光新軍，王敏生

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

?

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

光新軍1,2，王敏生2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

地?zé)崮苁莵?lái)自地球深部的熱能，是一種清潔、低碳、環(huán)保的可再生資源，高效開(kāi)發(fā)地?zé)豳Y源對(duì)調(diào)整我國(guó)能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。目前高溫地?zé)衢_(kāi)發(fā)的鉆井技術(shù)都是采用油氣開(kāi)發(fā)的技術(shù)，由于高溫地?zé)醿?chǔ)層的特殊性質(zhì)，使得常規(guī)油氣鉆井技術(shù)作業(yè)效率低，成本較高。針對(duì)目前高溫地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的工程需求，介紹了高溫地?zé)醿?chǔ)層的類(lèi)型，分析了高溫地?zé)醿?chǔ)層特性和高效開(kāi)發(fā)的鉆井關(guān)鍵技術(shù)，包括高效破巖技術(shù)，防漏堵漏技術(shù)、抗高溫井下工具和儀器、抗高溫鉆井液、抗高溫水泥漿和高效低成本鉆井技術(shù)，并對(duì)未來(lái)高溫地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)的鉆井技術(shù)攻關(guān)方向提出了建議。

高溫地?zé)?鉆井 破巖效率 漏失 低成本

國(guó)際上把溫度超過(guò)150℃的地?zé)豳Y源稱(chēng)為高溫地?zé)豳Y源。目前高溫地?zé)豳Y源主要用來(lái)發(fā)電，在開(kāi)發(fā)方式上，地?zé)崤c常規(guī)油氣有諸多相似之處。但由于地?zé)醿?chǔ)層的巖性、埋深、溫度等特殊性質(zhì)，相比于油氣鉆井，地?zé)徙@井條件更為苛刻，使得高溫地?zé)衢_(kāi)發(fā)的鉆井成本較高。井深相同的情況下，高溫地?zé)徙@井成本是常規(guī)油氣鉆井成本的2～5倍，甚至更多。對(duì)于熱液型高溫地?zé)嵯到y(tǒng)，鉆井成本占整個(gè)發(fā)電投資的30%～50%。對(duì)于增強(qiáng)型高溫地?zé)嵯到y(tǒng)，鉆井成本超過(guò)50%(Pierceetal.，1993；Thorhallssonetal.，2011；Dumasetal.，2012)。為了高效利用高溫地?zé)豳Y源，需要提高鉆井作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。國(guó)外在高溫地?zé)徙@井方面做了大量工作，形成了相應(yīng)的配套技術(shù)。我國(guó)對(duì)高溫地?zé)岬拈_(kāi)發(fā)還處于前期階段，相關(guān)配套技術(shù)還沒(méi)有形成體系。筆者在介紹高溫地?zé)豳Y源類(lèi)型的基礎(chǔ)上，分析了高溫地?zé)岬膬?chǔ)層特性和高效開(kāi)發(fā)的鉆井關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合目前油氣鉆井技術(shù)的現(xiàn)狀，對(duì)高溫地?zé)衢_(kāi)發(fā)的鉆井技術(shù)攻關(guān)提出了建議，以期對(duì)我國(guó)高溫地?zé)豳Y源的高效開(kāi)發(fā)和利用有所裨益。

1 高溫地?zé)豳Y源的類(lèi)型

地?zé)衢_(kāi)發(fā)主要分為高溫利用和中低溫利用兩大類(lèi)。地層溫度高于150℃以上為高溫地?zé)幔?0℃～150℃為中溫地?zé)?，低?0℃為低溫地?zé)?。高溫地?zé)豳Y源最佳利用途徑是發(fā)電，中溫地?zé)徇m用于工業(yè)利用和發(fā)電，低溫地?zé)嵬ǔＷ鳛闊崴驘嵩粗苯永?。高溫地?zé)岚垂こ虅澐郑煞譃闊嵋盒偷責(zé)嵯到y(tǒng)和增強(qiáng)型(或工程型)地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)，如表1所示。

熱液型地?zé)崾堑責(zé)豳Y源的一種特殊形式，表現(xiàn)為高溫、高滲透和含大量水或蒸汽的巖層，通常分布于相對(duì)較淺的地層中。只需要利用高溫電潛泵就能通過(guò)大直徑生產(chǎn)井開(kāi)采超熱水和超熱蒸汽，開(kāi)采的超熱水或超熱蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。全世界這類(lèi)儲(chǔ)層相對(duì)較少，主要分布于構(gòu)造板塊活躍區(qū)和板塊內(nèi)部靠近板塊邊界部位。我國(guó)這類(lèi)地層相對(duì)較少，主要在藏南、川西和滇西等地和處于板塊內(nèi)部靠近板塊邊界的東部沿海。

