關(guān)于高溫地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

宋楊

【摘 要】在社會(huì)的發(fā)展中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)出現(xiàn)了一定的矛盾，在目前能源匱乏的現(xiàn)狀下，清潔可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用成為了目前社會(huì)所關(guān)注的主要問(wèn)題，而地?zé)崮芫蛯儆谀壳白钍荜P(guān)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(guān)鍵詞】高溫地?zé)?；高效開(kāi)發(fā) ； 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

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

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU45 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）04-0127-02

1 引言

地?zé)崮苁且环N來(lái)自地球內(nèi)部的熱能，屬于一種清潔可再生能源，對(duì)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)和利用對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整有著重要的意義。目前國(guó)際上將超過(guò)150℃的地?zé)豳Y源稱為高溫地?zé)豳Y源，其主要用途是用來(lái)發(fā)電，對(duì)于高溫地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，其鉆井技術(shù)與油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)大致相同，但是由于地?zé)醿?chǔ)存埋深和溫度的影響，使地?zé)徙@井條件更為苛刻，技術(shù)流程更加復(fù)雜，相應(yīng)的鉆井成本也比較高，這就需要對(duì)高溫地?zé)醿?chǔ)層的類(lèi)型和特點(diǎn)進(jìn)行分析，并且在此基礎(chǔ)上對(duì)其高效開(kāi)發(fā)鉆井技術(shù)進(jìn)行分析研究，實(shí)現(xiàn)我國(guó)高溫地?zé)豳Y源的高效開(kāi)發(fā)和利用。

2 高溫地?zé)豳Y源的主要類(lèi)型

目前地?zé)衢_(kāi)發(fā)主要包括高溫地?zé)衢_(kāi)發(fā)和中低溫地?zé)衢_(kāi)發(fā)兩大部分，高溫地?zé)嶂饕傅氖菧囟瘸^(guò)150℃的地?zé)豳Y源，其最佳用途是發(fā)電，中溫地?zé)嶂傅氖菧囟仍?0℃到150℃之間的地?zé)豳Y源，其主要用途為工業(yè)熱能利用和發(fā)電，低溫地?zé)嶂傅氖堑陀?0℃以下的地?zé)豳Y源，一般是作為熱水或者熱能進(jìn)行直接利用。

對(duì)于高溫地?zé)豳Y源來(lái)說(shuō)，按照工程開(kāi)發(fā)可以分為熱液型地?zé)嵯到y(tǒng)和增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，其中增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)也可以稱為工程型地?zé)嵯到y(tǒng)，兩者的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在這樣幾個(gè)方面：

2.1 熱液型地?zé)嵯到y(tǒng)

對(duì)于熱液型地?zé)嵯到y(tǒng)來(lái)說(shuō)，屬于地?zé)豳Y源中的一種特殊形式，主要表現(xiàn)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(nèi)。對(duì)于這類(lèi)地?zé)豳Y源，其開(kāi)采技術(shù)較為簡(jiǎn)單，只需要利用高溫電潛泵通過(guò)大直徑生產(chǎn)井來(lái)對(duì)其中的熱水和熱蒸汽進(jìn)行開(kāi)采，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這類(lèi)地?zé)豳Y源的利用。在世界范圍內(nèi)，熱液型地?zé)豳Y源的儲(chǔ)層較少，主要分布在構(gòu)造板塊較為活躍或者板塊內(nèi)部靠近板塊邊界的區(qū)域[1]。

2.2 增強(qiáng)型地?zé)豳Y源

增強(qiáng)型地?zé)嶂饕傅氖菧囟容^高且埋藏較深，但是其中含水量不足或者滲透率不高的地?zé)豳Y源，對(duì)于這種地?zé)豳Y源來(lái)說(shuō)，必須要經(jīng)過(guò)地面注水處理之后才能進(jìn)行開(kāi)采。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)主要分為干熱巖和濕熱巖等兩種類(lèi)型，其主要深度范圍為2000～10000m，對(duì)于干熱巖來(lái)說(shuō)，其溫度保持在150～650℃之間，一般呈現(xiàn)出不含水和滲透率差的儲(chǔ)層特性。而濕熱巖的溫度通常大于150℃，構(gòu)造裂縫含水量較少，滲透率較差。增強(qiáng)型地?zé)豳Y源主要分布在大型沉積盆地的花崗巖體中。

3 高溫地?zé)醿?chǔ)層的特點(diǎn)

3.1 巖石硬度較大，可鉆性較差

不同類(lèi)型的高溫地?zé)豳Y源的儲(chǔ)層特點(diǎn)具有一定的差異，但是其共同點(diǎn)在于主要分布在巖石硬度較大的區(qū)域，主要表現(xiàn)為花崗巖、火山巖和結(jié)晶巖，這些巖石的硬度和強(qiáng)度比油氣儲(chǔ)層中砂巖的硬度要高出許多，部分地區(qū)中巖石的抗壓強(qiáng)度超過(guò)240MPa，在這樣的情況，很難對(duì)其進(jìn)行鉆井開(kāi)發(fā)。

3.2 溫度較高

對(duì)于不同類(lèi)型的高溫地?zé)醿?chǔ)層來(lái)說(shuō)，其溫度都超過(guò)150℃，目前我國(guó)開(kāi)發(fā)的地?zé)豳Y源溫度一般為200℃，日本曾經(jīng)開(kāi)發(fā)過(guò)一個(gè)溫度超過(guò)500℃的地?zé)豳Y源，處于世界領(lǐng)先水平[2]。

