干熱巖鉆井液技術新進展

梁文利

（中石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術服務公司，武漢430072）

干熱巖是指地層深處3 000～10 000 m 范圍內普遍存在的沒有或僅有少量流體、致密不滲透的熱巖體，巖體溫度一般在150～650 ℃ 之間，呈干熱狀態，是一種清潔、可再生的綠色資源?？茖W估算，中國干熱巖蘊含能量約為 2.09 ×1035J，合 7.15×1014t 標準煤。干熱巖可用于發電和供暖，一般采用井網壓裂和 U 形井等方式，通過注水井將高壓水注入干熱巖層，充分吸收地層熱量后，將高溫水和蒸汽通過生產井采出，經過熱交換及地面循環裝置處理后，將冷卻水再次注入地下，如此循環流動，實現干熱巖的熱量開發。整個過程安全環保，基本不產生 CO2、粉塵顆粒和污水等廢物，因此干熱巖地熱資源具有廣闊的開發利用前景。目前，鉆井仍是干熱巖勘探開發的唯一手段，在鉆井過程中，高溫高壓的極端惡劣環境給井下工具和鉆井液體系提出了嚴峻考驗。分析了干熱巖鉆井施工的地質和鉆井液技術難點，調研了干熱巖鉆井液技術及現場應用情況[1-15]。

1 干熱巖地層鉆井技術特點及難點

1.1 鉆井技術特點

1）干熱巖地層為片麻巖或花崗巖，硬度大，研磨性高，可鉆性差，單軸抗壓強度達到 200 MPa以上。

2）鉆進巖層溫度高，一般在150～250 ℃。

3）鉆進深度大，一般在3 000 m以上，中國內陸多在 5 000 m 左右才能獲得較高的地溫，井底形成高溫高壓。

4）井壁圍巖穩定性差。由于在高溫高壓且深度較大的巖體中鉆進，鉆進過程中，井壁圍巖在高溫高壓的情況下遇到低溫沖洗液時，極易產生熱破裂及井壁坍塌擴徑。

5）有的鉆井裂隙和斷層較為發育，容易產生嚴重的井漏現象。

6）上覆地層的不同特點也是影響鉆井技術的重要因素。

1.2 鉆井技術難點

1）鉆井環境溫度高，鉆井井下工具和鉆井液體系的性能和壽命受到很大限制。國外普遍認為，溫度在 350 ℃以上的干熱巖儲層才具有開發價值。在高溫環境中，鉆井液及處理劑容易降解失效，難以發揮正常的循環、護壁和攜巖等功能；隨鉆測量儀器的測量精度和可靠性極易受到高溫影響，定向螺桿的橡膠部件難以發揮密封作用，直接影響井眼軌跡控制；完井套管的耐高溫腐蝕性和水泥漿的穩定性受到影響，固井質量難以滿足后期水力壓裂開發的要求。

2）地層發育裂隙和斷層，井漏現象較為嚴重。深井和超深井鉆穿多套壓力系統，鉆井液密度難以選擇和控制，本身井漏問題就很突出，加之干熱巖地層發育有較多的裂縫、裂隙和斷層，更增加了井漏的風險，提高了高溫高壓條件下防漏和堵漏的難度。如在西藏羊八井ZK201井鉆井過程中，從井深幾十米幾乎漏到井底。

3）井壁圍巖穩定性差。在鉆井過程中，井壁圍巖受到溫度場、滲流場和應力場的多場耦合作用，井壁熱破裂現象明顯，形成大量裂紋，巖石強度明顯降低，極易造成掉塊、卡鉆和憋鉆。

2 干熱巖鉆井液技術關鍵

鉆井液是深井鉆井成敗的關鍵因素之一，鉆井過程中，鉆井液的作用主要是攜帶和懸浮巖屑、穩定井壁和平衡地層壓力、冷卻和潤滑鉆頭及傳遞水動力。高溫巖體地熱井對所用的鉆井液要求更高，高溫鉆井液除要能保持井眼的穩定性和有效攜帶巖屑外，還必須具有良好的抗高溫性能[16-24]。

2.1 鉆井液的性能對井壁圍巖穩定性的影響

1） 鉆井液引起的溫度擾動對井壁圍巖穩定的影響。鉆井液從井口到井底的過程中，雖然被逐漸加熱，但其溫度始終低于目的層的溫度。在實際地層條件下，鉆井過程中井壁地層受到鉆井液的冷卻作用，由于井壁巖石中各種礦物熱脹冷縮性質不一致，拉伸熱應力還會導致井壁產生微裂紋，所以冷卻產生的拉伸熱應力一方面使井壁周向應力和軸向應力降低，另一方面產生微裂紋，從而導致破裂壓力降低。

