朱恒銀，王強(qiáng)，劉兵

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽六安 237010）

0 引言

我國已進(jìn)入了新的歷史時期，地質(zhì)勘探行業(yè)也發(fā)生了戰(zhàn)略性的改變，國土自然資源系統(tǒng)針對行業(yè)特點提出了“三深一土”科技發(fā)展戰(zhàn)略，地質(zhì)勘探已從較單一的地質(zhì)找礦向更廣泛的自然資源和生態(tài)、綠色環(huán)保地質(zhì)領(lǐng)域方向發(fā)展。尤其在新型能源勘探利用方面（如頁巖氣、干熱巖、深層地?zé)?、煤層氣、天然氣水合物等）逐漸成為社會關(guān)注的焦點。國家十分重視，投入較大。鉆探是地下新型能源的勘探與開發(fā)不可或缺的科學(xué)技術(shù)手段。因此，這給我們地質(zhì)勘探行業(yè)帶來了新的機(jī)遇。下面就深部地?zé)崮荛_發(fā)鉆探施工方面的若干問題淺談幾點認(rèn)識，供同仁們參考。

1 機(jī)遇與挑戰(zhàn)淺析

1.1 深部地?zé)崮荛_發(fā)機(jī)遇與愿景

1.1.1 地?zé)崮苜Y源儲量豐富

地?zé)崮苁且环N新型清潔能源，在當(dāng)今人們的環(huán)保意識日漸增強(qiáng)和石油、天然氣、煤炭等化石能源可采儲量減少且日趨緊缺的情況下，對地?zé)豳Y源的合理開發(fā)利用已愈來愈受人們的青睞。我國是地?zé)豳Y源相對豐富的國家，地?zé)豳Y源總量約占全球7.9%，可采儲量相當(dāng)于4626.5×108t標(biāo)準(zhǔn)煤。全國地?zé)峥刹少Y源量為每年68×108m3，年產(chǎn)出熱量約為5×104MWh。在地?zé)崂靡?guī)模上，近年來位居世界首位，并以每年10%的速度穩(wěn)步增長，世界各國年產(chǎn)出熱量比較如圖1所示。

圖1 世界各國年產(chǎn)出熱量比較圖Figure 1.Comparison of annual heat production among countries in the world

1.1.2 地?zé)崮苜Y源分布廣泛

圖2 地?zé)豳Y源分布圖Figure 2.Distribution map of geothermal resources

根據(jù)目前已探明的地?zé)豳Y源儲備以及區(qū)域分布特點來看，我國中高溫地?zé)豳Y源主要分布在西部及西南部地區(qū)（如藏、青、滇、川西等地）；中低溫地?zé)豳Y源主要分布在華北、東北以及東部和東南沿海地區(qū)，如圖2所示。我國近年來，同時加大了干熱巖型地?zé)豳Y源的調(diào)查，如青海、廣東、福建、山東和遼寧等地均發(fā)現(xiàn)了干熱巖地?zé)豳Y源。

