，地熱資源總量約占全球7.9%，可采儲量相當于4626.5×108t標準煤。全國地熱可采資源量為每年68×108m3，年產出熱量約為5×104MWh。在地熱利用規模上，近年來位居世界首位，并以每年10%的速度穩步增長，世界各國年產出熱量比較如圖1所示。

圖1 世界各國年產出熱量比較圖Figure 1.Comparison of annual heat production among countries in the world

1.1.2 地熱能資源分布廣泛

圖2 地熱資源分布圖Figure 2.Distribution map of geothermal resources

根據目前已探明的地熱資源儲備以及區域分布特點來看，我國中高溫地熱資源主要分布在西部及西南部地區（如藏、青、滇、川西等地）；中低溫地熱資源主要分布在華北、東北以及東部和東南沿海地區，如圖2所示。我國近年來，同時加大了干熱巖型地熱資源的調查，如青海、廣東、福建、山東和遼寧等地均發現了干熱巖地熱資源。

1.1.3 地熱能的開發利用

地熱能資源根據溫度高低分為：高溫地熱、中溫地熱和低溫地熱。地熱資源溫度分級如表1所示。

表1 地熱資源溫度分級表Table 1 Temperature classification table of geothermal resources

根據地熱能的溫度高低進行合理的利用，主要有以下領域的應用：

（1）高、中溫地熱能：用于發電、烘干、工業制造方面利用。

圖3 西藏羊八井地熱電站Figure 3.The geothermal power station in Yangbajin，Tibet

圖4 地熱烘干海藻Figure 4.Geothermal drying of seaweed

（2）低溫地熱能：用于采暖、制冷、洗浴、醫療、溫室培育、農業灌溉、養殖、種植等。

圖5 地熱供暖示意圖Figure 5.Geothermal heating schematic

圖6 地熱洗浴Figure 6.Geothermal bath

圖7 地熱養殖Figure 7.Geothermal Breeding

圖8 地熱種植Figure 8.Geothermal planting

1.1.4 地熱能的開發拉動了地勘業的發展

地熱能是一種新型清潔、可再生能源，可降低大氣層二氧化碳的排放，減少霧霾，對改善環境、減少污染具有重要的社會、經濟意義和廣闊的發展前景。“十三五”期間，據有關資料報道，國家在京津冀地區將投入數千億元資金開發地熱能，在西部及北部其他省份投資力度也逐年增大。眾所周知，深部地熱能的勘探開發是靠鉆探工程來實現的，所以，深部地熱能的開發給地勘行業也帶來了新的機遇。

1.2 深部地熱能勘探開發面臨著眾多挑戰

深部地熱能勘探開發雖給我們地勘行業帶來了良好的機遇，但又面臨著新的眾多挑戰，主要有以下幾個方面：

1.2.1 市場的競爭對象的改變

國務院已取消了地質勘探行業的相關資質，去掉了行業的準入門檻，削弱了國有地勘單位的資質優勢，這就意味著個體及民營企業均可進入地勘競爭市場。同時，石油勘探系統也紛紛進入地熱能勘探市場。在這種形勢下，地勘市場競爭對象有了較大變化，加劇了地勘深井鉆探市場競爭的殘酷性和激烈性。另外，地勘單位在大直徑深井施工業績方面較少，也給進入該市場競爭增加了難度。

1.2.2 鉆探設備能力和功能的改變

地勘單位原有的“小而輕”的地質巖心鉆探設備已不能滿足深部地熱鉆探“大而深”的設備需求。

1.2.3 技術與人才結構需求的改變

由于新時代賦予地勘行業的新使命、新任務，現有的地勘單位技術人員知識面及專業結構不適應新形勢的需求，例如，大直徑深井鉆探施工經驗少，對新型的機械化、智能化程度較高的鉆探設備操作不熟練，缺乏大型的裝備現場安裝、電路、電器、自動化操作控制系統的調試、故障排除與維修等專業技術人員和工匠，與石油勘探系統相比有較大差距，尤其大直徑深井鉆探專業技術結構（如機械、工藝、鉆井液、事故預防與分析、固井等）配置不規范，缺少人才。