2）鉆井液對井壁圍巖穩定性影響的應對措施。在配制鉆井液的同時要精確計算鉆井液的密度，有效平衡地應力與熱應力。鉆井液高溫濾失量必須控制在一定范圍內，減小液體向井壁巖石的滲透，保證井壁的穩定性。

3）低壓地層井壁穩定。干熱巖體鉆遇變質巖或結晶巖，會有大量破碎地層，易發生坍塌、掉塊等孔壁不穩定現象。

2.2 抗高溫鉆井液體系技術關鍵

1）抗高溫問題。高溫作用下，鉆井液的黏土顆粒分散度增強，溫度越高，分散性越強，從而引起鉆井液增稠，流動性較差，高溫高壓濾失量增加。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，減弱其抗污染能力，可能會導致鉆井液性能惡化。另一方面，高溫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，使得整個鉆井液體系變成凝膠，失去流動性。

2）堵漏問題。鉆井液漏失問題在國外干熱巖鉆探施工中比較常見，中國針對高溫堵漏材料的研究較少。

3 干熱巖鉆井液技術及現場應用情況

3.1 充氣泡沫鉆井液[3]

充氣泡沫鉆井液技術由西藏地礦局地熱地質大隊施工，應用于羊八井和拉多崗地熱田鉆井中，解決熱田低壓地層漏失的平衡鉆進問題，護壁防坍塌、防漏失、治漏排砂，獲取砂樣，處理復雜地層的鉆進，進一步探索泡沫鉆井液的抗溫能力與其它性能變化情況，收集各類數據，有待深層次的探討與研究。

充氣泡沫鉆井液配方如下。

8%膨潤土+6%Na2CO3+0.1%NaOH+（0.015%～0.15%）CMC，或者

4%NV-1+0.15%CMC+（0.01%～0.015%）PHP+（0.01%～0.02%）DF-1

充氣泡沫鉆井液密度為0.50～0.95 g/cm3，漏斗黏度為 25～30 s，濾失量為（8～12） mL/（30 min），含砂量小于4%。

拉多崗熱田ZK206井400 m以上井段使用普通鉆井液，密度在1.15 g/cm3左右出現井漏，地層有0.20～0.25 m的裂縫存在，漏失嚴重，采用多種方法堵漏，收效甚微。在400 m以下井段換用充氣泡沫鉆井液鉆進，治住了多點井段的漏失。

泡沫鉆井液應用于羊八井熱田水ZK4002井井深800 m以上井段中，抗溫性能較好，鉆進效率高。鉆進中遇到斷裂帶，鉆井液發生嚴重漏失，漏速為80～100 m3/h，將泡沫鉆井液密度調至0.87 g/cm3時仍有進無出，采用常規材料和方法堵漏未見效。在鉆井液材料不足和其它條件限制的情況下，被迫換用清水頂漏鉆進穿過漏層，下套管封堵漏層止住井漏，采用普通鉆井液鉆至終孔，完井深度為2 006.80 m，初測井底溫度為262.03 ℃。

3.2 利用液氮進行干熱巖鉆井[4]

中國石油大學（北京）發明了采用液氮作為鉆井液進行干熱巖鉆井，通過液氮的低溫作用在干熱巖表面產生拉伸應力，誘導微裂縫的萌生和擴展，從而降低干熱巖的強度，提高鉆頭的破巖效率。液氮在井底氣化后氮氣從環空上返，并將破巖形成的巖屑攜帶至地面。該方法將液氮的冷沖擊作用和氮氣欠平衡鉆井的優勢相結合，可大幅提高干熱巖鉆井的機械鉆速，并可有效地解決干熱巖鉆井中的井漏問題，極大地降低干熱巖鉆井成本。

液氮是一種無色無味、溫度極低的流體，其與儲層巖石接觸時導致巖石表面溫度驟降，引起巖石顆粒收縮并產生拉伸應力，當拉應力超過巖石的強度時可誘發微裂隙的萌生或者原生裂隙的擴展。高壓液氮從鉆頭噴嘴噴出形成液氮射流，與鉆頭切削齒進行水力-機械聯合破巖。井底巖石在液氮的低溫作用下產生微裂縫，強度降低，可提高切削齒的切削效率。此外，液氮在井底快速氣化變為氮氣，使得井底巖石處于局部欠平衡的應力狀態，進一步降低破巖的門限壓力。液氮氣化后，氮氣經由環空上返攜巖，達到氮氣氣體鉆井的效果，因而可有效解決井漏問題。

