干熱巖用耐高溫鉆井液關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展

單文軍， 陶士先， 蔣 睿， 李艷寧

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

干熱巖(HDR)是一種內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的熱巖體，主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類，埋藏于距地表2～6 km的深處，其溫度在150～350 ℃。較常見的巖石有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖等。目前主要是用來提取巖體內(nèi)部的熱量，其主要工業(yè)指標(biāo)是巖體內(nèi)部的溫度，是未來一種可再生的清潔的新能源。國(guó)內(nèi)對(duì)干熱巖的勘查開發(fā)利用目前尚處于起步和探索階段，近年來國(guó)土資源部、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局出臺(tái)了一系列支持地?zé)?、干熱巖等清潔能源開發(fā)利用的政策，將有力地促進(jìn)干熱巖清潔能源的開發(fā)利用。

1 干熱巖耐高溫鉆井液關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

1.1 抗溫問題

1.1.1 高溫對(duì)鉆井液中膨潤(rùn)土的作用

(1)高溫分散。在高溫作用條件下，鉆井液的膨潤(rùn)土顆粒分散度增強(qiáng)，即水化分散，溫度越高分散性越強(qiáng)，從而引起鉆井液增稠，流動(dòng)性較差，高溫高壓(HTHP)失水量增加。

(2)高溫聚結(jié)作用。鈉基膨潤(rùn)土在高溫作用條件下，高度分散的膨潤(rùn)土顆粒降低分散的趨勢(shì)，從而促進(jìn)粘土顆粒端-面和端-端結(jié)合形成卡片房子結(jié)構(gòu)，使得靜切力和動(dòng)切力增加，進(jìn)一步促使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的密度和強(qiáng)度增強(qiáng)。

1.1.2 高溫對(duì)鉆井液中有機(jī)處理劑的作用

(1)高溫條件下有機(jī)處理劑氧化降解。

高溫對(duì)鉆井液有機(jī)處理劑最主要的作用是一方面會(huì)使有機(jī)處理劑分子鏈發(fā)生斷裂，降低高分子處理劑的相對(duì)分子質(zhì)量，使其失去原有的特性，同時(shí)降低處理劑的親水性，減弱其抗污染能力，可能會(huì)導(dǎo)致鉆井液性能惡化；另一方面會(huì)使處理劑分子中不飽和鍵和活性基團(tuán)之間發(fā)生各種反應(yīng)，發(fā)生高溫交聯(lián)，使得整個(gè)鉆井液體系變成凝膠，失去流動(dòng)性。抗高溫降濾失劑，由于存在C-O-C、C-C、C-N、C-S-等化學(xué)鍵而極易在高溫條件下氧化分解，目前解決的辦法主要是適用抗高溫氧化劑。

(2)高溫條件下有機(jī)處理劑交聯(lián)。

有機(jī)處理劑分子中存在發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的不飽和化學(xué)鍵和活性基團(tuán)，在高溫下容易發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而使分子量增大，失去處理劑原有的性能，造成鉆井液性能難以控制。室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可看出，適當(dāng)交聯(lián)有助于改善高溫鉆井液的性能，通常表現(xiàn)為高溫后粘度、切力、濾失量降低，例如：磺化褐煤和磺化酚醛樹脂復(fù)配使用時(shí)降濾失效果較好。但是如果交聯(lián)過度，易于形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鉆井液性能嚴(yán)重破壞，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)體系變成凝膠，喪失流動(dòng)性。

(3)高溫條件下有機(jī)處理劑去水化。

高溫對(duì)水分子和處理劑的親水基團(tuán)之間的氫鍵有很強(qiáng)的破壞作用，極易導(dǎo)致高溫處理劑水溶性下降，從而導(dǎo)致失去處理劑原有的性能。常規(guī)的解決辦法：一是用高溫穩(wěn)定劑，增加聚合物分子的親水基團(tuán)親水性，從而提高有機(jī)處理劑的抗溫能力；二是增強(qiáng)高溫處理劑的親水性能，引入較強(qiáng)的親水基，親水基團(tuán)越多，其抗溫抗鹽能力越強(qiáng)。如磺酸基、磺甲基等基團(tuán)。

1.2 沉降穩(wěn)定性

高溫高密度鉆井液體系屬于較稠的膠體懸浮體系，具有自身固相含量大、顆粒分散度高、自由水量少、鉆屑侵入和積累不易清除等特點(diǎn)，使得高密度鉆井液流變性和穩(wěn)定性較差。高密度高溫導(dǎo)致膨潤(rùn)土含量難以確定，存在高溫增稠及減稠的雙重危險(xiǎn)，從而影響體系的流變性和沉降穩(wěn)定性。存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)就是高溫鉆井液懸浮穩(wěn)定性不好，導(dǎo)致重晶石沉降嚴(yán)重，上部密度過低，易發(fā)生坍塌、掉塊，底部密度局部變高，易壓漏地層。