1.2.4 現場管理方法模式的改變

大直徑深井地熱鉆探施工，鉆孔深度一般均大于2000m，甚至達到5000m以深，單井施工費用可達數百萬元至數千萬元，鉆探的工作內容與地質找礦鉆孔相比有較大區別，鉆探施工風險增大。所以地勘單位以往粗放型、以包代管的現場管理方法、模式已不適應大直徑深井地熱鉆探施工需求。

總之，深部地熱能資源勘探還面臨著諸多方面難題，需要進一步探索與研究。

2 鉆探關鍵設備的選擇及優化配置

深部地熱能資源鉆探主要是以“深、大、尖”（即鉆孔深、口徑大、設備技術精良）為特色。鉆探設備是保證鉆孔施工的必要條件，如何優化選擇和配置深部鉆探設備是直接影響鉆探質量、安全、效率及工藝方法的重要因素。

2.1 關鍵設備的選擇原則

鉆探設備通常是指鉆機、泥漿泵、鉆塔（井架）、泥漿固控四大系統，如圖9所示。

圖9 鉆探設備四大系統Figure 9.four major systems of drilling equipment

根據深部地熱能資源鉆探特點，對鉆探關鍵設備的選擇基本原則有以下幾點：

2.1.1 鉆機的選擇

大直徑深井鉆探鉆機選擇應提倡“大馬拉小車”的理念。鉆機能力在滿足相應井深、井徑的前提下，必須留有余地。鉆機的提升能力和扭矩應增加1.3～1.5 倍，不提倡“小馬拉大車”超負荷來創造井深紀錄的做法。避免鉆進過程中井內發生異常時，因鉆機能力不足，無法及時處理而造成井內重大事故。

鉆機的類型優先選擇大通徑（φ≥500mm）轉盤鉆機或轉盤+頂驅鉆機。鉆機要求有較寬的調速范圍、鉆機參數顯示和安全控制系統。

2.1.2 泥漿泵的選擇

泥漿泵的選擇應根據鉆井深度，環狀間隙（井徑和鉆具級配）、沖洗液上返流速等要素來確定。同時也要考慮施工中采用的工藝方法，如潛孔錘鉆進、孔底液動馬達（螺桿鉆、渦輪鉆）鉆進等對泥漿泵的特殊要求。深部地熱鉆探多采用高壓力、大排量鉆進工藝，以提高上返流速和有效攜帶巖屑。一般選擇流量在1000～2000L/min 變量范圍，額定泵壓：3000m 以內井深應大于20MPa，5000m 以內井深應大于35MPa 的泥漿泵。鉆進沖洗液上返流速應大于0.4m/s。

2.1.3 鉆塔的選擇

深部地熱勘探目前鉆塔類型主要有：A 型、K 型、KZ型三種，如圖10所示。A型鉆塔一般適應于3000m以淺鉆井，3000m以深鉆井需選擇K型、KZ型鉆塔，鉆塔基本參數選擇如表2所示。

圖10 三種類型的鉆塔Figure 10.three types of drilling towers

表2 深部地熱勘探鉆塔基本參數選擇表Table 2 Selection of basic parameters of drilling Tower for Deep Geothermal Exploration

鉆塔的配套設備（如：天車、游動滑車、大鉤、吊環、吊鉗等）承載能力應與鉆塔額定負荷相匹配。

2.1.4 泥漿固相控制系統的選擇

深部地熱勘探井口徑大，一般采用局部取心和全面鉆進，巖屑量大，對泥漿性能要求和有害固相含量控制和凈化較嚴格，鉆探泥漿性能的優劣是鉆井施工成敗的關鍵。

圖11 整體組裝式泥漿固控系統Figure 11.Integral assembly mud solid control system

泥漿固控系統配套設備主要有：振動篩、旋流除砂器、除泥器、離心機等。泥漿固控系統有：整體組裝式和模塊組合式（如圖11 和圖12 所示）。井深3000m以淺的鉆井，建議選擇模塊組合式較方便，易搬遷、造價低。井深大于3000m 的鉆井，有條件的單位，可選擇整體組裝式。固控系統處理能力應根據泥漿泵輸送排量而選擇。