3.3 干熱巖用水基鉆井液[5]

中石化集團新星石油有限責任公司發明了一種干熱巖鉆井液，主要是通過在鉆井液中添加高溫護膠劑及高溫穩定劑，使得水基鉆井液的抗溫能力達到260 ℃，滿足超高溫井的作業要求。其配方如下。

0.3 %NaOH+5%海泡石+5%無機增黏劑+2%高溫護膠劑+3%高溫降濾失劑+5%白油+1%乳化劑（單硬脂酸甘油酯：失水山梨醇月桂酸酯=1∶1.3）+2%高溫穩定劑+17%加重劑

其中無機增黏劑為蒙脫石經過十二烷基三甲基嗅化銨處理后形成的疏水改性增黏劑，高溫護膠劑為AM、AMPS、AOBS、AA的四元共聚物。鉆井液體系性能見表1。

表1 干熱巖用水基鉆井液在不同溫度下老化后的性能

3.4 高溫干熱巖沖洗液技術[6]

青海省環境地質勘查局906地質工程公司研制了一種干熱巖沖洗液：包括常溫井段沖洗液和高溫井段沖洗液，其常溫井段沖洗液包括：膨潤土、純堿、水解聚丙烯酰胺和水解聚丙烯腈干粉；高溫井段沖洗液包括：膨潤土漿、聚丙烯酸鉀、液體潤滑劑、磺化褐煤、磺化酚醛樹脂、高溫抗鹽降濾失劑、防塌潤滑劑和降黏降濾失劑。該鉆井液體系抗溫能力可達200～250 ℃，可以增加鉆探效率，減少鉆探事故的發生。其配方如下。

（50～70） kg/m3膨潤土漿 +0.5 kg/m3聚丙烯酸鉀+0.1 kg/m3液體潤滑劑+（10～50） kg/m3磺化褐煤 +（30～50） kg/m3磺化酚醛樹脂 +30 kg/m3高溫抗鹽降濾失劑+（30～40） kg/m3防塌潤滑劑+（20～30） kg/m3降黏降濾失劑

該高溫干熱巖沖洗液體系的固相含量不大于4%，密度不高于1.06 g/cm3，漏斗黏度為17～21 s，API濾失量不高于15 mL，泥餅厚度不大于1 mm，含砂量不大于1%，pH值為7.5～8.5。

3.5 干熱巖抗高溫鉆井液體系[7]

成都理工大學能源學院與西南石油工程公司聯合研制了一種抗溫性能達到260 ℃的高溫水基鉆井液；主要通過研制的高溫護膠劑保持鉆井液體系中各種膠粒的穩定，配合相應的高溫降濾失劑和高溫封堵劑等其它配伍性處理劑的協同增效作用，來提高鉆井液的抗溫性能。抗高溫護膠劑分子中各原子或原子團以C—C、C—S、C—N等熱穩定性較高的化學鍵連接，主鏈上帶有對黏土粒子有較強吸附能力的陽離子基團和強水化的各種基團，控制其相對分子量在適當范圍，確保在使用濃度范圍內對鉆井液黏度影響小，保證鉆井液的流變性良好。鉆井液配方如下，性能見表2。

2%膨潤土漿+0.2%NaOH+2%高溫護膠劑HDC+3%磺化瀝青+3%SPNH+3%SMP-2+2%聚合醇+3%KCl+2%潤滑劑+重晶石（加重至1.30 g/cm3）

表2 不同老化溫度后干熱巖抗高溫鉆井液體系的性能

3.6 高溫泡沫鉆井液體系[8-9]

國內外解決超深井抗高溫難題的一種鉆井液體系為高溫泡沫鉆井液體系。在配制和維護過程中，通過抗高溫發泡劑和抗高溫保護劑，提高泡沫在高溫條件下的穩定性，采用常規泡沫鉆井技術實現高效鉆進。中國石油集團長城鉆探公司曾采用高溫泡沫鉆井液技術在肯尼亞OLKARIA區塊鉆成一口地熱井，地層溫度高達350 ℃。

空氣泡沫鉆井液是在清水中加入適量的發泡劑作為泡沫基液，根據井深和地層漏失情況在泡沫基液中充入一定量的空氣，泡沫質量系數為0.55，優點為：低密度，高黏度，密度可以達到0.036～0.424 g/cm3，具有防漏堵漏和良好的井眼清潔作用。在形成的泡沫基液中，加入抗高溫保護劑，提高發泡劑的抗溫能力，抗溫極限從180 ℃提高到240 ℃，滿足現場施工要求。

