關于高溫地熱高效開發鉆井關鍵技術研究

宋楊

【摘 要】在社會的發展中，經濟發展與環境保護出現了一定的矛盾，在目前能源匱乏的現狀下，清潔可再生能源的開發和利用成為了目前社會所關注的主要問題，而地熱能就屬于目前最受關注的清潔可再生能源之一。

【Abstract】In the development of society， economic development and environmental protection has some contradictions. In the current status of the lack of energy， development and utilization of clean renewable energy has become a major concern of the society， and the geothermal energy is one of the most popular current clear clean renewable energy.

【關鍵詞】高溫地熱 ；高效開發 ； 鉆井關鍵技術

【Keywords】high temperature geothermal ；effective development ； key technology of drilling

【中圖分類號】TU45 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0127-02

1 引言

地熱能是一種來自地球內部的熱能，屬于一種清潔可再生能源，對地熱資源的開發和利用對我國能源結構的調整有著重要的意義。目前國際上將超過150℃的地熱資源稱為高溫地熱資源，其主要用途是用來發電，對于高溫地熱資源的開發來說，其鉆井技術與油氣開發技術大致相同，但是由于地熱儲存埋深和溫度的影響，使地熱鉆井條件更為苛刻，技術流程更加復雜，相應的鉆井成本也比較高，這就需要對高溫地熱儲層的類型和特點進行分析，并且在此基礎上對其高效開發鉆井技術進行分析研究，實現我國高溫地熱資源的高效開發和利用。

2 高溫地熱資源的主要類型

目前地熱開發主要包括高溫地熱開發和中低溫地熱開發兩大部分，高溫地熱主要指的是溫度超過150℃的地熱資源，其最佳用途是發電，中溫地熱指的是溫度在90℃到150℃之間的地熱資源，其主要用途為工業熱能利用和發電，低溫地熱指的是低于90℃以下的地熱資源，一般是作為熱水或者熱能進行直接利用。

對于高溫地熱資源來說，按照工程開發可以分為熱液型地熱系統和增強型地熱系統，其中增強型地熱系統也可以稱為工程型地熱系統，兩者的主要特點體現在這樣幾個方面：

2.1 熱液型地熱系統

對于熱液型地熱系統來說，屬于地熱資源中的一種特殊形式，主要表現形式為高溫或者含有大量水蒸氣的巖層，其深度范圍一般較淺，保持在500～800m的深度范圍內。對于這類地熱資源，其開采技術較為簡單，只需要利用高溫電潛泵通過大直徑生產井來對其中的熱水和熱蒸汽進行開采，就能夠實現對這類地熱資源的利用。在世界范圍內，熱液型地熱資源的儲層較少，主要分布在構造板塊較為活躍或者板塊內部靠近板塊邊界的區域[1]。

2.2 增強型地熱資源

增強型地熱主要指的是溫度較高且埋藏較深，但是其中含水量不足或者滲透率不高的地熱資源，對于這種地熱資源來說，必須要經過地面注水處理之后才能進行開采。增強型地熱系統主要分為干熱巖和濕熱巖等兩種類型，其主要深度范圍為2000～10000m，對于干熱巖來說，其溫度保持在150～650℃之間，一般呈現出不含水和滲透率差的儲層特性。而濕熱巖的溫度通常大于150℃，構造裂縫含水量較少，滲透率較差。增強型地熱資源主要分布在大型沉積盆地的花崗巖體中。

3 高溫地熱儲層的特點

3.1 巖石硬度較大，可鉆性較差

不同類型的高溫地熱資源的儲層特點具有一定的差異，但是其共同點在于主要分布在巖石硬度較大的區域，主要表現為花崗巖、火山巖和結晶巖，這些巖石的硬度和強度比油氣儲層中砂巖的硬度要高出許多，部分地區中巖石的抗壓強度超過240MPa，在這樣的情況，很難對其進行鉆井開發。

3.2 溫度較高

對于不同類型的高溫地熱儲層來說，其溫度都超過150℃，目前我國開發的地熱資源溫度一般為200℃，日本曾經開發過一個溫度超過500℃的地熱資源，處于世界領先水平[2]。

3.3 埋深較大

對于目前商業開發利用的地熱資源埋深來說，一般都超過2800m，埋深較大，雖然熱液型地熱資源的埋深并不大，其深度范圍一般為幾百米，世界上的一些地區也可以通過鉆幾百米的深度就能夠獲得溫度較高的高溫地熱資源，但是這些高溫地熱資源都不能用于商業發電，其主要應用問題體現在這樣幾個方面：首先是地熱能不穩定，出水量和溫度變化較大，會對發電穩定性造成較大的影響。另外是由于此類地熱資源的埋深較小，高溫水在熱源處經過的路徑較短，開采出來的高溫水溫度衰減速度較快，不能用于連續發電。