1.3 起泡問題

隨著井深增加，地層中可溶性鹽類(HCO3-、CO32-、H2S)及氣井中的烴類氣體溢出，會(huì)不斷污染高溫鉆井液。同時(shí)為了解決深井高溫問題，降濾失、泥皮質(zhì)量及抗污染等問題需要使用大量的磺化類的材料，易在高溫環(huán)境下生成SO、CO等氣體，造成鉆井液中泡沫較多，使鉆井液起泡嚴(yán)重，鉆井液泵上水率差，不能正常鉆進(jìn)。由于鉆井液中存在大量的泡沫，鉆井液密度降低，易導(dǎo)致井眼垮塌，造成井下復(fù)雜事故。

1.4 井壁穩(wěn)定

干熱巖體鉆遇變質(zhì)巖或結(jié)晶巖，會(huì)有大量破碎地層，易發(fā)生坍塌、掉塊等孔壁不穩(wěn)定現(xiàn)象。井壁失穩(wěn)主要由兩方面的原因引起：一是鉆井液密度過低,鉆井液液柱壓力難于支撐力學(xué)不穩(wěn)定的地層；二是鉆井液液柱壓力高于地層孔隙應(yīng)力,驅(qū)使鉆井液濾液(濾失量)進(jìn)入泥頁巖孔隙,產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng)，井壁穩(wěn)定強(qiáng)度降低。

1.5 漏失

干熱巖上部地層通常為沉積巖，下部為火山巖，變質(zhì)巖或結(jié)晶巖，存在大量破碎地層，易發(fā)生漏失、坍塌、掉塊等復(fù)雜情況。如OR-POWER構(gòu)造帶，地層巖性主要為：流紋巖、粗面巖和玄武巖，凝灰?guī)r次之，夾有少量的燧石和黃鐵礦。具有典型的高溫地?zé)?蒸汽型)特點(diǎn)：地層壓力低，漏失較嚴(yán)重。裂隙和溶洞非常發(fā)育，無漏層和漏點(diǎn)規(guī)律可尋，漏失量大。

1.6 高溫流變性

在高溫高壓條件下保證鉆井液具有很好的流動(dòng)性、攜帶和懸浮巖屑至關(guān)重要。對(duì)于高溫高密度鉆井液,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無用固相處理(配備固控設(shè)備)，并嚴(yán)格控制膨潤(rùn)土含量(≤4%)以避免高溫增稠。必要時(shí)可通過加入耐高溫聚合物材料等改進(jìn)流型，提高攜屑能力，通過加入耐高溫稀釋劑控制靜切力。

2 干熱巖耐高溫鉆井液國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外高溫鉆井液體系研究方面

國(guó)外典型高溫鉆井液體系組成及其耐溫等情況見表1。

從表1可以看出，目前國(guó)外研發(fā)的高溫鉆井液的抗溫能力達(dá)到200 ℃以上，個(gè)別達(dá)到275 ℃，實(shí)際應(yīng)用中孔內(nèi)溫度一般不超過240 ℃。

2.2 國(guó)內(nèi)高溫鉆井液體系研究方面

國(guó)內(nèi)典型高溫鉆井液體系組成及其耐溫等情況見表2。

從表2可以看出，目前國(guó)內(nèi)研發(fā)的高溫鉆井液抗溫能力最高達(dá)到260℃，除地?zé)峋猓F(xiàn)場(chǎng)最高使用溫度為236 ℃。

表1 國(guó)外典型高溫水基鉆井液體系耐溫情況

表2 國(guó)內(nèi)研發(fā)的典型高溫鉆井液耐溫情況

3 干熱巖用高溫鉆井液的發(fā)展方向

3.1 高溫處理劑的研制

高溫水基鉆井液處理劑研究主要包括：耐260 ℃以上降濾失劑、增粘劑、潤(rùn)滑劑、堵漏劑、消泡劑及保護(hù)劑等；

高溫泡沫流體鉆井液處理劑研究主要包括：耐260 ℃以上發(fā)泡劑、增粘劑、穩(wěn)定劑、封堵劑及保護(hù)劑等。

3.2 高溫鉆井液體系研究

耐高溫鉆井液體系研究包括：耐260 ℃以上高溫、2.0 g/cm3高密度鉆井液體系，耐260 ℃高溫泡沫鉆井液體系，耐260 ℃高溫油基鉆井液體系等。

3.3 高溫儀器的研制

耐高溫儀器的研制包括：耐300 ℃以上高溫高壓流變儀、耐260 ℃以上高溫高壓失水儀、耐260 ℃以上高溫滾子爐、耐260 ℃以上高溫堵漏儀、耐260 ℃以上潤(rùn)滑儀等。

