干熱巖鉆探關鍵技術探索

王勇軍，代娜，鄭宇軒

(山東省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊，山東 德州 253012)

全球干熱巖資源十分豐富，其蘊藏的地熱能比蒸汽型、熱水型、裂隙型地熱資源都大得多，比石油、天然氣、煤的熱能總和還要大。僅較淺層的干熱巖中就蘊藏有100億夸特的熱能(1夸特相當于1.8億桶石油)，這些能量是包括石油、天熱氣、煤在內的所有化石燃料能量的300多倍[1]。目前我國干熱巖的研究還處于初始階段，但發達國家開發干熱巖技術已被試驗證明是可行的[2]。在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》(2006—2020年)的重點領域及其優先主題中，地熱能的開發利用列入了能源領域中的可再生能源低成本規模化開發利用優先主題，干熱巖勘查開發技術攻關被列入重大科技攻關項目重點方向。2016年，國內首個干熱巖科鉆項目在福建漳州實施，隨后在青海、云南、吉林等地區實施了干熱巖鉆探項目，我國干熱巖勘探進入實鉆檢驗階段。

1 干熱巖鉆探難點分析

干熱巖鉆探相較于石油鉆探及地質鉆探的主要特點就是地層溫度高，高溫對鉆探施工的影響，最明顯是在高溫環境下常規鉆井液性能迅速惡化、甚至失效[3]，同時使孔內鉆具中的耐溫性能低的部件(如橡膠件)迅速損壞[4]；干熱巖鉆探的另一個特點就是其所鉆地層巖性主要為花崗巖，巖性堅硬、鉆進效率低[5]，并伴隨著斷層、斷裂、裂隙等地質構造，常出現鉆井液漏失和掉塊卡鉆等孔內復雜事故。

國內干熱巖鉆探施工中的難點主要有：①如何使鉆井液在高溫環境下仍有較好的性能，滿足攜帶巖屑、維護孔壁穩定需要[6]；②如何解決高溫地層的護壁堵漏問題；③如何解決花崗巖地層鉆進效率低的問題。

2 高溫鉆井液

干熱巖埋藏深度數千米，井底地層溫度可能高達200℃以上，孔內鉆井液將長期處于高溫環境，對鉆井液性能造成極其嚴重地破壞，直接影響到鉆井液的護壁、攜帶巖屑等性能，影響鉆探施工安全，增加鉆探施工成本[7]。目前國內較為成熟的抗高溫水基鉆井液體系為石油鉆井中常用三磺鉆井液及聚磺鉆井液體系，其抗溫性能基本在200℃左右[8]，但其對井隊鉆井液處理設備配置要求較高，國內地質勘探隊伍設備配置往往達不到相關要求；且其配置維護成本也較高，無法滿足干熱巖鉆探的需求。國外干熱巖鉆探中亦有超過200℃的鉆井液體系，但普遍存在固相含量難以控制、處理劑種類繁多、配置維護成本高等問題[9]，因此研究新的經濟型抗高溫鉆井液體系成為迫切需要解決的問題。

山東省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊在青海共和GR1孔鉆探施工過程中，當鉆進至3360m(測溫顯示孔底溫度206℃)，原用的聚磺鉆井液抗溫性能已不能滿足要求，現場監測鉆井液性能逐漸惡化，井口返出的鉆井液已基本不流動[10]，濾失試驗所得泥皮巨厚，孔內出現掉塊、提下鉆阻力大、下鉆孔底沉渣多等情況。山東省地質礦產勘查局第二水文地質工程地質大隊與北京探礦工程研究所合作，通過試驗測試，分析各種鉆井液材料抗溫性能，優選各種抗高溫鉆井液處理劑[11]，同時充分考慮鉆井現場實際情況和鉆井液成本，研制了耐240℃高溫水基鉆井液體系。與常規鉆井液比較，其抗溫性能好，可以在240℃高溫環境下較好地保持鉆井液的性能穩定，保證鉆井液的功效。該鉆井液在青海共和GR1孔鉆探現場進行了試驗，實鉆過程中取得了良好的效果，現場原鉆井液與耐240℃高溫水基鉆井液對比見圖1。

a—轉換前現場鉆井液狀態；b—轉換后現場鉆井液狀態圖1 現場鉆井液處理前后對比圖

現場應用的240℃高溫水基鉆井液體系配方為：淡水+2%～4%鈉膨潤土+2%～3%HPS(提粘劑)+1%～2%GJA(降失水劑)+3%～5%GCL-2(降失水劑)+1%～2%SMT(穩定劑)+0.5%～1%GDP(增粘劑)+1%～2%GHTS(高溫保護劑)+3%～5%GPA-220(根據地層情況加入)+消泡劑(視返出鉆井液情況確定)+重晶石(根據地層壓力確定)。