1.1.3 地?zé)崮艿拈_發(fā)利用

地?zé)崮苜Y源根據(jù)溫度高低分為：高溫地?zé)?、中溫地?zé)岷偷蜏氐責(zé)?。地?zé)豳Y源溫度分級如表1所示。

表1 地?zé)豳Y源溫度分級表Table 1 Temperature classification table of geothermal resources

根據(jù)地?zé)崮艿臏囟雀叩瓦M(jìn)行合理的利用，主要有以下領(lǐng)域的應(yīng)用：

（1）高、中溫地?zé)崮埽河糜诎l(fā)電、烘干、工業(yè)制造方面利用。

圖3 西藏羊八井地?zé)犭娬綟igure 3.The geothermal power station in Yangbajin，Tibet

圖4 地?zé)岷娓珊Ｔ錐igure 4.Geothermal drying of seaweed

（2）低溫地?zé)崮埽河糜诓膳?、制冷、洗浴、醫(yī)療、溫室培育、農(nóng)業(yè)灌溉、養(yǎng)殖、種植等。

圖5 地?zé)峁┡疽鈭DFigure 5.Geothermal heating schematic

圖6 地?zé)嵯丛igure 6.Geothermal bath

圖7 地?zé)狃B(yǎng)殖Figure 7.Geothermal Breeding

圖8 地?zé)岱N植Figure 8.Geothermal planting

1.1.4 地?zé)崮艿拈_發(fā)拉動了地勘業(yè)的發(fā)展

地?zé)崮苁且环N新型清潔、可再生能源，可降低大氣層二氧化碳的排放，減少霧霾，對改善環(huán)境、減少污染具有重要的社會、經(jīng)濟(jì)意義和廣闊的發(fā)展前景?！笆濉逼陂g，據(jù)有關(guān)資料報道，國家在京津冀地區(qū)將投入數(shù)千億元資金開發(fā)地?zé)崮埽谖鞑考氨辈科渌》萃顿Y力度也逐年增大。眾所周知，深部地?zé)崮艿目碧介_發(fā)是靠鉆探工程來實現(xiàn)的，所以，深部地?zé)崮艿拈_發(fā)給地勘行業(yè)也帶來了新的機(jī)遇。

1.2 深部地?zé)崮芸碧介_發(fā)面臨著眾多挑戰(zhàn)

深部地?zé)崮芸碧介_發(fā)雖給我們地勘行業(yè)帶來了良好的機(jī)遇，但又面臨著新的眾多挑戰(zhàn)，主要有以下幾個方面：

1.2.1 市場的競爭對象的改變

國務(wù)院已取消了地質(zhì)勘探行業(yè)的相關(guān)資質(zhì)，去掉了行業(yè)的準(zhǔn)入門檻，削弱了國有地勘單位的資質(zhì)優(yōu)勢，這就意味著個體及民營企業(yè)均可進(jìn)入地勘競爭市場。同時，石油勘探系統(tǒng)也紛紛進(jìn)入地?zé)崮芸碧绞袌?。在這種形勢下，地勘市場競爭對象有了較大變化，加劇了地勘深井鉆探市場競爭的殘酷性和激烈性。另外，地勘單位在大直徑深井施工業(yè)績方面較少，也給進(jìn)入該市場競爭增加了難度。

1.2.2 鉆探設(shè)備能力和功能的改變

地勘單位原有的“小而輕”的地質(zhì)巖心鉆探設(shè)備已不能滿足深部地?zé)徙@探“大而深”的設(shè)備需求。

1.2.3 技術(shù)與人才結(jié)構(gòu)需求的改變

由于新時代賦予地勘行業(yè)的新使命、新任務(wù)，現(xiàn)有的地勘單位技術(shù)人員知識面及專業(yè)結(jié)構(gòu)不適應(yīng)新形勢的需求，例如，大直徑深井鉆探施工經(jīng)驗少，對新型的機(jī)械化、智能化程度較高的鉆探設(shè)備操作不熟練，缺乏大型的裝備現(xiàn)場安裝、電路、電器、自動化操作控制系統(tǒng)的調(diào)試、故障排除與維修等專業(yè)技術(shù)人員和工匠，與石油勘探系統(tǒng)相比有較大差距，尤其大直徑深井鉆探專業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)（如機(jī)械、工藝、鉆井液、事故預(yù)防與分析、固井等）配置不規(guī)范，缺少人才。

1.2.4 現(xiàn)場管理方法模式的改變

大直徑深井地?zé)徙@探施工，鉆孔深度一般均大于2000m，甚至達(dá)到5000m以深，單井施工費(fèi)用可達(dá)數(shù)百萬元至數(shù)千萬元，鉆探的工作內(nèi)容與地質(zhì)找礦鉆孔相比有較大區(qū)別，鉆探施工風(fēng)險增大。所以地勘單位以往粗放型、以包代管的現(xiàn)場管理方法、模式已不適應(yīng)大直徑深井地?zé)徙@探施工需求。

總之，深部地?zé)崮苜Y源勘探還面臨著諸多方面難題，需要進(jìn)一步探索與研究。

2 鉆探關(guān)鍵設(shè)備的選擇及優(yōu)化配置

深部地?zé)崮苜Y源鉆探主要是以“深、大、尖”（即鉆孔深、口徑大、設(shè)備技術(shù)精良）為特色。鉆探設(shè)備是保證鉆孔施工的必要條件，如何優(yōu)化選擇和配置深部鉆探設(shè)備是直接影響鉆探質(zhì)量、安全、效率及工藝方法的重要因素。

