液氮應(yīng)用于干熱巖鉆探的可行性探討

黃雪琴，孟慶昆

(中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

干熱巖是指埋深數(shù)千米、內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體，巖體溫度一般在150～650 ℃，是一種儲(chǔ)量巨大、清潔、可再生的地?zé)豳Y源。目前世界上普遍通過(guò)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)開(kāi)采干熱巖資源，即采用鉆井的方法鉆一口井作為注水井，鉆一口或多口井作為生產(chǎn)井，利用人工壓裂或天然裂縫連通注水井和生產(chǎn)井，從注水井注入冷水，利用生產(chǎn)井開(kāi)采蒸汽、高溫水用于發(fā)電和熱水利用，再將冷卻水注入地下進(jìn)行循環(huán)[1-3]。干熱巖資源能源供應(yīng)價(jià)格主要由鉆井和人工儲(chǔ)層建造費(fèi)用決定[4]。由于干熱巖溫度高、巖性復(fù)雜、可鉆性差，干熱巖鉆探面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),急需新型破巖技術(shù)實(shí)現(xiàn)干熱巖的高效開(kāi)發(fā)。因液氮具有極低溫度、低粘度、與液體接近的密度、高導(dǎo)熱系數(shù)等特殊性質(zhì)，可在一定程度上解決干熱巖鉆探技術(shù)難題。本文重點(diǎn)討論液氮在干熱巖鉆探的應(yīng)用前景，為干熱巖高效開(kāi)發(fā)提供參考。

1 干熱巖常規(guī)鉆探技術(shù)

干熱巖開(kāi)發(fā)通常采用鉆井的方法，即鉆一口井作為注水井，鉆一口或多口井作為生產(chǎn)井。目前國(guó)內(nèi)主要采用水井鉆機(jī)鉆進(jìn)干熱巖井，其特點(diǎn)是鉆柱轉(zhuǎn)速高、鉆機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、鉆臺(tái)高度較低[5]。干熱巖鉆井過(guò)程與油氣鉆井基本相似，通常包括：利用鉆頭、鉆具等工具破碎巖石，在井壁與套管之間注入水泥漿進(jìn)行固井以及運(yùn)用巨型水力壓裂法建造人工儲(chǔ)層，同時(shí)預(yù)防與處理鉆井事故等[6]。相比常規(guī)油氣鉆井，干熱巖鉆井面臨的主要挑戰(zhàn)如下。

1.1 巖石硬度大，機(jī)械鉆速慢

干熱巖主要巖性為變質(zhì)巖和結(jié)晶巖，較常見(jiàn)的干熱巖為黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖等[7]。巖石單軸抗壓強(qiáng)度一般在200 MPa以上，巖石硬度大、研磨性強(qiáng)、可鉆性極差[8-10]。采用常規(guī)鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，破巖效率低，機(jī)械鉆速慢，鉆井周期長(zhǎng)。

1.2 地層溫度高，井下工具和鉆井液性能不穩(wěn)定

在常規(guī)油氣鉆井中，地層溫度超過(guò)150 ℃則認(rèn)為是高溫井。在高溫環(huán)境下，鉆頭、井下動(dòng)力鉆具、隨鉆測(cè)量?jī)x器等易出現(xiàn)性能不穩(wěn)定、工作壽命短等問(wèn)題[11]。目前鉆井液耐高溫能力約260 ℃，而普遍認(rèn)為干熱巖儲(chǔ)層溫度在350 ℃以上才具有工業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值[12]。在高溫作用下，鉆井液及處理劑容易發(fā)生性能改變甚至降解失效，難以發(fā)揮正常的循環(huán)、護(hù)壁和攜巖等功能。因此，干熱巖鉆井過(guò)程中井下工具和鉆井液的性能面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1.3 易發(fā)生復(fù)雜井下事故

干熱巖一般天然裂縫、裂隙、斷層較發(fā)育，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆井液漏失嚴(yán)重。如在西藏羊八井ZK201井鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液在鉆進(jìn)井段幾乎全部漏失[12]。在高溫下，鉆井液抑制性和封堵性受影響，難以維持井壁圍巖穩(wěn)定，極易發(fā)生坍塌掉塊等，造成卡鉆事故，固井、完井過(guò)程中還易出現(xiàn)套管擠毀等現(xiàn)象[13]。

因此，需要一種新型鉆井技術(shù)解決上述技術(shù)難題。液氮具有極低溫度、低粘度、接近于液體的密度、高導(dǎo)熱系數(shù)，通過(guò)高壓噴射至巖石表面后，可在巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和射流沖擊作用，對(duì)巖石有明顯的致裂效果，實(shí)現(xiàn)高效破巖。因此，利用液氮替代常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)干熱巖具有一定的應(yīng)用前景。