增強(qiáng)型地?zé)崾侵傅貙勇癫剌^深且溫度較高，但是含水量不足或滲透率不高的地?zé)豳Y源，需要經(jīng)過(guò)水力壓裂或地面注水等作業(yè)后才能開(kāi)采。美國(guó)最早認(rèn)為深層結(jié)晶熱巖體中沒(méi)有流體存在，稱(chēng)其為干熱巖(Hot dry rock)。后來(lái)在日本肘折地區(qū)發(fā)現(xiàn)深部熱巖體中存在構(gòu)造裂縫，裂縫中含有少量水，稱(chēng)其為濕熱巖(Hot wet rock)。目前美國(guó)將這些地?zé)豳Y源統(tǒng)稱(chēng)為增強(qiáng)型(或工程型)地?zé)嵯到y(tǒng)(Craigetal.，2009；王曉星等，2012；Gerard，2013)。這類(lèi)資源主要分布在大型沉積盆地中，目前還沒(méi)有商業(yè)開(kāi)發(fā)，可能成為未來(lái)的地?zé)衢_(kāi)采資源。

表1 高溫地?zé)豳Y源按工程分類(lèi)Table 1 Engineering-based classification of high temperature geothermal resources

2 高溫地?zé)醿?chǔ)層的特點(diǎn)

(1)巖石的硬度大，研磨性強(qiáng)，可鉆性差。高溫地?zé)醿?chǔ)層的巖石一般為火山巖、花崗巖、結(jié)晶巖等，其巖石強(qiáng)度比含油氣儲(chǔ)層中的砂巖要大得多，有些地區(qū)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)240MPa，如圖1所示(Juliaetal.，2010)。

圖1 侵入巖與凝灰?guī)r強(qiáng)度隨孔隙度變化關(guān)系

(2)溫度高。高溫地?zé)釁^(qū)塊的地溫梯度較高，儲(chǔ)層溫度超過(guò)150℃，目前較為成功的地?zé)衢_(kāi)發(fā)項(xiàng)目溫度一般超過(guò)200℃，日本曾經(jīng)完成一口500℃的勘探井(李亞琛等，2016)。

(3)埋深較大。目前商業(yè)開(kāi)發(fā)的高溫地?zé)崽锷疃容^大，一般超過(guò)2800m。雖然在世界一些地區(qū)鉆幾百米就可獲得200℃以上高溫水熱型地?zé)豳Y源，早期曾嘗試?yán)眠@些淺層高溫地?zé)徇M(jìn)行發(fā)電，但經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該類(lèi)地?zé)岚l(fā)電存在問(wèn)題包括：①地?zé)崮懿环€(wěn)定，出水量和溫度變化較大，發(fā)電穩(wěn)定性差；②地下水在熱源處經(jīng)過(guò)路徑短，采出量與采出水溫度衰減較快，發(fā)電時(shí)間短(查永進(jìn)等，2012)。

(4)非均質(zhì)性強(qiáng)。高溫?zé)嵋盒偷責(zé)豳Y源主要集中在構(gòu)造板塊活躍區(qū)，地層裂縫較為發(fā)育，裂縫尺寸大，并且含有大顆粒的石英。典型的火山區(qū)地?zé)醿?chǔ)層巖芯柱如圖2所示(Greg，2011)。在非構(gòu)造板塊區(qū)的高溫地?zé)豳Y源一般埋深較深，鉆遇地層非均質(zhì)性也較強(qiáng)。

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

3.1 高效破巖技術(shù)

由于高溫地?zé)徙@井所鉆遇的地層均為硬度非常高的變質(zhì)巖或花崗巖，除了地層較硬、研磨性較強(qiáng)外，還存超高溫等特點(diǎn)。即便對(duì)于新一代鉆頭來(lái)說(shuō)，鉆速也非常低，井下動(dòng)力鉆具在在該類(lèi)地層也沒(méi)有取得突破。

由于聚晶金剛石(PDC)鉆頭切削齒還不能適應(yīng)硬質(zhì)地層，目前地?zé)徙@井主要采用牙輪鉆頭。碳化鎢鑲齒牙輪鉆頭能夠應(yīng)付高達(dá)150℃的溫度，但是超過(guò)了這一溫度，鉆頭軸承中的橡膠密封材料會(huì)發(fā)生退化，造成密封失效，鉆井液及巖屑進(jìn)入軸承腔，從而導(dǎo)致軸承損壞，限制鉆頭在井底的鉆進(jìn)時(shí)間，導(dǎo)致起下鉆次數(shù)增加和鉆頭使用數(shù)量增多，從而增加成本。針對(duì)常規(guī)鉆頭密封件中橡膠不能抗高溫，導(dǎo)

