液動潛孔錘技術應用于干熱巖鉆井的可行性探討

蘇長壽，陰文行，馮紅喜，宋利豐

(1.中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊065000;2.邯鄲偉業(yè)地熱開發(fā)有限公司，河北邯鄲057650)

液動潛孔錘技術應用于干熱巖鉆井的可行性探討

蘇長壽1，陰文行2，馮紅喜2，宋利豐2

(1.中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊065000;2.邯鄲偉業(yè)地熱開發(fā)有限公司，河北邯鄲057650)

分析了清潔、可再生能源干熱巖的地質特征以及進行鉆井施工可能會遇到的環(huán)境溫度高、鉆井深度大等技術難點，并依據(jù)此對液動潛孔錘鉆進技術應用于該領域進行了分析。按照目前的技術水平和施工能力，提出干熱巖鉆井分兩步走的思路，目前液動潛孔錘所能達到的指標應用于第一步(井深3000～6000 m，溫度150～350℃)鉆井實踐已經基本具備，并對液動潛孔錘需要完善的關鍵技術提出解決的方案。

干熱巖;地質特征;鉆井;液動潛孔錘

1 干熱巖的地質特征及鉆井技術難點

1.1 干熱巖的地質特征及開發(fā)利用

干熱巖一般是指處于地層3000～10000 m范圍內沒有或僅有少量液體、致密不滲漏的熱巖體，其巖體的溫度介于150～650℃之間，呈干熱狀態(tài)，是一種清潔、可再生的綠色資源。我國的干熱巖蘊含能量約為2.09×1035J，合7.15×1014t標準煤。

干熱巖的主要地質特征是:巖石硬度大，抗壓強度高;地層溫度高;巖石致密，滲透率極低。

干熱巖可用于發(fā)電和供暖，常規(guī)的是采用井網(wǎng)壓裂和U形井的方式，通過注水井將高壓水注入干熱巖層，在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(huán)裝置處理后，將冷卻水再次注入地下，如此循環(huán)實現(xiàn)干熱巖的熱量開發(fā)，整個過程安全環(huán)保，因此具有廣闊的開發(fā)利用前景。

1.2 干熱巖鉆井技術難點

目前，鉆井仍然是干熱巖勘探開發(fā)的唯一手段，在鉆井的過程中，高溫高壓的極端惡劣環(huán)境給井下鉆具和鉆井液體系提出了嚴峻考驗，其技術難點表現(xiàn)在以下幾點。

(1)鉆井環(huán)境溫度高，井下鉆具和鉆井液體系的壽命和性能受到很大制約。具有開發(fā)價值的干熱巖儲層溫度一般在350℃以上，螺桿馬達、液動潛孔錘等井下動力鉆具中的橡膠部件難以有效發(fā)揮密封作用等。

(2)鉆井深度大，一般為3000～6000 m，甚至可接近10000 m，需要鉆遇多套地層，井身結構復雜，機械能傳遞效率低，鉆進速度慢。

(3)井壁圍巖穩(wěn)定性差。鉆井發(fā)生縮徑的概率和程度加大，易發(fā)生鉆頭被卡和套管擠損現(xiàn)象。

1.3 干熱巖鉆探關鍵技術研究

根據(jù)上述的分析，筆者認為進行干熱巖鉆井施工，有以下鉆探關鍵技術需要研究。

(1)抗高溫鉆井液體系研究(如抗高溫泥漿、高溫處理劑、高溫檢測儀器、高溫鉆井液地表冷卻系統(tǒng)等);

(2)抗高溫耐腐蝕井內動力鉆具研究(如液動潛孔錘、螺桿馬達、渦輪鉆);

(3)抗高溫井內測量及軌道控制儀器的研究;

(4)鉆頭、取心器具及取心工藝研究;

(5)井口高溫安全防護裝備研究;

(6)干熱巖鉆探設備配套研究。

研究內容還會在實踐中增加，它是一個系統(tǒng)工程，需要眾多的研究者參與。筆者在此文中主要就液動潛孔錘應用于干熱巖鉆井施工的可能性進行探討。

2 液動潛孔錘技術的發(fā)展現(xiàn)狀

液動潛孔錘技術是具有中國特色、其研究和應用處于世界領先水平的鉆探技術。液動潛孔錘是利用鉆探泥漿泵輸出的高壓沖洗液作為動力傳輸介質，驅動井下鉆具組合中液動潛孔錘內的沖錘作軸向的往復運動，對鉆頭施加沖擊載荷以提高鉆進效率的井底動力機具。液動潛孔錘通常連接在鉆頭或巖心管的上部與鉆桿、鉆鋌或其它孔底動力機具之間，因而能量傳遞損耗小、效率高。使用液動潛孔錘進行鉆井施工，具有不需增加其它設備、操作簡單、應用范圍廣、鉆進效率高、鉆進質量好的特點。經過長期不懈的研究與開發(fā)，已經較為廣泛地應用到地質鉆探、水文水井鉆探、基礎施工以及國家重點科學鉆探工程等領域。截止目前，液動潛孔錘鉆進的最大孔徑311 mm，2016年7月31日YZX178型液動潛孔錘配合螺桿鉆在“松科二井”采用?215 mm金剛石取心鉆頭鉆進最大深度5450.74 m?；卮芜M尺19.03 m，時效提高26%。沖洗液循環(huán)溫度175℃，現(xiàn)場見圖1。獲得國土資源部科技一、二等獎各1項，河北省技術發(fā)明2等獎及國家科技二等獎各1項。國家知識產權局優(yōu)秀專利獎1項。在技術上取得重大突破，產品在生產上得到廣泛應用。