GR1孔在將現場原鉆井液轉化為240℃高溫水基鉆井液體系后，至終孔(孔底溫度236℃)鉆井液性能穩定，未出現因鉆井液因素導致的孔內復雜情況，滿足了鉆探施工的需要，根據現場檢測到的鉆井液性能統計，鉆探施工過程中鉆井液性能如下：粘度48～70s、密度1.2～1.25g/mL、API濾失量8～15/30min、泥餅厚度0.6～1mm。后期進行鉆井液使用成本統計得出，該鉆井液的配制維護成本為145元/m，與常規聚合物鉆井液使用成本相差不大(大多在120元/m左右)，考慮其良好的抗高溫性能，此高溫鉆井液使用成本是可以接受的。目前該鉆井液配方已由北京探礦工程研究所申請專利。

3 花崗巖快速鉆進

現階段國內干熱巖項目大多為國家地勘基金投入的勘探項目，在目前國內地勘形勢下，項目預算大多較少，且干熱巖勘探項目大多在一些以前沒有進行過地質鉆探的新地區，而干熱巖鉆探為滿足相關實驗測試及后期開發利用的需要，孔徑設計較大，通常使用大口徑的石油鉆機，設備能耗、材料消耗及人員成本均較高，因此必須提高干熱巖鉆進效率，進而降低干熱巖鉆探施工成本。根據以往在堅硬、研磨性強的花崗巖地層施工經驗來看，鉆進效率普遍較低，如某地勘隊伍在山東省利津干熱巖鉆探中統計的花崗巖地層鉆進效率僅為0.56m/h，鉆探效率低、施工成本高，已成為現階段制約國內干熱巖勘探的一個難題。根據其他鉆探行業在大口徑硬巖地層中的鉆探經驗，認為使用孔底動力鉆具復合鉆進是提高鉆進效率的有效途徑[12]，結合干熱巖鉆探中地層溫度較高的特點，因此，使用耐高溫的孔底動力鉆具，可以有效提高干熱巖鉆探效率，促進干熱巖勘探的發展。鉆探施工中常用的孔底動力鉆具有螺桿鉆具和渦輪鉆具。

3.1 螺桿鉆具復合鉆進

螺桿鉆具復合鉆進是采用轉盤低速驅動+孔底螺桿鉆具聯合驅動的一種復合鉆進方式，其中螺桿鉆具把鉆井液壓力能轉為機械能，驅動鉆頭回轉，增加鉆頭回轉速度，從而提高鉆進速度，同時螺桿鉆具直接帶動孔底鉆頭回轉，螺桿鉆具復合鉆進時螺桿以上鉆具回轉速度很慢，與常規鉆探相比，鉆桿磨損大幅度下降。螺桿鉆具是一種容積式馬達，高壓鉆井液經帶有螺旋表面的轉子和定子形成的若干密封腔，使轉子旋轉帶動鉆頭破碎巖石。常規螺桿鉆具具有低速大扭矩的硬特性，過載能力強，易操作、結構較簡單，在小尺寸時能得到大的扭矩和功率，有橫向振動，對油基鉆井液敏感，不適應在高密度鉆井液中工作，普通螺桿鉆具中橡膠定子耐高溫性差[13]。

山東省地質礦產勘查局第二水文地質工程地質大隊在深部地熱科學鉆探HRD-ZK01孔和青海省共和地區干熱巖資源勘查GR1孔均采用了螺桿鉆具復合鉆進來提高鉆進速度，深部地熱科學鉆探HRD-ZK01孔由于溫度不高，一直采用普通螺桿鉆具，青海省共和地區干熱巖資源勘查GR1孔由于地層溫度較高，普通螺桿鉆具無法使用，為滿足高溫鉆井的需求，使用2種耐高溫螺桿代替普通螺桿，通過對鉆探施工中相關數據統計分析，發現對比常規回轉鉆進，螺桿鉆具復合鉆進效率提高明顯，相關數據統計見表1、表2。

表1 青海共和干熱巖GR1井螺桿復合鉆進數據統計

表2 深部地熱科學鉆探HRD-ZK01孔

現場應用表明螺桿鉆具復合鉆進的鉆進效率明顯提高，鉆進時鉆柱回轉速度較慢，鉆具磨損情況明顯減輕，解決了干熱巖鉆探過程中鉆具磨損嚴重的問題，綜合分析螺桿鉆具使用壽命及其使用成本，經濟效益明顯。但現階段國內研制的螺桿鉆具抗溫性能最高為180℃，雖能滿足干熱巖鉆探大多數情況的需要，但在干熱巖鉆探中經常會鉆遇超過200℃的巖層，因此螺桿鉆具的抗溫能力仍需進一步提高。

