干熱巖鉆探關(guān)鍵技術(shù)探索

王勇軍，代娜，鄭宇軒

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 德州 253012)

全球干熱巖資源十分豐富，其蘊(yùn)藏的地?zé)崮鼙日羝?、熱水型、裂隙型地?zé)豳Y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(yùn)藏有100億夸特的熱能(1夸特相當(dāng)于1.8億桶石油)，這些能量是包括石油、天熱氣、煤在內(nèi)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(fā)達(dá)國家開發(fā)干熱巖技術(shù)已被試驗(yàn)證明是可行的[2]。在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》(2006—2020年)的重點(diǎn)領(lǐng)域及其優(yōu)先主題中，地?zé)崮艿拈_發(fā)利用列入了能源領(lǐng)域中的可再生能源低成本規(guī)模化開發(fā)利用優(yōu)先主題，干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)攻關(guān)被列入重大科技攻關(guān)項(xiàng)目重點(diǎn)方向。2016年，國內(nèi)首個(gè)干熱巖科鉆項(xiàng)目在福建漳州實(shí)施，隨后在青海、云南、吉林等地區(qū)實(shí)施了干熱巖鉆探項(xiàng)目，我國干熱巖勘探進(jìn)入實(shí)鉆檢驗(yàn)階段。

1 干熱巖鉆探難點(diǎn)分析

干熱巖鉆探相較于石油鉆探及地質(zhì)鉆探的主要特點(diǎn)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(huán)境下常規(guī)鉆井液性能迅速惡化、甚至失效[3]，同時(shí)使孔內(nèi)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(gè)特點(diǎn)就是其所鉆地層巖性主要為花崗巖，巖性堅(jiān)硬、鉆進(jìn)效率低[5]，并伴隨著斷層、斷裂、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造，常出現(xiàn)鉆井液漏失和掉塊卡鉆等孔內(nèi)復(fù)雜事故。

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

2 高溫鉆井液

干熱巖埋藏深度數(shù)千米，井底地層溫度可能高達(dá)200℃以上，孔內(nèi)鉆井液將長期處于高溫環(huán)境，對鉆井液性能造成極其嚴(yán)重地破壞，直接影響到鉆井液的護(hù)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(nèi)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(duì)鉆井液處理設(shè)備配置要求較高，國內(nèi)地質(zhì)勘探隊(duì)伍設(shè)備配置往往達(dá)不到相關(guān)要求；且其配置維護(hù)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(hù)成本高等問題[9]，因此研究新的經(jīng)濟(jì)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(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)在青海共和GR1孔鉆探施工過程中，當(dāng)鉆進(jìn)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(xiàn)場監(jiān)測鉆井液性能逐漸惡化，井口返出的鉆井液已基本不流動(dòng)[10]，濾失試驗(yàn)所得泥皮巨厚，孔內(nèi)出現(xiàn)掉塊、提下鉆阻力大、下鉆孔底沉渣多等情況。山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)與北京探礦工程研究所合作，通過試驗(yàn)測試，分析各種鉆井液材料抗溫性能，優(yōu)選各種抗高溫鉆井液處理劑[11]，同時(shí)充分考慮鉆井現(xiàn)場實(shí)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(guī)鉆井液比較，其抗溫性能好，可以在240℃高溫環(huán)境下較好地保持鉆井液的性能穩(wěn)定，保證鉆井液的功效。該鉆井液在青海共和GR1孔鉆探現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)鉆過程中取得了良好的效果，現(xiàn)場原鉆井液與耐240℃高溫水基鉆井液對比見圖1。

a—轉(zhuǎn)換前現(xiàn)場鉆井液狀態(tài)；b—轉(zhuǎn)換后現(xiàn)場鉆井液狀態(tài)圖1 現(xiàn)場鉆井液處理前后對比圖

現(xiàn)場應(yīng)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(wěn)定劑)+0.5%～1%GDP(增粘劑)+1%～2%GHTS(高溫保護(hù)劑)+3%～5%GPA-220(根據(jù)地層情況加入)+消泡劑(視返出鉆井液情況確定)+重晶石(根據(jù)地層壓力確定)。

GR1孔在將現(xiàn)場原鉆井液轉(zhuǎn)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(wěn)定，未出現(xiàn)因鉆井液因素導(dǎo)致的孔內(nèi)復(fù)雜情況，滿足了鉆探施工的需要，根據(jù)現(xiàn)場檢測到的鉆井液性能統(tǒng)計(jì)，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(jìn)行鉆井液使用成本統(tǒng)計(jì)得出，該鉆井液的配制維護(hù)成本為145元/m，與常規(guī)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(jìn)