圖2 新西蘭火山區(qū)地?zé)醿?chǔ)層巖心

致鉆頭壽命太低的問(wèn)題，可以采用新材料密封橡膠或金屬密封代替橡膠密封來(lái)提高抗溫能力。史密斯鉆頭公司Kadera鉆頭采用纖維增強(qiáng)碳氟化合物作為密封材料，并采用合成潤(rùn)滑油及添加劑提高抗高溫潤(rùn)滑性能。在意大利一口地層溫度高達(dá)270℃的地?zé)峋惺褂?，單次入井工作時(shí)間達(dá)77h，鉆時(shí)比傳統(tǒng)牙輪鉆頭提高了3%～37%(Simone Orazzinietal.，2012)，軸承和密封系統(tǒng)完好。牙輪鉆頭雖然在抗高溫方面得到了改進(jìn)，但在研磨性地層切削齒磨損速度快，深部地?zé)徙@頭壽命仍然有限，在許多應(yīng)用中鉆時(shí)少于50h。美國(guó)NOVNETK公司正在研發(fā)適用EGS地層的錐形齒PDC鉆頭，如圖3所示 (Durrand，2010)，并論證將錐形齒應(yīng)用于牙輪鉆頭，以及與常規(guī)PDC齒進(jìn)行復(fù)合提高EGS地層鉆進(jìn)效果的可行性。

圖3 錐型齒PDC鉆頭

高溫條件下，螺桿鉆具馬達(dá)定子橡膠容易發(fā)生老化，目前螺桿鉆具最高只能在井底溫度175℃的條件下正常工作。渦輪鉆具由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不含有橡膠，比螺桿鉆具具有更高的抗溫能力。美國(guó)Manrer公司開(kāi)發(fā)的低速大扭矩耐高溫渦輪鉆具能夠在高達(dá)260℃的高溫條件下鉆進(jìn)，能以80r/min～100r/min的低鉆速驅(qū)動(dòng)12in牙輪鉆頭旋轉(zhuǎn)，并施加5440Nm～10880Nm的高扭矩。

3.2 防漏堵漏技術(shù)

針對(duì)含裂縫系統(tǒng)的地?zé)醿?chǔ)層，為了使地?zé)峋@得高產(chǎn)或提高熱交換效率，鉆井井眼軌跡一般需要穿過(guò)裂縫帶，鉆井過(guò)程中容易發(fā)生井漏。井漏使得井底壓力降低，造成井壁坍塌，卡鉆等一系列問(wèn)題，增加作業(yè)時(shí)間和成本，據(jù)統(tǒng)計(jì)，高溫地?zé)徙@井過(guò)程中，處理井漏的費(fèi)用占總費(fèi)用的10%～20%(牟德剛，2000；Robertetal.，2005；Billetal.，2010)。鉆井液攜帶的鉆屑還會(huì)傷害儲(chǔ)層，降低地?zé)峋漠a(chǎn)能。

高溫地?zé)峋捎谄涮厥獾牡貙犹匦?，其防漏堵漏技術(shù)對(duì)策與油氣鉆井有所區(qū)別。廣泛應(yīng)用的技術(shù)包括空氣/泡沫鉆井、堵漏劑堵漏/注水泥堵漏和盲鉆三種，其特點(diǎn)見(jiàn)表2。目前防止井眼漏失的方法主要是采用欠平衡鉆井技術(shù)，如霧化、空氣鉆井(吳燁等，2013)。為了攜巖，環(huán)空流速較大，在高溫含氧的環(huán)境下，加劇了管柱的腐蝕和工具接頭的損壞，需要采用經(jīng)濟(jì)可行的方法解決。針對(duì)地層漏失較小的情況，可以采用堵漏劑或水泥漿堵漏，為了防止井下高溫影響堵漏材料的性能，需要采用耐高溫堵漏材料或耐高溫水泥漿，同時(shí)要提高堵漏材料的承壓穩(wěn)定性。針對(duì)漏失較大的地層，可以采用清水盲鉆，再進(jìn)行多次堵漏，采用盲鉆時(shí)需要防止沉砂卡鉆。