總結液動潛孔錘技術取得的進步主要有如下幾個方面。

(1)在工作原理上采用射吸和射流兩種工作動力復合作用方式，成功解決了制約液動潛孔錘發(fā)展的工作穩(wěn)定性及深孔適應性問題，獲發(fā)明專利:“雙噴嘴復合閥式液動潛孔錘”(專利號02125436.2)， 2011年該發(fā)明專利榮獲第十三屆中國專利優(yōu)秀獎。

圖1 YZX178型液動潛孔錘在“松科二井”鉆井現(xiàn)場

(2)探索表面處理技術和結構參數(shù)的優(yōu)選，有效提高了液動潛孔錘的工作壽命，使大口徑液動潛孔錘的工作壽命從不到30 h提高到60 h以上。

(3)在提高橡膠密封副耐溫性能方面進行了一些初步探索，取得了進展，為今后的進一步研究奠定了基礎。

(4)作為高技術新產品取得廣泛應用，自2008年起，YZX系列高效液動潛孔錘及其配套產品已經廣泛應用于國內地質鉆探、水文水井鉆探、基礎施工以及國家重點科學鉆探工程等領域，遍布除香港、澳門外全國各省市，覆蓋地質、煤炭、建筑、核工業(yè)、石油、冶金、有色等各部門，成為我國近年來鉆探技術發(fā)展和應用的熱點，2008及2011、2013年3次入選探礦工程年度十大新聞，2011年被科技部等四部委授予國家重點新產品稱號。

3 液動潛孔錘應用于干熱巖鉆井應重點解決的關鍵技術

根據(jù)技術的進步和產品的應用實際，干熱巖鉆井深度筆者認為應采取分步實施較為理想(見表1)。

表1 干熱巖鉆井深度與溫度以及分步實施建議

因此，第一步應采取目前現(xiàn)有的設備器具進行3000～6000 m深度，150～350℃溫度的實施。液動潛孔錘應用于干熱巖鉆井主要應考慮下列問題。

(1)對深井、超深井大背壓的適應性;

(2)橡膠密封的改進之路(耐高溫橡膠－全金屬密封);

(3)沖擊能量的科學性提高(高壓大泵量高能量還是合理能量延長連續(xù)工作壽命);

(4)工作壽命的有效延長(主要易損件的連續(xù)壽命提高措施、性能的科學界定);

(5)與其他井內動力機具配套應解決的技術(泵量匹配)。

按照上述的條件要求和液動潛孔錘的目前所能達到的水平和指標，我們認為應用于第一步(井深3000～6000 m，溫度150～350℃)干熱巖鉆井實踐已經基本具備(液動潛孔錘鉆進的最大孔徑311 mm，最大鉆進深度5450.74 m，連續(xù)工作壽命達70 h，橡膠密封耐溫達220℃)，因此應積極參與干熱巖鉆井活動。當然，距離完全適應和滿足還有進一步的工作可做，其中應首先解決以下難題。

3.1 液動潛孔錘固定密封的耐溫性能

由于液動潛孔錘的運動密封副均采用剛性材質，固定式的靜密封選用O形橡膠密封形式，考慮干熱巖鉆井條件，可采取下述方案來滿足:在已有的橡膠密封材料中，氟橡膠是耐溫及綜合性能優(yōu)越的密封材料，選擇氟橡膠材質的O形密封圈無疑是一條有效思路。我們前期在實驗室進行的高溫試驗表明，該材質的密封圈在200℃環(huán)境中保溫22 h性能完好，在260℃熱空氣老化條件持續(xù)24 h性能可用，見圖2和表2;但由于橡膠材料承受更高的溫度會受到限制，同時耐高溫初步試驗沒有附加上液動潛孔錘的振動、高壓流體的沖蝕等因素對密封壽命的影響，因此在液動潛孔錘的固定密封結構設計上，還應考慮采取全金屬剛性密封(類似于螺桿馬達的金屬定子)，以保證液動潛孔錘在干熱巖鉆井的高溫環(huán)境下正常發(fā)揮效果。

