高溫地熱高效開發鉆井關鍵技術探究

周 樂

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國將自然環境溫度超過 150 ℃ 的地熱環境稱為高溫地熱，此種自然環境所產生的能源主要用作電力運轉。無論是能源開采模式，還是應用方式上，地質熱力基礎環境與常見油氣物質具備相似性，但由于能源儲存結構層的特殊性，導致高溫地區能源開發資源成本相對較高。

1 高溫地熱資源特點

1)巖石硬度大

我國地質環境十分復雜且多變，其中的高溫地熱區域，巖石內部硬度相對較大，并且巖石之間的研磨性能相對較高。此種環境下巖石孔洞鉆取性能較低，大多數高溫地區能量儲存層中所包含的巖石成分相對比較復雜。例如，火山巖石成分、花崗巖石成分，以及結晶巖石等。所以該巖石開采強度比具有油氣物質的砂土巖石要高，部分地區所產生的巖石物質單方向抗壓強度已經超過 240 MPa。

2)溫度較高

高溫地區的外部地質溫度變化相對較大，并且具有明顯的階梯結構，其中溫度儲存最高已經超過 150 ℃。地熱環境開發比較成功的項目溫度超過了 200 ℃[1]。

3)埋深水平高

現階段，我國商業專業技術所研發的高溫環境基礎深度相對較大，最大已經超過了 2800 m。然而，在自然環境中，一些地區鉆取幾百米深度就能得到 200 ℃ 的高溫水熱型地熱自然資源，所以技術人員針對此種自然環境一般需要使用淺層高溫地熱能量進行電力研發和運轉。長時間研究和實踐發現，此種地熱用于發電存在許多問題和不足，比如，地質熱量不穩定，致使出水數量以及環境溫度變化相對較大，最終造成發電基礎穩定性較差。同時，由于地下水在熱力能量位置所經過的路徑相對較短，所以無論是能源開采數量，還是水溫都降低較快。

4)非均勻質強

在自然資源以及環境分布探索中，高溫液態物質所產生的地質熱力資源一般集中在地質結構板塊之間的活躍區域。由于此種地層裂縫在實施過程中發育較快，所以其結構性裂縫數據尺寸相對較大，同時，板塊之間包含大顆粒的石英物質，所以非構造板塊區的高溫地熱資源一般埋深較深，鉆遇地層非均質性也較強。

2 高溫地熱高效開發鉆井技術研究

1)高效破巖技術

在自然環境能源開采過程中，由于地熱高溫井口所遇到的地質結構層較硬，如花岡巖石，因此此種地質環境普遍具備高抗磨性等，一定程度上還存在著超高溫度等特點。即使使用全新設備鉆頭，由于基礎轉速相對較低，也不能在此種地層環境中獲取相應的基礎資料。目前，聚晶金剛石儀器和設備，無論是切削操作，還是設備鉆孔，都無法有效適應硬質地質結構，所以現代化地熱鉆井施工技術主要使用牙輪鉆頭模式[2]。

高溫地熱高效開發過程中，碳化鎢鑲齒牙輪鉆頭可以應付 150 ℃ 的操作環境，但設備一旦超過標準溫度，其鉆頭軸承結構中的橡膠材料則會不斷退化，最終導致密封失去應有的效果。如果鉆井液物質、巖石碎屑進入設備軸承內部結構中，則會造成軸承損壞，從而增加成本。

現階段，針對常見設備鉆頭零部件中無法抗擊高溫環境，最終造成設備使用壽命較低等問題，則需要使用全新材料對鉆頭進行密封處理，從而提升設備基礎的高溫抗擊能力。比如，現代化全新設備鉆頭材質一般使用纖維性較高的碳氟化合物作為密封材料，并且使用合成的潤滑油液以及基礎添加試劑，進而有效提升抗高溫潤滑性能。如果在地層溫度達到 270 ℃ 地熱井中使用，并且單日工作時間長達 77 h，則使用該設備進行孔洞鉆取時效率比傳統模式提升3%～37%，并且軸承和密封系統完好。