針對(duì)固井作業(yè)中出來(lái)的漏失問(wèn)題，可以采用輕質(zhì)水泥、泡沫水泥、反循環(huán)固井工藝來(lái)進(jìn)行解決(譚慧靜等，2015)。

表2 防漏堵漏的技術(shù)對(duì)策Table 2 Mud losses prevention and technology countermeasures

3.3 抗高溫井下測(cè)量工具和儀器

高溫地?zé)醿?chǔ)層的溫度比一般油氣田要高，井下工具和儀器需要應(yīng)對(duì)更高的溫度。井下超高溫會(huì)使儀器的壓力密封件、電子元件的精密儀器和傳感器失效(Sverrir，2006；Syedetal.，2008)。

目前常用的耐高溫隨鉆測(cè)井和井下監(jiān)測(cè)等工具能在175℃以下的環(huán)境中正常工作，但流體的溫度超過(guò)175℃后，密封件和電子元件可能會(huì)損壞。采用隔熱材料對(duì)井下儀器進(jìn)行隔熱處理后，一定程度能提高耐溫性能，目前中國(guó)航天科工三院的納米高溫隔熱材料能滿足800℃的溫度。但是，即使采用隔熱材料，內(nèi)部溫度也會(huì)持續(xù)增加，電子元件在井下正常工作時(shí)間也受到限制，提高電子元件性能的主要途徑包括降低電子元件功耗、高效率的散熱技術(shù)、絕緣保護(hù)技術(shù)和改進(jìn)電子元件封裝技術(shù)。目前國(guó)外正在研究芯片冷卻技術(shù)、陶瓷芯片等，以提高電子元件的抗溫性能。同時(shí)，利用新型材料替代傳統(tǒng)氟橡膠材料或用金屬-金屬密封技術(shù)來(lái)提高井下儀器的密封性能。斯倫貝謝TeleScope ICE系列超高溫隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(MWD)集成陶瓷電路技術(shù)和多芯片組件技術(shù)，在200℃環(huán)境中經(jīng)過(guò)3.5萬(wàn)小時(shí)，200萬(wàn)次振動(dòng)沖擊測(cè)試，顯示了良好的穩(wěn)定性能。高溫也是使得傳感器失效的重要原因，隨著技術(shù)研發(fā)的不斷推進(jìn)，傳感器的耐溫能力也不斷獲得提升。道達(dá)爾和哈里伯頓聯(lián)合研發(fā)了系列超高溫高壓傳感器，目前已開(kāi)發(fā)耐溫230℃的Ultra系列的方位、伽馬、隨鉆壓力傳感器。GE公司通過(guò)提升碳化硅基高溫電子器件的復(fù)雜性和集成度，研發(fā)的帶有源電子器件和包裝材料的組件經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，在300℃下的作業(yè)壽命能超過(guò)2000h。對(duì)于鉆定向井與水平井來(lái)說(shuō)，地層超高溫，鉆進(jìn)深度較深，井眼軌跡控制精度要求不高的情況下，可以采用單點(diǎn)測(cè)斜儀來(lái)進(jìn)行測(cè)斜。

3.4 抗高溫鉆井液技術(shù)

在高溫地?zé)徙@進(jìn)過(guò)程中，鉆井液受高溫影響，粘土顆粒分散度增強(qiáng)，溫度越高，分散性越強(qiáng)，導(dǎo)致粘度增加，嚴(yán)重稠化并形成凝膠，流動(dòng)性較差，高溫高壓失水量增加，影響鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行(賈軍等，2015)。

油基鉆井液的抗溫性能比水基鉆井液要高，但是油基鉆井液會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成污染，增加發(fā)電期間水處理成本，鉆井過(guò)程中通常采用水基鉆井液體系。甲酸鹽鉆井液具有密度可調(diào)、高溫穩(wěn)定性好、抑制性強(qiáng)、抗污染能力強(qiáng)、低毒且易降解和儲(chǔ)層保護(hù)效果好等特點(diǎn)，在高溫井中可以有效替代傳統(tǒng)高密度鹽水鉆井液。合成基鉆井液熱穩(wěn)定性好，是抗高溫鉆井液研發(fā)的新趨勢(shì)。M-I SWACO公司最新研發(fā)的THADIAN抗高溫合成基鉆井液，能夠有效降低鉆井液在高溫條件下的性能老化，最高耐溫能達(dá)260℃。該鉆井液還添加了專(zhuān)門(mén)研制的ECOTROL HT合成聚合物，MUL XT乳化劑以及ONETROL HL泥餅控制劑，可以保證鉆井液在長(zhǎng)時(shí)間靜止后性能依然穩(wěn)定。除水基和合成基鉆井液外，還可以采用抗溫230℃以上的處理劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑配制而成的泡沫鉆井液(曾義金，2015)。針對(duì)泡沫欠平衡鉆井，中石油長(zhǎng)城鉆探工程公司研發(fā)了耐溫300℃泡沫鉆井液體系，并在肯尼亞一口溫度高達(dá)350℃的地?zé)峋谐晒?yīng)用。為了防止鉆井液過(guò)熱導(dǎo)致液體氣化，在鉆井過(guò)程中交替采用了泡沫循環(huán)與注水冷卻(魯立強(qiáng)等，2009；Zhangetal.，2012)。