2.1 關(guān)鍵設(shè)備的選擇原則

鉆探設(shè)備通常是指鉆機(jī)、泥漿泵、鉆塔（井架）、泥漿固控四大系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9 鉆探設(shè)備四大系統(tǒng)Figure 9.four major systems of drilling equipment

根據(jù)深部地?zé)崮苜Y源鉆探特點，對鉆探關(guān)鍵設(shè)備的選擇基本原則有以下幾點：

2.1.1 鉆機(jī)的選擇

大直徑深井鉆探鉆機(jī)選擇應(yīng)提倡“大馬拉小車”的理念。鉆機(jī)能力在滿足相應(yīng)井深、井徑的前提下，必須留有余地。鉆機(jī)的提升能力和扭矩應(yīng)增加1.3～1.5 倍，不提倡“小馬拉大車”超負(fù)荷來創(chuàng)造井深紀(jì)錄的做法。避免鉆進(jìn)過程中井內(nèi)發(fā)生異常時，因鉆機(jī)能力不足，無法及時處理而造成井內(nèi)重大事故。

鉆機(jī)的類型優(yōu)先選擇大通徑（φ≥500mm）轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)或轉(zhuǎn)盤+頂驅(qū)鉆機(jī)。鉆機(jī)要求有較寬的調(diào)速范圍、鉆機(jī)參數(shù)顯示和安全控制系統(tǒng)。

2.1.2 泥漿泵的選擇

泥漿泵的選擇應(yīng)根據(jù)鉆井深度，環(huán)狀間隙（井徑和鉆具級配）、沖洗液上返流速等要素來確定。同時也要考慮施工中采用的工藝方法，如潛孔錘鉆進(jìn)、孔底液動馬達(dá)（螺桿鉆、渦輪鉆）鉆進(jìn)等對泥漿泵的特殊要求。深部地?zé)徙@探多采用高壓力、大排量鉆進(jìn)工藝，以提高上返流速和有效攜帶巖屑。一般選擇流量在1000～2000L/min 變量范圍，額定泵壓：3000m 以內(nèi)井深應(yīng)大于20MPa，5000m 以內(nèi)井深應(yīng)大于35MPa 的泥漿泵。鉆進(jìn)沖洗液上返流速應(yīng)大于0.4m/s。

2.1.3 鉆塔的選擇

深部地?zé)峥碧侥壳般@塔類型主要有：A 型、K 型、KZ型三種，如圖10所示。A型鉆塔一般適應(yīng)于3000m以淺鉆井，3000m以深鉆井需選擇K型、KZ型鉆塔，鉆塔基本參數(shù)選擇如表2所示。

圖10 三種類型的鉆塔Figure 10.three types of drilling towers

表2 深部地?zé)峥碧姐@塔基本參數(shù)選擇表Table 2 Selection of basic parameters of drilling Tower for Deep Geothermal Exploration

鉆塔的配套設(shè)備（如：天車、游動滑車、大鉤、吊環(huán)、吊鉗等）承載能力應(yīng)與鉆塔額定負(fù)荷相匹配。

2.1.4 泥漿固相控制系統(tǒng)的選擇

深部地?zé)峥碧骄趶酱?，一般采用局部取心和全面鉆進(jìn)，巖屑量大，對泥漿性能要求和有害固相含量控制和凈化較嚴(yán)格，鉆探泥漿性能的優(yōu)劣是鉆井施工成敗的關(guān)鍵。

圖11 整體組裝式泥漿固控系統(tǒng)Figure 11.Integral assembly mud solid control system

泥漿固控系統(tǒng)配套設(shè)備主要有：振動篩、旋流除砂器、除泥器、離心機(jī)等。泥漿固控系統(tǒng)有：整體組裝式和模塊組合式（如圖11 和圖12 所示）。井深3000m以淺的鉆井，建議選擇模塊組合式較方便，易搬遷、造價低。井深大于3000m 的鉆井，有條件的單位，可選擇整體組裝式。固控系統(tǒng)處理能力應(yīng)根據(jù)泥漿泵輸送排量而選擇。