4 耐高溫鉆井液在干熱巖井中的應(yīng)用

4.1 耐240 ℃高溫鉆井液在青海共和GR1井中的應(yīng)用

4.1.1 高溫鉆井液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)使用配方：水+2%～4%鈉膨潤(rùn)土+0.2%～0.5%高溫增粘劑Ⅱ+1%～2%降失水劑+1%～4%高溫防塌劑Ⅱ+0.5%～1%高溫保護(hù)劑GHTS+2%～4%高溫封堵劑GFD-1+0.2%～0.5%包被劑+重晶石。試驗(yàn)結(jié)果顯示，高溫防塌鉆井液性能為：漏斗粘度45～60 s，密度1.20～1.25 g/cm3，API濾失量5～10 mL，泥皮厚0.2～0.5 mm，pH值9～10。

4.1.2 高溫鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

現(xiàn)場(chǎng)原先采用的是雙聚防塌鉆井液體系，主要使用的材料有鈉土、燒堿、高粘纖維素、改性瀝青、隨鉆防塌堵漏劑、碳酸鈣、包被劑、降失水劑等?？箿氐陀?50℃，粘度較高(80～120 s)，失水量較大(15～20 mL)。3100 m后轉(zhuǎn)換成高溫防塌鉆井液體系，共完成鉆井工作量605 m。取得的效果如下。

(1)抗溫能力強(qiáng)。原鉆井液稠化嚴(yán)重，見圖1。調(diào)整后的耐高溫鉆井液未出現(xiàn)明顯增稠(或膠凝)及減稠現(xiàn)象，最高使用溫度236 ℃。

圖1 高溫鉆井液調(diào)整前后流變性能

(2)護(hù)壁效果顯著。GR1井裸眼井段達(dá)1800 m，裸露時(shí)間達(dá)100 d，鉆至3100 m后轉(zhuǎn)化為耐高溫鉆井液，造壁性能好，井壁穩(wěn)定，無遇阻，保證了后續(xù)作業(yè)順利進(jìn)行。鉆井液轉(zhuǎn)化前后泥皮質(zhì)量見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)化前后鉆井液的泥皮質(zhì)量變化

(3)流變性能好。具有良好的流變性能，泵壓穩(wěn)定，巖屑攜帶效果好，地表利用振動(dòng)篩即可較好的清除鉆井液中的巖粉，鉆井液密度保持相對(duì)穩(wěn)定，見圖3。

圖3 耐高溫鉆井液現(xiàn)場(chǎng)情況

(4)泡沫顯著減少。高溫井段鉆進(jìn)時(shí)，產(chǎn)生大量的泡沫，但該鉆井液加入消泡劑后，泡沫較容易清除。

4.2 耐180 ℃高溫鉆井液在山西晉中榆次地?zé)峋械膽?yīng)用

4.2.1 配方及性能

配方：3%～4%鈉土+2%改性瀝青GLA+1%～2%封堵劑GFD-1+1%～2%降失水劑GPNH+1%～2%隨鉆防塌堵漏劑+0.1%～0.5%增粘劑+0.1%～0.2%包被劑+重晶石。實(shí)驗(yàn)性能為：溫度180 ℃，漏斗粘度100～120 s，密度1.30～1.35 g/cm3，API 失水量4～5 mL，泥皮厚1～2 mm。

4.2.2 高溫鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

(1)護(hù)壁效果好。該孔鉆進(jìn)至2800～3100 m時(shí)，坍塌掉塊較嚴(yán)重(見圖4)，在原鉆井液基礎(chǔ)上增加防塌劑和封堵劑，后續(xù)鉆進(jìn)過程中無坍塌、掉塊現(xiàn)象。

圖4 2800～3100 m掃孔帶出的掉塊

(2)流變性好。通過補(bǔ)充包被劑及高溫增粘劑，調(diào)整后的鉆井液具有良好的流變性能(見圖5)，泵壓穩(wěn)定(8～10 MPa)。

圖5 180 ℃高溫鉆井液調(diào)整前后流變性對(duì)比

(3)除砂效果好。原鉆井液粘度比較高(200～300 s)，巖粉基本不沉降，導(dǎo)致粘度虛高，密度變化幅度大。調(diào)整后的高溫鉆井液，通過加入包被劑及合理使用固控設(shè)施，清除鉆井液中的巖粉，密度穩(wěn)定(參見圖6)。

圖6 振動(dòng)篩清除的巖粉

5 結(jié)語

國(guó)內(nèi)外耐高溫鉆井液技術(shù)發(fā)展迅速，研制了大量的高溫處理劑和配方，但是目前國(guó)內(nèi)處理劑抗溫能力不超過200 ℃。因此，在耐高溫鉆井液作用機(jī)理、造漿材料、處理劑、配方、儀器等方面需要開展大量的研究工作，為未來深井和超深井鉆探以及未來準(zhǔn)備實(shí)施的萬米科學(xué)鉆探提供技術(shù)保障。