通過(guò)地面泥漿冷卻裝置降低鉆井液溫度也是提高鉆井液性能的一種有效方法，一般規(guī)定返出的鉆井液溫度超過(guò)75°時(shí)需要采用泥漿冷卻裝置。

3.5 抗高溫固井技術(shù)

地?zé)峋昃话憧梢圆捎寐阊弁昃?，但?duì)于上部套管及管外水泥環(huán)來(lái)說(shuō)，要考慮高溫流體的影響(黃同生，2000；Ravietal.，2008；Brianetal.，2009)。高溫地?zé)峋叹に囮P(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①固井水泥石的強(qiáng)度是保證水泥環(huán)長(zhǎng)期有效封隔的關(guān)鍵。高溫通常導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度下降，當(dāng)溫度高于110℃時(shí)，水泥強(qiáng)度降低，在230℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低50%左右，溫度越高，強(qiáng)度下降越嚴(yán)重，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。為了提高水泥膠結(jié)強(qiáng)度，可以采用兩種方法，一是通過(guò)化學(xué)添加劑提高膠結(jié)強(qiáng)度，如斯倫貝謝的FlwxSTONE水泥漿體系，通過(guò)使用一種彈性添加劑，增強(qiáng)了固化水泥彈性變形的能力，使水泥環(huán)與套管形成更加緊密的密封，提高膠結(jié)質(zhì)量。二是通過(guò)改變微觀結(jié)構(gòu)提高水泥抗高溫能力。如斯倫貝謝的DuraSTONE水泥漿體系，利用粒級(jí)分布和微鋼帶技術(shù)確保高溫條件下的井筒完整性。粒級(jí)分布技術(shù)用于降低水泥環(huán)的滲透率并提高抗壓強(qiáng)度，微鋼帶技術(shù)在此基礎(chǔ)上對(duì)水泥環(huán)進(jìn)行加固。

②高溫對(duì)于固井水泥漿的凝固時(shí)間難以控制，容易導(dǎo)致固井失敗，可以采用固井前充分循環(huán)冷卻等方式，使固井時(shí)循環(huán)溫度達(dá)到滿足固井的要求。

③在熱采條件下，固井套管受溫差影響，產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起套管的拉伸和壓縮、徑向膨脹和屈曲，在套管設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮溫度對(duì)套管強(qiáng)度的影響。為了使套管受到更大的約束力，固井水泥要求返至地面。

④在高溫地?zé)峁叹?，鉆井液容易發(fā)生膠凝，導(dǎo)致固井頂替效率降低，使得環(huán)空中留有殘余的鉆井液，未替盡的鉆井液會(huì)因高溫形成高壓蒸汽擠壞套管。為了防止固井環(huán)空中殘留鉆井液，國(guó)外一般采用反循環(huán)固井技術(shù)，先利用沖洗液沖洗套管與套管之間的環(huán)空，然后在環(huán)空反循環(huán)注入水泥漿，同時(shí)確保在作業(yè)期間沒(méi)有殘余液體，這種固井技術(shù)在地?zé)徙@井中取得了很大的成功。

3.6 高效低成本鉆井技術(shù)

高溫地?zé)徙@井面臨開(kāi)發(fā)成本高的問(wèn)題，研發(fā)高效低成本的鉆井新技術(shù)提高鉆井效率尤為迫切。目前有許多方法可以降低高溫地?zé)峋绿坠芎凸叹某杀荆缈膳蛎浌芗夹g(shù)、小間隙井筒套管設(shè)計(jì)、跟管鉆井、多分支井等。采用可膨脹管技術(shù)可以減少套管級(jí)數(shù)和固井水泥用量，但需要保證可膨脹套管在井筒中遇熱膨脹的可靠性。小間隙套管設(shè)計(jì)可以代替膨脹管，減少套管與井筒之間的間隙。較小的公差可能引起固井作業(yè)問(wèn)題，可能需要采用井下擴(kuò)孔器在套管與井筒之間形成固井間隙。跟管鉆井是一種新興的降低成本的技術(shù)，其允許較長(zhǎng)的套管間隔，減少套管層數(shù)，降低鉆井成本。分支井鉆井技術(shù)可以增大井筒與儲(chǔ)層的接觸面積，廣泛應(yīng)用提高油氣采收率，但是針對(duì)需要進(jìn)行儲(chǔ)層改造的高溫地?zé)峋?，需要采用最?fù)雜的(5級(jí)或6級(jí))分支井完井工藝，以對(duì)各分支進(jìn)行有效的壓力封隔。