3.7 地熱鉆井用水基鉆井液

長春地質學校修憲民[6]研究成果認為環境溫度在100～180 ℃時，地熱井水基鉆井液中膨潤土的加量應控制在3%～8%（V/V）。環境溫度在200 ℃以上時，用海泡石配制鉆井液，可提高其高溫穩定性。推薦使用的2套地熱井水基鉆井液體系配方[10]。

1）淡水鉆井液和低礦化度鉆井液體系（Cr-SMC、表面活性劑、淡水膨潤土鉆井液體系）膨潤土含量為4%～7%，SMC用量為3%～10%，pH值為9～11。表面活性劑和混油使用情況：As：0.1%～0.5%，SP-80：0.1%～0.5%，OP-10：0.1%～0.5%，柴油為10%。

2）高礦化度鹽水鉆井液體系（Cr-SMP-1-SMC高礦化度鹽水鉆井液）的抗鹽、抗高溫性能好。Cl-含量為1×105mg/L、Ca2+含量為4 000 mg/L的介質配制的鉆井液，在200 ℃環境中鉆井液性能穩定。鉆井液配方如下。

（3%～10%）SMP-1+（5%～10%）SMC+（0.1%～0.2%）紅礬（用NaOH將pH值調整到9～10）

3.8 抗高溫造漿材料選擇

地礦部探礦工程研究所湯松然等人[11]認為：非熱儲層井段，造漿土可選用造漿性能良好并符合API標準的NV-1人工鈉土，用HPAN 93等作抗高溫處理劑，即可滿足鉆井要求。對于熱儲層段，采用抗高溫性能好又可酸溶的海泡石作造漿材料，鉆井液處理劑可選用SMC、SMP、HPAN 93等，可用于高溫鉆井。

鉆井液性能指標：①非熱儲層高溫井段：180 ℃滾動16 h后，表觀黏度為25～30 mPa·s，API濾失量在15 mL以下，HTHP（180 ℃、3.45 MPa）濾失量小于40 mL。②熱儲層井段：220 ℃滾動16 h后，密度在1.030～1.400 kg/cm3之間可調，表觀黏度為15～30 mPa·s，API濾失量在15 mL以下，HTHP（220 ℃，3.45 MPa）濾失量小于 50 mL，固相酸溶率不小于50%。

3.9 水敏性地層地熱井鉆井液技術

山東省魯北地質工程勘察院科研人員研究認為：水敏性地層對鉆井液的總體要求是：低濾失量、適當的黏度、 適當的密度、適當的pH 值、較強的抑制性和能形成較好的泥皮護壁，另外還要求鉆井液具有較好的流變性能，合理的流態。為了保證鉆井液的性能、滿足鉆進的需要，應選用優質黏土造漿，同時選用合理處理劑調節鉆井液的性能；此外還要加強地面除砂工作，控制鉆井液中固相含量，強化鉆井液質量管理。水敏性地層鉆井液的調節大致可總結為“兩個控制一個調節”，兩個控制是：盡量降低鉆井液的濾失量，減輕對地層的水化作用；對鉆井液—地層系統壓力平衡的控制，要盡量使用平衡壓力鉆進；調節鉆井液的流速及流態，以適合不同地層條件的要求[12-13]。

山東省某井隊在河北霸州某地熱井施工中使用磺化瀝青、CMC、水解聚丙烯腈銨鹽、腐植酸鉀、聚丙烯酸鉀配制鉆井液，成功穿越了寒武系厚層泥頁巖地層。三開鉆進至井深2 450 m 時，上返巖屑增多，上提鉆具有阻力，根據上返巖屑判斷井壁出現了崩塌。現場分析井壁崩塌的原因是，泥頁巖吸水膨脹剝落，從而使井壁發生崩塌。鉆井液配方：1%磺化瀝青 +0.5%CMC+1%KHm+0.3%聚丙烯酸鉀 +0.1%燒堿。調節后鉆井液漏斗黏度為23 s，密度為 1.18 g/cm3，濾失量為 7 mL/（30 min），pH 值為 9，泥餅厚度為0.8 mm。調整鉆井液性能參數后 ，順利穿過近200 m厚的泥頁巖地層。