圖12 模塊組合式泥漿固控系統Figure 12.Modular combined mud solid control system

泥漿固控循環系統作業流程，如圖13所示。

圖13 泥漿循環及固控系統示意圖Figure 13.Schematic diagram of mud circulation and solid control system

2.1.5 關鍵附屬設備

深部地熱能勘探施工設備除上述四大件外，鉆桿擰卸和井口防噴設備是不可缺少的關鍵附屬設備。

鉆桿擰卸設備：一般選用液氣擰管鉗，擰管扭矩最大為100kN·m，適應擰管直徑范圍，即可滿足日常地熱鉆探擰管要求。

井口防噴設備：根據井深、含氣、液層壓力、井口套管和鉆桿（或主桿）直徑等因素，選擇井口防噴器的規格。防噴器壓力級別共五級，即14MPa、21MPa、35MPa、70MPa、105MPa。防噴器作業方式有手動式和自動液壓式兩種，如圖14 所示。中低溫地熱鉆探，一般可以選擇14～21MPa 手動作業防噴器；高溫地熱鉆探應選擇35MPa以上的自動液壓式防噴器。

圖14 閘板防噴器Figure 14.Gate blowout preventer

2.2 關鍵設備優化配置

深部地熱勘探鉆探設備一次性投入較大，一般需要千萬元以上，所以設備的優化配置很重要。應以“滿足施工需要、功能先進適用、配置合理、利用率高”為原則，主要從以下幾方面考慮：

2.2.1 設備功能的先進性

深部地熱鉆探設備投入大，在購置設備時須慎重，在設備選型上要有前瞻性，機械化、自動化、智能化程度相對要高，能保持在一定年限內的先進性，不會淘汰。設備配置盡量考慮能滿足多工藝鉆進方法的需要。

2.2.2 設備主件具有模塊化結構形式

設備模塊化結構，可便于拆卸搬遷，設備主件可以互換與組合。如鉆機升降系統有互換性，能調節升降能力；鉆進驅動形式（轉盤、頂驅和轉盤+頂驅），可根據施工需要進行選擇及配置。

2.2.3 鉆塔優選直升及高度可調試

鉆塔配置要考慮場地的局限性，宜優選液壓直升式結構，塔高根據設計井深安裝時可調節，如設計3000m 井深，塔高可調節為27m；大于3000m 井深，塔高可調節為31m 或41m。塔座高亦可配置2～3 層可調式，如分別為2m、3m、4m 層高單件，根據需要進行組合。

2.2.4 鉆探設備優選電動直驅式

鉆探主要設備驅動應優選交流或直流變頻電機直接驅動，以減少電能消耗，便于設備自動控制及工作參數信息采集。

3 鉆探工藝技術拓展創新

深部地熱鉆探鉆進不同于地質巖心鉆探，其特點是：鉆井深、口徑大、地溫高、地層多變、鉆井結構復雜、工藝流程繁瑣。如何提高鉆探效率和質量，實現安全鉆進，是鉆探技術探索和研究永恒的主題。下面就地熱鉆探工藝拓展與創新方面略談幾點認識。

3.1 鉆進技術方法

3.1.1 采用多工藝鉆進技術

改變單一常規的回轉鉆進方法，在同一鉆井，不同地層及井段選擇不同的鉆進工藝技術，如淺井段（1000m以淺）較軟地層及超大口徑中，可采用全孔反循環或者潛孔錘+回轉同徑鉆進，以減少擴井工序，提高鉆進效率，降低井斜率。

3.1.2 應用液動孔底馬達鉆進技術

利用地熱鉆探口徑大的條件，應用液動孔底馬達（螺桿鉆、渦輪鉆）鉆進技術，尤其在3000m 以深的鉆井中鉆進，優勢更為突出，可降低鉆機動力消耗和地表噪音，鉆桿柱不回轉，鉆桿磨損少，避免井內斷鉆桿事故。