3.2 渦輪鉆具復合鉆進

渦輪鉆具與螺桿鉆具的不同點在于沒有橡膠構件，因此其耐高溫能力較強，能夠滿足干熱巖鉆探過程中鉆進高溫巖層的需要，螺桿鉆具復合鉆進是采用轉盤低速驅動+孔底渦輪鉆具聯合驅動的一種復合鉆進方式[14]。從20世紀50年代開始,渦輪鉆井技術已成為俄羅斯石油鉆井的基本方法,采用高速牙輪鉆頭，配合渦輪鉆具，鉆井的機械鉆效比轉盤鉆井提高了3～5倍，節約鉆井成本20%～30%[15]。我國20世紀50年代從前蘇聯引進渦輪鉆具生產技術，80年代初中國核工業部研制成功世界上最小直徑(52mm)的HD-52型渦輪鉆具，并成功地用于固體礦產鉆探工程[16]，中華人民共和國能源部于1991年發布了《渦輪鉆具標準》(SY/T5401-1991)。目前國內生產的適用于大口徑硬巖地層的低速渦輪鉆具大多還處于科研階段，技術還不成熟，實際鉆探施工過程中應用較少，渦輪鉆具復合鉆進工藝技術亦未進行過深入地研究和探索。山東省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊在深部地熱科學鉆探HRD-ZK01孔和青海省共和地區干熱巖資源勘查GR1孔中采用了北京探礦工程研究所新研制的渦輪鉆具，取得了不錯的效果，渦輪鉆進在取芯鉆進中的相關數據統計如表3所示。

實際使用中發現，渦輪鉆具的輸出功率與流量、渦輪結構參數、鉆井液密度等有關[17]，在渦輪鉆具帶來的高轉速條件下，鉆頭使用壽命明顯縮短，使用成本增加，但鉆探綜合效益有一定的提高。國產渦輪鉆具有待進一步研發，同時需要進一步探索渦輪工藝，根據特性正確選擇、合理使用渦輪鉆具，優選匹配鉆頭和鉆井參數，以獲得較高的鉆探效益。

表3 渦輪取芯鉆進數據統計

4 高溫護壁堵漏

干熱巖鉆探過程中常會鉆遇破碎、裂隙發育等復雜地層，同時孔內高溫巖層在圍巖壓力改變后亦會發生裂變破碎，且干熱巖鉆探中一般孔深較深，這就要求封堵材料必須具有良好的抗溫性能、封堵性能及承壓能力[18]。在以往的干熱鉆探中，常有地層漏失，孔壁失穩的復雜情況發生，山東省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊在青海共和GR1孔鉆進至2600m后地層復雜，鉆遇多個破碎帶，施工過程中坍塌、掉塊現象明顯(圖2—圖4)，且伴有漏失的情況，起下鉆阻力大，下鉆通常需要較長時間掃孔，急需提高鉆井液護壁堵漏性能。

圖2 風化的花崗巖巖芯

圖3 破碎的花崗巖巖芯

圖4 鉆進過程中帶出的大塊巖屑

通過現場技術人員綜合分析，并會同北京探礦工程研究所相關技術人員及專家進行研究，通過對各種抗高溫封堵材料進行試驗測試優選[19]，聯合研制了GPA-220抗高溫封堵劑，現場應用的高溫封堵劑具體配方為：325目碳酸鈣粉末+200目礦物纖維MF-1+礦物纖維MF-2(纖維長度1～5mm)+10～60目橡膠顆粒TXJ+100目天津瀝青粉+聚合物降濾失劑GSP-2+褐煤樹脂SPNH+高溫保護劑GHTS。

鉆探施工中在鉆井液中加入了抗高溫封堵劑，漏失問題得到解決，掉塊坍塌情況有一定好轉，鉆井性能得到一定程度的改善。在將鉆井液體系轉變為耐高溫水基鉆井液體系，并配合添加抗高溫封堵劑后，井壁逐漸穩定，起下鉆阻力逐漸減小，下鉆掃孔時間越來越短，直至終孔未發生嚴重的漏失及掉塊卡鉆事故，起下鉆井眼通暢，抗高溫封堵劑護壁堵漏效果明顯。

5 結論

(1)鉆井液是鉆井工程的血液，是攜帶巖屑，保持孔底干凈，維護孔壁穩定的關鍵因素[20]，常規鉆井液在高溫條件下性能急速惡化，不能滿足干熱巖鉆探安全鉆進的需要，還需加大抗高溫鉆井液的配方研究工作，逐步優化，同時加強抗高溫鉆井液應用維護的探索，形成一套抗高溫鉆井液應用管理體系。

(2)在干熱巖鉆探過程中，普通封堵劑在高溫條件下難以保證其功效，抗高溫封堵劑在干熱巖鉆探過程中十分重要，是保證井壁穩定、處理井漏的關鍵。目前對這方面的研究還較少，需進一步加強高溫護壁堵漏材料的研制，優化配方，探索現場使用維護技術方法，形成一套抗高溫護壁堵漏工藝技術，為高溫巖層安全順利鉆進提供保障。

(3)轉盤回轉+孔底動力鉆具復合鉆進，可以有效提高硬巖地層鉆進速度，在干熱巖鉆探中要加大推廣應用。現階段國內螺桿鉆具發展已較為成熟，技術工藝已形成體系，但在高溫條件下，螺桿鉆具有一定的局限性，其橡膠構件存在抗溫極限，因此還需加強對橡膠構件抗溫性能的研究。渦輪鉆具因無橡膠構件，具有很好的抗高溫性能，但目前國內對渦輪鉆具及其鉆進工藝的研究較少，應繼續加強有關研究工作，探索渦輪鉆具鉆進工藝技術，形成體系，使之應用于更多的干熱巖鉆探施工中，提高干熱巖鉆探效率。