3.3 埋深較大

對(duì)于目前商業(yè)開(kāi)發(fā)利用的地?zé)豳Y源埋深來(lái)說(shuō)，一般都超過(guò)2800m，埋深較大，雖然熱液型地?zé)豳Y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(qū)也可以通過(guò)鉆幾百米的深度就能夠獲得溫度較高的高溫地?zé)豳Y源，但是這些高溫地?zé)豳Y源都不能用于商業(yè)發(fā)電，其主要應(yīng)用問(wèn)題體現(xiàn)在這樣幾個(gè)方面：首先是地?zé)崮懿环€(wěn)定，出水量和溫度變化較大，會(huì)對(duì)發(fā)電穩(wěn)定性造成較大的影響。另外是由于此類(lèi)地?zé)豳Y源的埋深較小，高溫水在熱源處經(jīng)過(guò)的路徑較短，開(kāi)采出來(lái)的高溫水溫度衰減速度較快，不能用于連續(xù)發(fā)電。

3.4 非均質(zhì)性強(qiáng)

高溫?zé)嵋盒偷責(zé)豳Y源主要分布在構(gòu)造板塊活躍區(qū)，在這個(gè)區(qū)域中，地層裂縫較多，同時(shí)裂縫尺寸較大，這些區(qū)域中高溫地?zé)豳Y源的埋深較深，鉆遇地質(zhì)非均質(zhì)性較強(qiáng)。

4 高溫地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)鉆井關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高效破巖技術(shù)

高溫地?zé)豳Y源儲(chǔ)層中巖石的硬度和強(qiáng)度較高，同時(shí)還具有超高溫的特點(diǎn)，針對(duì)這樣的儲(chǔ)層特點(diǎn)，聚晶金剛石鉆頭不能適應(yīng)這樣的硬質(zhì)地層，鉆進(jìn)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(huì)由于高溫的影響，出現(xiàn)融化的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致密封失效的現(xiàn)象出現(xiàn)，鉆井過(guò)程中的液體和巖屑會(huì)由此進(jìn)入軸承腔，對(duì)軸承造成損壞，在這樣的情況，鉆頭的下鉆次數(shù)和鉆頭的更換數(shù)量將不斷增多，增加鉆進(jìn)成本。針對(duì)目前鉆頭軸承橡膠密封不耐高溫的問(wèn)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(lái)提高抗高溫能力。史密斯鉆頭公司就采用纖維增強(qiáng)碳氟化合物作為鉆頭軸承的密封材料，然后在其中加入潤(rùn)滑油來(lái)提高抗高溫潤(rùn)滑性能，這樣的鉆頭不僅能夠快速進(jìn)行鉆進(jìn)，同時(shí)能夠防止高溫對(duì)鉆頭軸承密封材料所造成的影響，經(jīng)過(guò)相關(guān)實(shí)踐測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)，這種鉆頭單次入井工作時(shí)間達(dá)到77h，在鉆進(jìn)結(jié)束之后，軸承和密封裝置完好。

4.2 防漏堵漏技術(shù)

對(duì)于熱液型高溫地?zé)醿?chǔ)層來(lái)說(shuō)，其中的裂縫較多，裂縫尺寸較大，為了提高地?zé)峋臒峤粨Q效率，鉆井井眼軌跡一般需要穿過(guò)裂縫帶，在這樣的過(guò)程中，容易發(fā)生井漏的現(xiàn)象，井漏現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)使境地壓力降低，造成井壁坍塌和卡鉆等問(wèn)題，提高鉆井工作的成本。在對(duì)高溫地?zé)醿?chǔ)層的特點(diǎn)進(jìn)行分析之后，針對(duì)這種井漏現(xiàn)象，可以采取防漏堵漏技術(shù)，對(duì)于井漏現(xiàn)象不嚴(yán)重的情況來(lái)說(shuō)，可以采取水泥砂漿進(jìn)行堵漏工作，其中水泥漿需要采用耐高溫型水泥漿。對(duì)于井漏現(xiàn)象較為嚴(yán)重的地層來(lái)說(shuō)，可以采用清水盲鉆進(jìn)行多次堵漏。

4.3 耐高溫井下測(cè)量工具和儀器

高溫地?zé)醿?chǔ)層的溫度較高，在超高溫的影響下，會(huì)對(duì)井下測(cè)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(cè)量?jī)x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(huì)受到破壞，針對(duì)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(shù)、絕緣保護(hù)技術(shù)和改進(jìn)電子元件封裝技術(shù)來(lái)進(jìn)行解決。對(duì)于高溫環(huán)境下傳感器失效的問(wèn)題來(lái)說(shuō)，可以采用提升碳化硅基高溫電子元件的復(fù)雜性和集成度來(lái)進(jìn)行解決，這種傳感器的電子元件可以承受300℃以上的高溫環(huán)境，實(shí)現(xiàn)井下的連續(xù)精密工作。

4.4 抗高溫鉆井液技術(shù)

在高溫地?zé)徙@進(jìn)過(guò)程中，鉆井液在高溫的影響下會(huì)出現(xiàn)分散度較強(qiáng)和粘性增加的情況，影響鉆井作業(yè)的正常進(jìn)

行，針對(duì)這些問(wèn)題，一般可以采用甲酸鹽鉆井液來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高密度鹽水鉆井液，以此實(shí)現(xiàn)鉆井液在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)高溫地?zé)醿?chǔ)層的類(lèi)型和特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)高溫地?zé)醿?chǔ)層巖石硬度高、溫度高的特點(diǎn)，可以對(duì)井下工具和材料進(jìn)行改進(jìn)，采取相關(guān)的鉆井技術(shù)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫地?zé)岬母咝ч_(kāi)發(fā)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】光新軍，王敏生.高溫地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)鉆井關(guān)鍵技術(shù)[J].地質(zhì)與勘探，2016，52（4）：718-724.

【2】光新軍，王敏生，思娜，等.高溫地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)鉆井技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策[C]//全國(guó)探礦工程，2015.