先進(jìn)鉆井技術(shù)的成果應(yīng)用也將會(huì)大幅提高鉆進(jìn)速度和鉆頭壽命，減少鉆機(jī)租用時(shí)間，并可采用輕型、低成本鉆機(jī)，使鉆井成本明顯降低。這些技術(shù)包括高壓水射流鉆井技術(shù)、高溫碎裂鉆井技術(shù)、激光鉆井技術(shù)、電弧等離子鉆井技術(shù)和化學(xué)腐蝕鉆井技術(shù)等(Bazarganetal.，2013；Ken，2013；Olivieretal.，2013；Igoretal.，2015)。這些技術(shù)目前還處于研發(fā)階段，沒(méi)有進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。但其中任何一種技術(shù)開(kāi)發(fā)成功，都將引起地?zé)徙@井實(shí)踐的重大變化，明顯降低鉆井成本。

4 認(rèn)識(shí)與建議

(1)高溫地?zé)醿?chǔ)層巖石具有硬度高、研磨性強(qiáng)、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在高效破巖方面，優(yōu)化高溫地?zé)醿?chǔ)層的鉆頭選型、提高牙輪鉆頭的耐高溫密封性能、新型PDC切削齒的研發(fā)以及渦輪鉆具的適應(yīng)性和研發(fā)耐高溫螺桿鉆具是提高破巖效率的關(guān)鍵。

(2)裂縫性油氣地層的防漏堵漏技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)較為成熟，針對(duì)高溫地?zé)岬貙拥姆缆┒侣┬枰紤]工程施工時(shí)井下高溫對(duì)堵漏材料性質(zhì)和防漏配套工藝的影響，開(kāi)發(fā)用于檢測(cè)高溫抗漏失材料性能的室內(nèi)測(cè)試設(shè)備，開(kāi)展地層漏失預(yù)測(cè)、隨鉆漏失檢測(cè)和隨鉆堵漏工藝等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。

(3)在高溫條件下的鉆井配套技術(shù)方面，目前國(guó)內(nèi)部分技術(shù)能滿足高溫地?zé)徙@井的需求，但是還沒(méi)有形成體系，需要開(kāi)展?jié)M足高溫條件下，耐高溫水基鉆井液、耐高溫逆乳化鉆井液、耐高溫固井泥漿和耐高溫電子元件和材料密封性能的攻關(guān)。對(duì)于定向井和水平井施工，如果井眼軌跡控制精度要求不高，可以采用抗高溫單點(diǎn)測(cè)斜儀的方式。

(4)在高效低成本鉆井技術(shù)方面，可以采用可膨脹管技術(shù)、小間隙井筒套管設(shè)計(jì)、跟管鉆井、多分支井等油氣鉆井技術(shù)，但部分關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步攻關(guān)。

(5)國(guó)內(nèi)地勘單位和石油企業(yè)應(yīng)積極儲(chǔ)備高溫地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)的前瞻技術(shù)，進(jìn)行潛在可行技術(shù)的研發(fā)，如高壓水射流鉆井、激光鉆井、高溫碎裂鉆井和電弧等離子鉆井技術(shù)等，提高研磨性地層的鉆進(jìn)速度，降低鉆井作業(yè)成本。

Bazargan M，Madani A，Sharifi H，Jalalyfar H，Ghassemal askary K，Rostamian A.2013.Utilization of lasers in Petroleum drilling industry[J].SPE17019:26-28

Bill Rickard，Abraham Samuel，Paul Spielman Michael Otto，Nic Nickels.2010.Successfully applying micronized cellulose to minimize lost circulation on the PUNA geothermal venture wells[C].Geothermal Resource Council，34th Annual meeting，Reno，Nevada，USA:1-15

Brian Berard，Rafael Hernandez，Hao Nguyen.2009.Foamed calcium aluminate phosphate cement enables drilling and cementation of California geothermal wells[J].SPE120845:1-6