2 液氮在干熱巖鉆探中的應(yīng)用前景

2.1 液氮物理性質(zhì)(見(jiàn)表1)

表1 液氮物理性質(zhì)

液氮是一種密度略小于水、無(wú)色無(wú)臭、性能穩(wěn)定、不可燃的液體，臨界溫度為-146.96 ℃，臨界壓力為3.39 MPa，在大氣壓下溫度為-195.8 ℃，三相點(diǎn)溫度為-210.00 ℃。液氮具有良好的傳熱性能，表面張力極小，容易進(jìn)入到大于其分子體積的空間內(nèi)。液氮是一種性能優(yōu)越的制冷劑，與物體接觸時(shí)，會(huì)使物體溫度迅速降低，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。

2.2 液氮在干熱巖鉆探中的破巖機(jī)理

與常規(guī)鉆探技術(shù)不同，液氮與巖石接觸時(shí)會(huì)在巖石內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，對(duì)巖石產(chǎn)生致裂效果。此外，液氮在環(huán)空上返過(guò)程中逐漸氣化攜帶巖石，起到凈化井眼和攜巖作用。與常規(guī)鉆井技術(shù)相同的是，液氮經(jīng)噴嘴高速噴射時(shí)，對(duì)巖石產(chǎn)生射流沖擊作用；液氮和鉆井液對(duì)巖石的破巖效果只是起輔助作用，還需要聯(lián)合鉆頭機(jī)械破巖。

2.2.1 熱應(yīng)力致裂

干熱巖溫度150～650 ℃，而液氮的臨界溫度為-146.96 ℃。液氮與干熱巖接觸后，在大溫差作用下，巖石溫度迅速降低，在巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，巖石塑性降低、脆性增大，促進(jìn)巖石微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。液氮對(duì)巖石損傷致裂效果方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。早在1990年時(shí)，就有學(xué)者提出利用液氮替代常規(guī)的水基壓裂液來(lái)對(duì)煤層進(jìn)行改造[14]。McDaniel等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤巖在液氮低溫作用下破碎成小立方塊，且當(dāng)煤巖孔隙內(nèi)含水時(shí)，破碎效果更加明顯。Rassenfoss[16]通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，液氮能夠使混凝土巖樣表面產(chǎn)生明顯的裂縫。徐紅芳[17]通過(guò)計(jì)算表明，液氮在巖石內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)壓裂液造成的熱應(yīng)力，壓裂效果優(yōu)于常規(guī)壓裂液。蔡承政等[18-21]通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，液氮低溫作用能夠加劇巖石損傷程度，頁(yè)巖和煤巖滲透率最大增幅分別達(dá)到了177.27%和93.55%；煤巖抗壓強(qiáng)度和軸向峰值應(yīng)變最大降幅分別達(dá)到了33.74%和20.61%。干燥大理石巖樣經(jīng)液氮處理后有新的微裂隙產(chǎn)生，大理石巖樣經(jīng)液氮處理前、后的SEM掃描照片分別如圖1和圖2所示。根據(jù)巖石斷裂力學(xué)理論[22]，在鉆頭切削作用下，巖石中的微裂隙不斷擴(kuò)展、連通、甚至斷裂，有助于提高破巖效率。

圖1 大理石巖樣初始條件下SEM掃描照片

圖2 干燥大理石巖樣經(jīng)液氮降溫處理后SEM掃描照片

2.2.2 射流沖擊作用

與常規(guī)鉆探技術(shù)相同，液氮也需要經(jīng)過(guò)鉆頭噴嘴節(jié)流作用，形成高速射流，對(duì)巖石產(chǎn)生顯著的沖擊破巖效果。由于液氮密度和粘度均比水小，在相同的噴嘴壓降下，液氮射流的動(dòng)能更大，能量衰減更小，能夠產(chǎn)生優(yōu)于水射流的沖擊效果。蔡承政[18]通過(guò)數(shù)值模擬表明，在相同噴嘴壓降條件下，液氮射流軸線初始速度比水射流高25.13 m/s；在距離噴嘴出口200 mm處，水射流的軸線速度僅有0.71 m/s，為初始速度的0.3%；而此處液氮射流速度為61.35 m/s，為初始速度的23.44%。