現(xiàn)階段國內(nèi)干熱巖項(xiàng)目大多為國家地勘基金投入的勘探項(xiàng)目，在目前國內(nèi)地勘形勢下，項(xiàng)目預(yù)算大多較少，且干熱巖勘探項(xiàng)目大多在一些以前沒有進(jìn)行過地質(zhì)鉆探的新地區(qū)，而干熱巖鉆探為滿足相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試及后期開發(fā)利用的需要，孔徑設(shè)計(jì)較大，通常使用大口徑的石油鉆機(jī)，設(shè)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(jìn)效率，進(jìn)而降低干熱巖鉆探施工成本。根據(jù)以往在堅(jiān)硬、研磨性強(qiáng)的花崗巖地層施工經(jīng)驗(yàn)來看，鉆進(jìn)效率普遍較低，如某地勘隊(duì)伍在山東省利津干熱巖鉆探中統(tǒng)計(jì)的花崗巖地層鉆進(jìn)效率僅為0.56m/h，鉆探效率低、施工成本高，已成為現(xiàn)階段制約國內(nèi)干熱巖勘探的一個(gè)難題。根據(jù)其他鉆探行業(yè)在大口徑硬巖地層中的鉆探經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為使用孔底動(dòng)力鉆具復(fù)合鉆進(jìn)是提高鉆進(jìn)效率的有效途徑[12]，結(jié)合干熱巖鉆探中地層溫度較高的特點(diǎn)，因此，使用耐高溫的孔底動(dòng)力鉆具，可以有效提高干熱巖鉆探效率，促進(jìn)干熱巖勘探的發(fā)展。鉆探施工中常用的孔底動(dòng)力鉆具有螺桿鉆具和渦輪鉆具。

3.1 螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)

螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)是采用轉(zhuǎn)盤低速驅(qū)動(dòng)+孔底螺桿鉆具聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的一種復(fù)合鉆進(jìn)方式，其中螺桿鉆具把鉆井液壓力能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)，增加鉆頭回轉(zhuǎn)速度，從而提高鉆進(jìn)速度，同時(shí)螺桿鉆具直接帶動(dòng)孔底鉆頭回轉(zhuǎn)，螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)螺桿以上鉆具回轉(zhuǎn)速度很慢，與常規(guī)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(dá)，高壓鉆井液經(jīng)帶有螺旋表面的轉(zhuǎn)子和定子形成的若干密封腔，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆頭破碎巖石。常規(guī)螺桿鉆具具有低速大扭矩的硬特性，過載能力強(qiáng)，易操作、結(jié)構(gòu)較簡單，在小尺寸時(shí)能得到大的扭矩和功率，有橫向振動(dòng)，對油基鉆井液敏感，不適應(yīng)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(zhì)礦產(chǎn)勘查局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)在深部地?zé)峥茖W(xué)鉆探HRD-ZK01孔和青海省共和地區(qū)干熱巖資源勘查GR1孔均采用了螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)來提高鉆進(jìn)速度，深部地?zé)峥茖W(xué)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(qū)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(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)對比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)效率提高明顯，相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1、表2。

表1 青海共和干熱巖GR1井螺桿復(fù)合鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表2 深部地?zé)峥茖W(xué)鉆探HRD-ZK01孔

現(xiàn)場應(yīng)用表明螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)的鉆進(jìn)效率明顯提高，鉆進(jìn)時(shí)鉆柱回轉(zhuǎn)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(yán)重的問題，綜合分析螺桿鉆具使用壽命及其使用成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。但現(xiàn)階段國內(nèi)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(shù)情況的需要，但在干熱巖鉆探中經(jīng)常會鉆遇超過200℃的巖層，因此螺桿鉆具的抗溫能力仍需進(jìn)一步提高。

3.2 渦輪鉆具復(fù)合鉆進(jìn)