山東某井隊在江蘇某地熱井施工中采用聚丙烯酰胺 -腐植酸鉀鉆井液成功穿越了二疊系含煤泥頁巖地層。2%KHm、0.5%高分子量（500×104）水解度 30%的聚丙烯酰胺 、0.4%水解度60%低分子量聚丙烯酰胺、 0.3%水解聚丙烯腈、0.5%CMC、0.2%燒堿。調節后鉆井液密度為1.21 g/cm3，黏度為32 s（蘇式），濾失量為3.5 mL/30 min，pH值為8.5，泥餅厚度 1.0 mm。 調整鉆井液性能參數后，順利穿過厚達 100 m 的煤泥巖地層。腐植酸鉀在煤泥巖地層具有較好的防塌抑制性，同時聚丙烯酰胺具有良好的護壁作用，鉆井液防塌護壁效果較好。

3.1 0 貴州地熱井鉆井堵漏技術

1）瞬間堵漏劑+水泥球堵漏技術特點。將瞬間堵漏劑和水泥按一定配比拌合均勻，加適量水拌合后裝入袋中，投入井內至漏層，下鉆具擠壓將球袋破壞和堵漏物一起擠入漏失通道（裂縫），混合堵漏物在裂縫口附近與裂縫壁固結為一體而封閉漏失通道。水灰比應控制在 0.35～0.40，水泥球直徑應小于漏層井段井徑的1/3；應按批量將一次性瞬間堵漏劑和水泥球拌合均勻后再加水，避免濾失時間長，在鉆具擠壓前初凝，而影響擠壓效果；在水泥混合球投入井內后即下鉆擠壓，使堵漏混合物擠入巖層裂縫，在裂縫中固結而封閉漏失通道。

2）堵漏效果。遵義中部地熱資源整CK4、CK4-2、CK5等井，貴安新區地熱水資源勘查CK1、CK2井，遵義忠莊地熱資源勘探DR1井，采用瞬間堵漏劑+水泥球+稻草節堵漏方法，堵漏效果均是成功的，且待凝時間較短，減少了停待時間，有利于鉆井周期的大幅度降低[14-15]。

3.1 1 國外采用的地熱井鉆井液及固井技術

大多數地熱井鉆井液都是淡水和膨潤土的簡單混合物，也可加入聚合物。充氣鉆井液或者充氣液，通常是將空氣加入到液體中使其密度變小，但有時因為腐蝕嚴重會使用氮氣；在漏失嚴重的地層，廣泛使用充氣鉆井液。20世紀 70 年代早期充氣鉆井液就在國際上得到廣泛使用，并顯示出諸多優勢。使用空氣鉆進也相對常見，因為它的機械鉆速高于鉆井液或充氣鉆井液。有時采用清水或無固相鉆井液也是相當可取的，特別在生產地層，傳統的鉆井液會對儲層造成傷害。通常在漏失嚴重的地層也會使用這種方式，但這會導致水泥套管固井變得復雜，因此需要特殊的水泥固井技術，例如泡沫水泥技術或沖洗回填技術。無液體上返需要大量的水供應，在缺水地區無法實現，但是，這種技術在印度尼西亞、新西蘭、菲律賓、冰島和墨西哥等地區成功應用。

4 干熱巖鉆井液技術發展建議

目前中國研究的高溫鉆井液的抗溫性能不超過260 ℃，對抗高溫的處理劑及體系的研究還很少，干熱巖預計孔底溫度會達150～650 ℃，面臨著超高溫問題，有待開展耐高溫鉆井液技術研究，主要有以下幾個方面：①高溫處理劑的研制，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高溫鉆井液體系的研究，包括高溫高密度鉆井液體系、高溫泡沫鉆井液體系、高溫油基鉆井液體系等；③高溫檢測儀器的研究，包括高溫高壓流變儀、高溫高壓濾失儀、高溫高壓頁巖膨脹量測定儀、高溫堵漏儀、高溫潤滑儀等；④高溫鉆井液地表冷卻系統研究，例如冷卻塔、冷凍房等。

5 結束語

目前，國內外干熱巖鉆井液體系朝著地層傷害小、環境友好型的方向發展，并不斷提高其抗溫能力，已形成門類齊全、 適用于各種地層和環境條件下的干熱巖鉆井液體系，并得到廣泛應用。而中國在油氣田干熱巖鉆井液體系和環境保護方面研究和應用還處在起步階段。 各個科研院所開發的成果也只是在小范圍應用。因此，參照國外的經驗，應該加強抗高溫環保型干熱巖鉆井液體系的系統研究和推廣應用工作。