2.2.3 液氮?dú)饣瘮y巖

與常規(guī)鉆井液相同，高壓液氮經(jīng)鉆頭噴嘴節(jié)流后以高速射流方式作用于井底，給予井底巖屑很大的沖擊力，使巖屑快速離開(kāi)井底，保持井底干凈。液氮粘度比常規(guī)鉆井液粘度低，在井筒內(nèi)易達(dá)到紊流狀態(tài)，有助于攜巖。常規(guī)鉆井液是依靠一定的泵排量循環(huán)攜帶巖屑，在環(huán)空攜巖過(guò)程中不發(fā)生相變。而液氮是一種溫度極低的液體，在環(huán)空上返過(guò)程中逐漸氣化，體積膨脹，將巖屑攜帶至井口。

2.2.4 聯(lián)合鉆頭機(jī)械破巖

液氮對(duì)巖石熱應(yīng)力和射流沖擊力致裂，只起到輔助破巖的作用，還需要聯(lián)合鉆頭機(jī)械破巖，才能夠有效提高破巖效率。高溫巖體地?zé)徙@井的機(jī)械破巖方式主要有3種：沖擊破巖、切削破巖、沖擊-切削復(fù)合破巖。沖擊破巖方式適用于不超過(guò)150 ℃的低溫堅(jiān)硬巖體鉆井；切削破巖方式適合于300 ℃以上的高溫巖體鉆井；沖擊-切削復(fù)合鉆進(jìn)方式兼有二者特點(diǎn)，適合于150～300 ℃的中溫巖體鉆井[12]。根據(jù)鉆進(jìn)區(qū)塊的干熱巖溫度，采取相應(yīng)的機(jī)械破巖方式。

2.3 液氮在干熱巖鉆探中的優(yōu)勢(shì)

2.3.1 破巖效率高

液氮與巖石接觸后在巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，使巖石孔隙結(jié)構(gòu)遭到損傷破壞，巖石孔隙體積和滲透率增大，峰值應(yīng)力降低，有利于巖石破碎。同時(shí)，高壓液氮在鉆頭噴嘴的節(jié)流作用下形成的高速射流，能產(chǎn)生優(yōu)于水射流的沖擊效果。液氮在環(huán)空上返過(guò)程中逐漸氣化，密度逐漸降低，能維持較小的環(huán)空壓力，減少壓持效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速。因此，液氮在大溫差作用下對(duì)干熱巖的熱應(yīng)力致裂作用、液氮噴射時(shí)產(chǎn)生的射流沖擊力以及較小的環(huán)空壓力，聯(lián)合鉆頭機(jī)械力破巖，能夠提高干熱巖破巖效率。

2.3.2 有效提高干熱巖熱能提取效果

采用常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)干熱巖儲(chǔ)層時(shí)，鉆井液中的固相顆粒在壓差作用下，很容易進(jìn)入儲(chǔ)層中堵塞孔隙喉道，泥漿濾液也會(huì)侵入到儲(chǔ)層中，堵塞孔隙喉道，增加冷水的流動(dòng)阻力，導(dǎo)致冷水不能充分與干熱巖接觸吸收熱量。液氮中不含固體顆粒，在利用液氮鉆進(jìn)干熱巖儲(chǔ)層時(shí)，不存在孔隙吼道被堵塞的情況。相反，液氮表面張力極小，容易進(jìn)入儲(chǔ)層的微小孔隙和微裂縫，增大儲(chǔ)層孔隙度和滲透率，促進(jìn)裂縫的形成和擴(kuò)展[18]。冷水在儲(chǔ)層中的流動(dòng)性增大，有利于冷水滲進(jìn)干熱巖裂縫中吸收熱量，增強(qiáng)換熱效果。因此，液氮能夠有效提高干熱巖熱能提取效果。

2.3.3 解決鉆井液不耐高溫和井漏問(wèn)題

在高溫條件下，常規(guī)鉆井液及處理劑容易發(fā)生性能改變甚至降解失效。與常規(guī)鉆井液不同，液氮在環(huán)空上返過(guò)程中，吸收井壁巖石部分熱量，同時(shí)液氮的液柱壓力降低，液氮逐漸發(fā)生氣化，體積膨脹，流速增加，有助于強(qiáng)化攜巖效果。液氮密度808.5 kg/m3，產(chǎn)生的壓力梯度比正常地層壓力梯度低，能有效降低漏失風(fēng)險(xiǎn)。

3 液氮在干熱巖鉆探中的關(guān)鍵技術(shù)

盡管液氮在干熱巖鉆探中具有破巖速度快、有效提高干熱巖熱能提取效果、解決鉆井液不耐高溫和井漏問(wèn)題等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的技術(shù)問(wèn)題，如工具耐低溫性能、攜巖規(guī)律和效果、井筒壓力控制、鉆井參數(shù)優(yōu)化及井壁穩(wěn)定性等。