渦輪鉆具與螺桿鉆具的不同點(diǎn)在于沒有橡膠構(gòu)件，因此其耐高溫能力較強(qiáng)，能夠滿足干熱巖鉆探過程中鉆進(jìn)高溫巖層的需要，螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)是采用轉(zhuǎn)盤低速驅(qū)動(dòng)+孔底渦輪鉆具聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的一種復(fù)合鉆進(jìn)方式[14]。從20世紀(jì)50年代開始,渦輪鉆井技術(shù)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(jī)械鉆效比轉(zhuǎn)盤鉆井提高了3～5倍，節(jié)約鉆井成本20%～30%[15]。我國20世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)渦輪鉆具生產(chǎn)技術(shù)，80年代初中國核工業(yè)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(chǎn)鉆探工程[16]，中華人民共和國能源部于1991年發(fā)布了《渦輪鉆具標(biāo)準(zhǔn)》(SY/T5401-1991)。目前國內(nèi)生產(chǎn)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(shù)還不成熟，實(shí)際鉆探施工過程中應(yīng)用較少，渦輪鉆具復(fù)合鉆進(jìn)工藝技術(shù)亦未進(jìn)行過深入地研究和探索。山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)在深部地?zé)峥茖W(xué)鉆探HRD-ZK01孔和青海省共和地區(qū)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(cuò)的效果，渦輪鉆進(jìn)在取芯鉆進(jìn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，渦輪鉆具的輸出功率與流量、渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆井液密度等有關(guān)[17]，在渦輪鉆具帶來的高轉(zhuǎn)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(chǎn)渦輪鉆具有待進(jìn)一步研發(fā)，同時(shí)需要進(jìn)一步探索渦輪工藝，根據(jù)特性正確選擇、合理使用渦輪鉆具，優(yōu)選匹配鉆頭和鉆井參數(shù)，以獲得較高的鉆探效益。

表3 渦輪取芯鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 高溫護(hù)壁堵漏

干熱巖鉆探過程中常會鉆遇破碎、裂隙發(fā)育等復(fù)雜地層，同時(shí)孔內(nèi)高溫巖層在圍巖壓力改變后亦會發(fā)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(wěn)的復(fù)雜情況發(fā)生，山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)在青海共和GR1孔鉆進(jìn)至2600m后地層復(fù)雜，鉆遇多個(gè)破碎帶，施工過程中坍塌、掉塊現(xiàn)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(shí)間掃孔，急需提高鉆井液護(hù)壁堵漏性能。

圖2 風(fēng)化的花崗巖巖芯

圖3 破碎的花崗巖巖芯

圖4 鉆進(jìn)過程中帶出的大塊巖屑

通過現(xiàn)場技術(shù)人員綜合分析，并會同北京探礦工程研究所相關(guān)技術(shù)人員及專家進(jìn)行研究，通過對各種抗高溫封堵材料進(jìn)行試驗(yàn)測試優(yōu)選[19]，聯(lián)合研制了GPA-220抗高溫封堵劑，現(xiàn)場應(yīng)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?yàn)r青粉+聚合物降濾失劑GSP-2+褐煤樹脂SPNH+高溫保護(hù)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(zhuǎn)，鉆井性能得到一定程度的改善。在將鉆井液體系轉(zhuǎn)變?yōu)槟透邷厮@井液體系，并配合添加抗高溫封堵劑后，井壁逐漸穩(wěn)定，起下鉆阻力逐漸減小，下鉆掃孔時(shí)間越來越短，直至終孔未發(fā)生嚴(yán)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(hù)壁堵漏效果明顯。

5 結(jié)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(hù)孔壁穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[20]，常規(guī)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(jìn)的需要，還需加大抗高溫鉆井液的配方研究工作，逐步優(yōu)化，同時(shí)加強(qiáng)抗高溫鉆井液應(yīng)用維護(hù)的探索，形成一套抗高溫鉆井液應(yīng)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(wěn)定、處理井漏的關(guān)鍵。目前對這方面的研究還較少，需進(jìn)一步加強(qiáng)高溫護(hù)壁堵漏材料的研制，優(yōu)化配方，探索現(xiàn)場使用維護(hù)技術(shù)方法，形成一套抗高溫護(hù)壁堵漏工藝技術(shù)，為高溫巖層安全順利鉆進(jìn)提供保障。

(3)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)+孔底動(dòng)力鉆具復(fù)合鉆進(jìn)，可以有效提高硬巖地層鉆進(jìn)速度，在干熱巖鉆探中要加大推廣應(yīng)用?，F(xiàn)階段國內(nèi)螺桿鉆具發(fā)展已較為成熟，技術(shù)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(gòu)件存在抗溫極限，因此還需加強(qiáng)對橡膠構(gòu)件抗溫性能的研究。渦輪鉆具因無橡膠構(gòu)件，具有很好的抗高溫性能，但目前國內(nèi)對渦輪鉆具及其鉆進(jìn)工藝的研究較少，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)有關(guān)研究工作，探索渦輪鉆具鉆進(jìn)工藝技術(shù)，形成體系，使之應(yīng)用于更多的干熱巖鉆探施工中，提高干熱巖鉆探效率。