3.1.3 拓展繩索取心技術的應用

圖15 大直徑孔底加壓繩索取心鉆具Figure 15.Pressure rope coring drilling tool at the bottom of a large diameter hole

深井地熱鉆探是以無巖心全面鉆進為主，一般情況下，只要求間斷取心或目的層連續取心，鉆井取心率只占鉆進工作量的5%～10%之間。大口徑深井鉆探，雖然取心工作量少，但取心難度大，3000m井深每取一回次巖心一般需要2～3個臺班，提下鉆勞動強度大，工作效率低。目前小口徑地質巖心鉆探繩索取心技術已應用十分廣泛。可是在大口徑中繩索取心技術尚不成熟，處于摸索研究階段。安徽省地質礦產勘查局313 地質隊研發出深井大口徑（φ152mm～φ 216mm）系列繩索取心鉆具，如圖15 所示示（圖(a)、(b)實質是一整體，圖(b)的右端與圖(a)左端是相連的），成功地在頁巖氣參數井中應用，取得了良好的效果。研發了φ216mm以上口徑的繩索取心和全面鉆進孔底互換鉆具，可應用于深井大口徑鉆探中，為不提鉆井內間斷取心和全面鉆進互換技術提供了一種新方法。

3.2 鉆探泥漿技術

常言道：泥漿是鉆探的“血液”，說明泥漿技術在鉆探中的重要性。深部地熱鉆探由于在高溫、高壓條件下鉆進，往往使泥漿中的各種組分發生降解，處理劑失去原有作用功能，導致泥漿絮凝、固化、膠體率和粘度下降，濾失量增大，流變性喪失。如何保持泥漿性能，滿足地熱鉆探要求，應加強以下幾個方面研究和新技術的推廣應用。

3.2.1 優選研發耐高溫、低污染泥漿材料

推廣使用凹凸棒土、海泡石等耐高溫材料替代普通黏土粉；優選腐殖酸類、聚丙烯酸類、磺化多元共聚物類、水解聚丙腈銨鹽類等作為泥漿處理劑。這些處理劑抗溫能力可達200℃以上且具有無毒性，對環境污染小的優點。要進一步研發大于300℃以上的泥漿材料。

3.2.2 推廣應用壓力平衡鉆探技術

在中低溫地熱井鉆探中，推廣低密度（0.0012～0.85g/cm3）欠平衡壓力鉆進技術，如采用空氣、泡沫泥漿、充氣泥漿等來進行鉆進。該方法具有可減少泥漿對含水儲熱層的封閉作用，有利于增加地下流體產能，提高鉆進效率，縮短后期洗井時間等優點。

在高溫地熱井鉆探中，推廣應用高密度、耐高溫泥漿技術，平衡高溫情況下氣體和地層壓力，以防止井噴和保持井壁的穩定性。

3.3 地熱開采井增產技術方法

深部地熱開采井日產熱能量，是衡量成井質量與成果的重要指標。增加地熱能開采產量，目前主要應用技術有：水力壓裂，多分支及水平對接，地下水回灌等技術。

上述技術其原理主要是在開發井中的地熱能含水層位、高溫儲熱層位（干熱巖段）中，用人工強制措施以擴大采熱地層斷面；疏通松散、破碎帶層位裂隙通道；補給地下水熱交換水源，保持原有地下水位等；以增加開采井的產量。

4 結束語

深部地熱能資源勘探開發是國家戰略，對于地勘行業而言，機遇與挑戰并存。我們必須正視存在的問題和困難，在新的歷史時期，應加速技術人才的培養與交流；調整專業技術結構；開展大直徑深部鉆探關鍵技術創新；積極推廣應用新技術、新方法；提高設備自動化、智能化水平和施工能力；強化規范施工管理，提高綜合管理人員管理素質和水平。抓住機遇，迎接挑戰，強力推動深部地熱鉆探技術的快速發展。