Craig Beasley，Bertrand du Castel，Robert Lestz Keita Yoshioka.2009.Mining Heat[J].Oilfield Review，Schlumberger，21(4)：4-13

Durrand,C.j.，SKeem,M.r.，Hall,D.t.2010.Thick PDC，shaped cutters for geothermaldrilling：A fixed cutter solution for a roller cone drilling environment[C].American rock mechanics association，44th US Rock Mechanics Symposium，Salt Lake City，USA:1-11

Gerard Munoz.2013.Exploring for geothermal resources with electromagnetic methods[J].Surveys in Geophysics，35(1):101-122

Greg Bignall.2011.Taupo volcanic zone deep geothermal drilling project[R].Wairakei，New Zealand:GNS science:1-19

Huang Tong-sheng，Qu Zhong-qi.2000.Cement technologies in high temperature geothermal well of ZK 201[J].Petroleum drilling techniques，28(2):25-26(in Chinese with English abstract)

Igor Kocis，Tomas Kristofic，Matus Gajdos，Gabriel Horvath，Slavomir Jankovic.2015.Utilization of electrical plasma for hard rock drilling and casing milling[J].SPE173016:1-13

Jia Jun，Zhang De-long，Weng Wei ，Huang Yu-wen，Shan Wen-jun.2015.Key technology and development of hot dry rock drilling[J].Science & Technology Review，33(19):40-44(in Chinese with English abstract)

Julia V.Frolova，Vladimir M.Ladygin，Sergey N.Rychagov.2010.Petrophysical alteration of volcanic rocks in hydrothermal systems of the kuril-kamchatka Island Arc[C].Proceedings World Geothermal Congress：Bali，Indonesia:2010：1-7

K.Ravi，M.Fukuzawa，W.J.Hunter，A.Isvan Noerdin.2008.Advanced cement systems used to improve geothermal well reliability in Java[J].SPE115638:1-12

Ken Oglesby.2013.Micrhole arrays drilled with advanced abrasive slurry jet technology to efficiently exploit enhanced geothermal systems[R].Tulsa：Impact Technologies LLC:11-20

Li Ya-chen，Duan Chen-yang，Zheng Xiu-hua.2016.Best practices for high temperature geothermal drilling[J].Geology and Exploration，52(1):0173-0181(in Chinese with English abstract)

Lu Li-qiang,Shan Zheng-ming,Deng Fa-bing,Shi Li-wei.2009.Application of Air Foam Drilling Technology in Kenya Geothermal Well[J].Drilling & Production Technology,32(6):5-7(in Chinese with English abstract)

Mou De-gang.2000.Directional drilling techniques in high-temperature geothermal ZK201 well[J].Petroleum drilling techniques，28(4):11-13(in Chinese with English abstract)

Olivier Brzozowski.2013.Non-contact drilling technology for geothermal wells[R].California：Potter drilling inc:21-33

P Dumas，M Antics，P Ungemach.2012.Report on geothermal drilling[R].The European Union：GEOELEC：1-15

Pierce，K.G.，B.J.Liversya.1993.An estimate of the cost of electricity production from hot-dry rock[J].Geothermal resources council bulletin，22(8):1-10

Robert Moore，Daniel Bour，Shawn Reed，Rafael Hernandez.2005.High-Temperature wells with lost-circulation demands and reverse-circulation techniques using foamed-cement systems：two case histories[J].SPE84563:133-140

Simone Orazzini，Enel Italy，Regillion Kasirin.2012.New HT/HP Technology for geothermal application significantly increases on-bottom drilling hours[J].SPE150030:1-20

Sverrir Thorhallson.2006.New developments in geothermal drilling[A].UNU-GTP and LaGeo.Workshop for decision makers on geothermal projects in central America[C].El Salvador：1-8

Sverrir Thorhallsson，Bjorn Mar Sveinbjornson，Thomas Miyora Ongau.2011.Geothermal drillingeffectiveness[A].UNU-GTP and LaGeo.Short Course on geothermal drilling，resource development and power plants[C].El Salvador：Geothermal training program：1-8

Syed Zahoor Ullah，Syed Rehan Shah Bukhari.2008.Geothermal reservoirs：A renewable source of energy and an extension of petroleum engineering[J].SPE114718:1-10

Tan Hui-jing，Zhou Dan，Chen De-nan，Li Ya-cheng，Zheng Xiu-hua.2015.Research on performance of foam agents for foamed cement used in high-temperature geothermal wells[J].Geology and Exploration，51(6):1181-1186(in Chinese with English abstract)