3.1 工具耐低溫性能

液氮溫度極低，要求地面管線、鉆桿、鉆頭等工具具有良好的耐低溫性能。據(jù)資料記載，液氮曾在油氣儲(chǔ)層壓裂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，如McDaniel等[15]采用特制的地面管線和井口，并使用玻璃鋼油管作為施工管柱，成功將液氮壓裂技術(shù)應(yīng)用于5口井中，壓裂后初期最大日產(chǎn)量約是壓裂前1.22～6.48倍。Grundmann等[23]采用不銹鋼井口、玻璃鋼油管等裝置，成功將液氮壓裂技術(shù)應(yīng)用于Devonian頁(yè)巖地層中的一口生產(chǎn)井中，壓裂后該井產(chǎn)量比另一口采用氮?dú)鈮毫鸭夹g(shù)的井高8%左右。目前未見(jiàn)到液氮應(yīng)用于鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)報(bào)道，為了實(shí)現(xiàn)液氮在干熱巖鉆井中的廣泛應(yīng)用，需對(duì)工具在低溫條件下的性能做進(jìn)一步研究。

3.2 攜巖規(guī)律和效果

與常規(guī)鉆井液不同，液氮在環(huán)空上返過(guò)程會(huì)發(fā)生吸熱氣化，體積膨脹，理論上流速增加，攜巖效果增強(qiáng)。但在鉆井過(guò)程中，井口到井底的溫差較大，液氮的密度和粘度變化也較大，實(shí)際攜巖規(guī)律和效果需進(jìn)一步研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超臨界CO2攜巖規(guī)律做了大量研究[24-25]，但研究成果是否適用于液氮還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 井筒壓力控制

當(dāng)鉆遇正常壓力或異常高壓地層時(shí)，因地層壓力比液氮液柱壓力高，地層孔隙中的流體易流入井筒，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生井噴事故。常規(guī)鉆井技術(shù)通常對(duì)鉆井液進(jìn)行加重或采用欠平衡鉆井工藝控制井底壓力。因液氮惰性極強(qiáng)，對(duì)加重材料要求低，現(xiàn)有加重材料基本能符合要求，但液氮加重技術(shù)以及液氮?dú)饣笈c加重材料的相容性有待進(jìn)一步研究；也可采用欠平衡鉆井技術(shù)控制井筒壓力。

3.4 鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化

與常規(guī)鉆井液不同，液氮會(huì)發(fā)生氣化、對(duì)巖石具有熱應(yīng)力致裂效果等。不管是采用常規(guī)的旋轉(zhuǎn)切削鉆井技術(shù)還是旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)液氮在干熱巖中的安全、高效鉆進(jìn)，需要研究在鉆頭與液氮耦合作用下，根據(jù)干熱巖溫度、地層硬度等實(shí)際情況，對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速、液氮排量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.5 井壁穩(wěn)定性

傳統(tǒng)鉆井液環(huán)境中，井壁失穩(wěn)主要是由水化作用引起的，單純的力學(xué)坍塌的可能性較小。液氮中不含水，無(wú)水化作用。液氮對(duì)巖石具有致裂效果，理論上在未受到外力擾動(dòng)的情況，發(fā)生嚴(yán)重井壁垮塌的可能性較小，但仍需要對(duì)液氮在鉆探過(guò)程中的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

4 結(jié)論及建議

干熱巖是一種儲(chǔ)量巨大、綠色、可再生的地?zé)崮茉?，其開(kāi)發(fā)需通過(guò)鉆井實(shí)現(xiàn)。由于干熱巖溫度高、巖性復(fù)雜、可鉆性差，因此，干熱巖常規(guī)鉆井技術(shù)面臨機(jī)械鉆速慢、井下工具和鉆井液性能不穩(wěn)定、易發(fā)生復(fù)雜井下事故等挑戰(zhàn)。由于液氮具有極低溫度、低粘度、與液體接近的密度、高導(dǎo)熱系數(shù)等特殊性質(zhì)，在干熱巖鉆井中具有如下優(yōu)勢(shì)：破巖效率高、有效提高干熱巖熱能提取效果、解決井漏和鉆井液不耐高溫問(wèn)題等。目前液氮鉆進(jìn)干熱巖技術(shù)仍處于探索階段，建議針對(duì)液氮鉆進(jìn)干熱巖過(guò)程中的工具耐低溫性能、液氮攜巖規(guī)律和效果、井筒壓力控制、鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化、井壁穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題做進(jìn)一步研究，實(shí)現(xiàn)液氮在干熱巖中的安全、高效鉆進(jìn)。

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致謝：本文得到了中國(guó)石油大學(xué)(北京)黃中偉教授的幫助，在此表示感謝。