圖2 耐高溫氟橡膠O形密封圈

表2 耐高溫氟橡膠O形密封圈性能試驗

3.2 進一步提高運動密封副的工作壽命

由于液動潛孔錘驅動的介質為泥漿，泥漿中含有的各種固相顆粒，對液動潛孔錘運動部件之間產生的磨粒磨損極大的影響到了其工作壽命，同樣由于泥漿中含有大量的固相顆粒，在液動潛孔錘內隨著高速流動，將對相應的零件產生沖蝕作用，也將對液動潛孔錘的壽命和安全性產生影響，應加強液動潛孔錘零部件表面耐磨性的研究，使其壽命接近100 h。據(jù)上述的工況分析，液動潛孔錘的運動密封摩擦面擬采取硬－硬思路。在其表面層應探索碳化鎢注滲鋼基高級耐磨合金工藝、微粉金剛石電鍍、激光噴焊碳化物合金、硬質合金噴涂Ni60、離子氮化等工藝，并探討仿生原理等，經過優(yōu)化，使液動潛孔錘的密封碰撞零部件具有內韌外剛耐磨抗撞性能。當然，在使用中應加強對鉆井液的凈化工作。

3.3 應解決與其他井內動力機具的泵量匹配等技術問題

為了發(fā)揮井底動力的綜合優(yōu)勢，在干熱巖的鉆井施工中，液動潛孔錘將會與螺桿馬達、渦輪鉆等井底動力鉆具組合，實現(xiàn)鉆桿不旋轉(或慢旋轉)，對井壁干擾小、摩擦阻力小、能量傳遞損耗少等優(yōu)點。但這種組合鉆具目前在工作泵量上存在嚴重的問題是，液動潛孔錘與適配鉆井口徑工藝所需泵量以及與組合螺桿鉆、渦輪鉆所需泵量的嚴重不匹配，一般液動潛孔錘的工作泵量要小40%左右。因此應采用內部分流機構使其有一部分鉆井液不參與液動潛孔錘做功而保證螺桿馬達、渦輪鉆對大泵量的要求，同時還應開展液動潛孔錘不通過內部分流適應大泵量的新型結構的探索研究。

4 結論

作為環(huán)保、可再生的綠色能源，干熱巖是未來需重點關注的能源熱點，在鉆采利用上從鉆井角度存在井深、高溫、巖石硬等鉆井難點，對鉆井設備、器具、儀器提出了更苛刻的要求。

根據(jù)目前的技術產品實際，提出鉆井施工分兩步走的建議。

液動潛孔錘作為鉆速有效的提高機具，已基本達到第一步干熱巖鉆井施工的要求，同時提出了采用氟橡膠和全金屬密封材料和結構解決液動潛孔錘的耐高溫性能、采用注滲碳化鎢工藝提高運動密封副連續(xù)工作壽命、以及采用分流結構解決與其他井底動力機具大泵量的匹配等關鍵技術方案。

［1］謝文衛(wèi)，蘇長壽，宋愛志.新型高沖擊功液動潛孔錘的研究［J］.探礦工程，1998，(6):31－32.

［2］蘇長壽，謝文衛(wèi)，楊澤英，等.系列高效液動錘的研究與應用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(3):27－31.

［3］王建華，蘇長壽，左新明.深孔液動潛孔錘鉆進技術研究與應用［J］.勘察科學技術，2011，(6):59－64.

［4］張金昌.地質鉆探技術與裝備21世紀新進展［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016，43(4):10－17.

［5］王建華.大直徑液動潛孔錘鉆進技術探討［J］.勘察科學技術，2009，(6):22－24，28.

［6］張金昌.鉆探技術新進展［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(S1):11－18.

［7］趙福森，張凱.青海貴德ZR1干熱巖鉆井鉆進工藝研究［J］.石油鉆探技術，2015.43(2):5－7.

［8］劉偉莉，馬慶濤，付懷剛.干熱巖地熱開發(fā)鉆井技術難點與對策［J］.石油機械，2015.43(8):11－15.

［9］蘇長壽，謝文衛(wèi)，楊澤英，等.高效巖心鉆進的有效途徑——液動錘鉆探［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(S1):81－84.

Feasibility Study on Application of Hydraulic Hammer Technology in Hot Dry Rock Drilling

/SU Chang-shou1，YIN Wen-hang2，F(xiàn)ENG Hong-xi2，SONG Li-feng2(1.The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China;2.Handan Weiye Geothermal Development Co.，Ltd.，Handan Hebei 057650，China)

The analysis is made on the geological characteristics of hot dry rock which is a kind of clean and reusable energy and the technical difficulties that might be encountered in drilling construction，such as high temperature and large drilling depth.On this basis，the application of hydraulic hammer drilling technology in hot dry rock field is discussed.According to the present technical level and construction ability，hot dry rock drilling needs 2 steps;with the present technical performance index，hydraulic hammer has the basic conditions for the first step drilling of 3000－6000m in well depth at the temperature of 150－350℃.The solution to the key technology improvement is also put forward.

hot dry rock;geological characteristics;drilling;hydraulic hammer

P634.5+6

A

1672－7428(2017)03－0014－03

2016－10－21;

2017－01－24

蘇長壽，男，漢族，1954年生，教授級高級工程師，從事鉆具、鉆頭以及工藝技術方面的研究開發(fā)工作，河北省廊坊市金光道77號，changshousu@hotmail.com;陰文行，男，漢族，1976年生，總工程師，從事地熱資源開發(fā)、綜合利用和地熱尾水回灌領域的技術開發(fā)及管理工作，河北省邯鄲市廣平縣金廣源路中段北側，yinhang006@163.com。