Wang Xiao-xin,Wu Neng-you,Su Zheng,Zeng Yu-chao.2012.Progress of the enhanced geothermal systems developmenttechnology[J].Progress in Geophys,27(1):0355-0362(in Chinese with English abstract)

Wu Ye，Lu Yu-bei，Chen Ying.2013.Research on the air drilling test in the Tengchong volcano-geo-thermal-tectonic zone[J].Geology and Exploration，49(3):0528-0533(in Chinese with English abstract)

Zeng Yi-jin.2015.Technical progress and thinking for development of hot dry rock (HDR) geothermal resources[J].Petroleum Drilling Techniques，43(2):1-7(in Chinese with English abstract)

Zha Yong-jin，F(xiàn)eng Xiao-wei，Ge Yun-hua，Chen Zhi-xue.2012.Advances in the drilling technologies for high temperature geothermal power[J].Science & Technology Review，30(32):51-54(in Chinese with English abstract)

Zhang ZhaoFeng，James M.Njee，Han Min，Shan ZhengMing，Zhan Min，Sun Fasheng.2012.Successful implementation of HT geothermal drilling technology in Kenya[J].SPE155831:1-7

[附中文參考文獻(xiàn)]

黃同生,曲中啟.2000.ZK201高溫地?zé)峋叹夹g(shù)[J].石油鉆探技術(shù),28(2):25-26

賈 軍,張德龍,翁 煒,黃玉文,單文軍,熊正強(qiáng).2015.干熱巖鉆探關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),33(19):40-44

李亞琛,段晨陽(yáng),鄭秀華.2016.高溫地?zé)徙@井的最佳實(shí)踐[J].地質(zhì)與勘探,52(1):0173-0181

魯立強(qiáng),單正明,鄧發(fā)兵,史力衛(wèi).2009.空氣泡沫鉆井技術(shù)在肯尼亞高溫地?zé)峋膽?yīng)用[J].鉆采工藝,32(6):5-7

牟德剛.2000.ZK201高溫地?zé)岫ㄏ蚓@井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),28(4):11-13

譚慧靜,周 丹,陳德南,李亞琛,鄭秀華.2015.用于高溫地?zé)峋菽嗯菽瓌┬阅苎芯縖J].地質(zhì)與勘探,51(6):1181-1186

王曉星,吳能友,蘇 正,曾玉超.2012.增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,27(1):0355-0362

吳 燁,盧予北,陳 瑩.2013.滕沖火山地?zé)針?gòu)造帶空氣鉆探試驗(yàn)研究[J].地質(zhì)與勘探,49(3):0528-0533

曾義金.2015.干熱巖熱能開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)展與思考[J].石油鉆探技術(shù),43(2):1-7

查永進(jìn),馮曉煒,葛云華,陳志學(xué).2012.高溫地?zé)岚l(fā)電鉆井技術(shù)進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),30(32):51-54

Key Drilling Technologies for Efficient Development of High-Temperature Geothermal Resources

GUANG Xin-jun1,2, WANG Min-sheng2

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083；2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing100101)

Geothermal energy is the heat from the deep Earth.It is a clean,low-carbon and green and renewable recourse.Efficient development of geothermal resources is of great importance for adjusting our country’s energy structure.Currently,the drilling technology for high-temperature(HT)geothermal wells is essentially based on traditional drilling equipment for oil and gas exploration.Due to the special nature of the HT geothermal reservoirs,the efficiency of conventional drilling technologies is low and the cost is relatively high.To meet engineering requirement of HT geothermal resources,this article introduces the types of HT geothermal reservoirs,analyzes reservoir characteristics and keg drilling technologies forefficient development including lost circulation control technologies,efficient rock breaking,HT downhole tools and equipments,HT drilling fluids,HT cement technologies and advanced drilling technologies.At last,this paper gives some suggestions about tackling key problems in drilling technology for efficient development of HT geothermal resources in the future.

HT Geothermal, drilling, rock breaking efficiency, lost circulation, low cost

2016-03-23；

2016-07-21；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

中國(guó)石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“石油工程技術(shù)裝備發(fā)展趨勢(shì)與戰(zhàn)略對(duì)策”(編號(hào)：P15163)資助。

光新軍(1986年-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事鉆井前瞻技術(shù)及石油工程規(guī)劃方面的研究工作。E-mail:guangxinjun@126.com。

TE242

A

0495-5331(2016)04-0718-07

Guang Xin-jun, Wang Min-sheng. Key drilling technologies for efficient development of high-temperature geothermal resources[J].Geology and Exploration, 2016, 52(4):0718-0724.