3.4 非均質性強

高溫熱液型地熱資源主要分布在構造板塊活躍區，在這個區域中，地層裂縫較多，同時裂縫尺寸較大，這些區域中高溫地熱資源的埋深較深，鉆遇地質非均質性較強。

4 高溫地熱高效開發鉆井關鍵技術

4.1 高效破巖技術

高溫地熱資源儲層中巖石的硬度和強度較高，同時還具有超高溫的特點，針對這樣的儲層特點，聚晶金剛石鉆頭不能適應這樣的硬質地層，鉆進速度較慢，碳化鎢鑲齒牙輪鉆頭雖然能夠承受150℃左右的高溫，但是在溫度逐漸升高的情況下，鉆頭軸承中的橡膠密封材料就會由于高溫的影響，出現融化的現象，從而導致密封失效的現象出現，鉆井過程中的液體和巖屑會由此進入軸承腔，對軸承造成損壞，在這樣的情況，鉆頭的下鉆次數和鉆頭的更換數量將不斷增多，增加鉆進成本。針對目前鉆頭軸承橡膠密封不耐高溫的問題，可以采用新型的密封橡膠或者用金屬密封代替橡膠密封的方法來提高抗高溫能力。史密斯鉆頭公司就采用纖維增強碳氟化合物作為鉆頭軸承的密封材料，然后在其中加入潤滑油來提高抗高溫潤滑性能，這樣的鉆頭不僅能夠快速進行鉆進，同時能夠防止高溫對鉆頭軸承密封材料所造成的影響，經過相關實踐測試之后發現，這種鉆頭單次入井工作時間達到77h，在鉆進結束之后，軸承和密封裝置完好。

4.2 防漏堵漏技術

對于熱液型高溫地熱儲層來說，其中的裂縫較多，裂縫尺寸較大，為了提高地熱井的熱交換效率，鉆井井眼軌跡一般需要穿過裂縫帶，在這樣的過程中，容易發生井漏的現象，井漏現象的出現會使境地壓力降低，造成井壁坍塌和卡鉆等問題，提高鉆井工作的成本。在對高溫地熱儲層的特點進行分析之后，針對這種井漏現象，可以采取防漏堵漏技術，對于井漏現象不嚴重的情況來說，可以采取水泥砂漿進行堵漏工作，其中水泥漿需要采用耐高溫型水泥漿。對于井漏現象較為嚴重的地層來說，可以采用清水盲鉆進行多次堵漏。

4.3 耐高溫井下測量工具和儀器

高溫地熱儲層的溫度較高，在超高溫的影響下，會對井下測量工具的精度、使用壽命和傳感器功能的正常使用造成影響。目前所使用的的耐高溫井下測量儀器能夠承受175℃的溫度，在溫度不斷上升的情況下，這些電子元件仍然會受到破壞，針對這種情況，為了提高電子元件的耐熱性能，可以采用降低電子元件功耗、散熱技術、絕緣保護技術和改進電子元件封裝技術來進行解決。對于高溫環境下傳感器失效的問題來說，可以采用提升碳化硅基高溫電子元件的復雜性和集成度來進行解決，這種傳感器的電子元件可以承受300℃以上的高溫環境，實現井下的連續精密工作。

4.4 抗高溫鉆井液技術

在高溫地熱鉆進過程中，鉆井液在高溫的影響下會出現分散度較強和粘性增加的情況，影響鉆井作業的正常進

行，針對這些問題，一般可以采用甲酸鹽鉆井液來代替傳統的高密度鹽水鉆井液，以此實現鉆井液在高溫環境下的穩定性。

5 結語

在對高溫地熱儲層的類型和特點進行分析的基礎上，針對高溫地熱儲層巖石硬度高、溫度高的特點，可以對井下工具和材料進行改進，采取相關的鉆井技術，以此來實現高溫地熱的高效開發。

【參考文獻】

【1】光新軍，王敏生.高溫地熱高效開發鉆井關鍵技術[J].地質與勘探，2016，52（4）：718-724.

【2】光新軍，王敏生，思娜，等.高溫地熱高效開發鉆井技術難點及對策[C]//全國探礦工程，2015.