牙輪鉆頭在操作過程中，在高溫抗擊水平上得到了全面優化和完善，但是設備使用過程中的研磨性導致設備損壞速度很快，并且深部地熱鉆頭使用壽命十分有限，致使該設備實際應用時鉆頭施工均小于 50 h；而地質在高溫基礎條件下，設備內部結構中的螺旋桿所具有的馬達橡膠物質極易被影響而老化。目前，設備螺桿鉆只能在井下溫度低于 175 ℃ 的基礎條件下正常運轉，且渦輪鉆頭設備結構中不包含橡膠物質，所以該設備具有更高的抗高溫能力。我國引進的低速大扭矩耐高溫渦輪鉆頭則具備在高溫 260 ℃ 環境下的鉆孔，設備主要以80～100 r/min 的低轉速運行，同時設備在使用環節上增加的轉動功率為5440～10880 Nm。

2)防堵技術

針對已經產生結構性裂縫問題的地熱結構層來說，想要確保設備在運轉過程中能夠獲得更高產量，設備鉆井口以及鉆取通道就需要貫穿裂縫區域，此種模式會導致設備鉆井過程中產生井口泄露問題。如果產生泄露，則會導致井口內壁結構坍塌，進而產生鉆頭卡頓等相關問題，不僅增加了施工時間，一定程度上還提高作業經濟支出成本。根據現階段鉆頭設備運行現狀，高溫地熱鉆頭作業和施工過程中，處理井下泄露所支出的經濟費用占據了總體施工費用的10%～20%，并且鉆井液體中帶有的鉆頭碎屑物質還會損壞地質的能源儲存地層，從而減少和降低地熱井能源總體產值。

由于高溫地熱井在施工和能源采集過程中具有特殊的地質性能，為此，防漏技術與其他鉆井技術相比較具有明顯的差異性。現階段常見的防堵技主要為欠平衡鉆井技術(如霧化、空氣鉆井等)，由于運轉時所產生的空氣流動速度相對較大，所以在高溫并且富氧環境下，管道與立柱的腐蝕性以及設備的損壞程度不斷增加。為此，需要使用具有高經濟以及可行的技術方式進行解決。對地質結構層遺漏現狀進行防堵，需要使用專業的堵漏劑或者水泥砂漿進行結構堵漏，同時，為了避免井口下部分受到高溫環境影響，則需要使用耐高溫堵漏材料或耐高溫水泥漿，同時還要提高堵漏材料的承壓穩定性[3]。

3)抗高溫鉆井技術

高溫地熱環境進行鉆井技術實施，鉆井液極易受到高溫因素的影響和作用，進而導致黏土顆粒分散程度相對較高，最終造成結構黏性不斷增加，嚴重時甚至稠化并且構成凝膠形態物質。物質在該狀態下的基礎流動性相對較差，從而影響鉆井作業的正常進行。除此之外，油基鉆井液的基礎抗溫度基礎性能比水基鉆井液要高。然而，油基鉆井液體則會對地質儲物層造成嚴重的污染，因此鉆井實施過程中一般應該使用水基鉆井液體結構體系。同時，由于甲酸鹽鉆井液體物質普遍具備地質結構密度可調節、高穩定性較高等優勢，能夠在高溫井下結構代替傳統的高密度鹽水鉆井液物質。并且合成基鉆井液體物質熱量穩定性相對較高，以此成為了高溫地熱高效開發鉆井關鍵技術全新趨勢。

高溫地熱高效開發鉆井關鍵技術所使用的鉆井液是為了保證工程作業質量，還需要增加專業的ECOTROL HT合成聚合物、MULXT如花試劑以及ONETROL HL泥漿控制試劑等。除了水資源基礎物質以及合成基礎鉆井液物質以外，還需要使用抗溫 230 ℃ 以上的處理劑、發泡劑、穩泡劑配制而成的泡沫鉆井液。

針對泡沫欠平衡鉆井作業環境，我國則先后研發出耐高溫 300 ℃ 以上的泡沫鉆井液體系。同時，該鉆井液在我國地質環境中溫度高大 350 ℃ 的地熱井內部結構中全面應用。為了避免鉆井操作過程中鉆井液溫度過高造成液體物質氣體化，如果需要使用泡沫循環操作技術以及注水冷卻技術相結合時，還需要通過地面泥漿物質進行冷卻，并且在系統內部結構中安裝冷卻設備，根本上減少鉆井液的基礎溫度水平，從而不斷提升鉆井液物質性能。為此，通常使用該技術時，鉆井液基礎溫度超過75℃時，需要使用泥漿冷卻技術和相關設備裝置。

3 結語

由此可見，在能源開采過程中，由于高溫地熱地質環境中的巖石成分普遍具備硬度較高、抗磨性強等特點，所以在技術研究與探索方面上，需要從設備應用方面開展全面探索和應用。