圖12 模塊組合式泥漿固控系統(tǒng)Figure 12.Modular combined mud solid control system

泥漿固控循環(huán)系統(tǒng)作業(yè)流程，如圖13所示。

圖13 泥漿循環(huán)及固控系統(tǒng)示意圖Figure 13.Schematic diagram of mud circulation and solid control system

2.1.5 關(guān)鍵附屬設(shè)備

深部地?zé)崮芸碧绞┕ぴO(shè)備除上述四大件外，鉆桿擰卸和井口防噴設(shè)備是不可缺少的關(guān)鍵附屬設(shè)備。

鉆桿擰卸設(shè)備：一般選用液氣擰管鉗，擰管扭矩最大為100kN·m，適應(yīng)擰管直徑范圍，即可滿足日常地?zé)徙@探擰管要求。

井口防噴設(shè)備：根據(jù)井深、含氣、液層壓力、井口套管和鉆桿（或主桿）直徑等因素，選擇井口防噴器的規(guī)格。防噴器壓力級別共五級，即14MPa、21MPa、35MPa、70MPa、105MPa。防噴器作業(yè)方式有手動式和自動液壓式兩種，如圖14 所示。中低溫地?zé)徙@探，一般可以選擇14～21MPa 手動作業(yè)防噴器；高溫地?zé)徙@探應(yīng)選擇35MPa以上的自動液壓式防噴器。

圖14 閘板防噴器Figure 14.Gate blowout preventer

2.2 關(guān)鍵設(shè)備優(yōu)化配置

深部地?zé)峥碧姐@探設(shè)備一次性投入較大，一般需要千萬元以上，所以設(shè)備的優(yōu)化配置很重要。應(yīng)以“滿足施工需要、功能先進(jìn)適用、配置合理、利用率高”為原則，主要從以下幾方面考慮：

2.2.1 設(shè)備功能的先進(jìn)性

深部地?zé)徙@探設(shè)備投入大，在購置設(shè)備時須慎重，在設(shè)備選型上要有前瞻性，機(jī)械化、自動化、智能化程度相對要高，能保持在一定年限內(nèi)的先進(jìn)性，不會淘汰。設(shè)備配置盡量考慮能滿足多工藝鉆進(jìn)方法的需要。

2.2.2 設(shè)備主件具有模塊化結(jié)構(gòu)形式

設(shè)備模塊化結(jié)構(gòu)，可便于拆卸搬遷，設(shè)備主件可以互換與組合。如鉆機(jī)升降系統(tǒng)有互換性，能調(diào)節(jié)升降能力；鉆進(jìn)驅(qū)動形式（轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)和轉(zhuǎn)盤+頂驅(qū)），可根據(jù)施工需要進(jìn)行選擇及配置。

2.2.3 鉆塔優(yōu)選直升及高度可調(diào)試

鉆塔配置要考慮場地的局限性，宜優(yōu)選液壓直升式結(jié)構(gòu)，塔高根據(jù)設(shè)計井深安裝時可調(diào)節(jié)，如設(shè)計3000m 井深，塔高可調(diào)節(jié)為27m；大于3000m 井深，塔高可調(diào)節(jié)為31m 或41m。塔座高亦可配置2～3 層可調(diào)式，如分別為2m、3m、4m 層高單件，根據(jù)需要進(jìn)行組合。

2.2.4 鉆探設(shè)備優(yōu)選電動直驅(qū)式

鉆探主要設(shè)備驅(qū)動應(yīng)優(yōu)選交流或直流變頻電機(jī)直接驅(qū)動，以減少電能消耗，便于設(shè)備自動控制及工作參數(shù)信息采集。

3 鉆探工藝技術(shù)拓展創(chuàng)新

深部地?zé)徙@探鉆進(jìn)不同于地質(zhì)巖心鉆探，其特點是：鉆井深、口徑大、地溫高、地層多變、鉆井結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝流程繁瑣。如何提高鉆探效率和質(zhì)量，實現(xiàn)安全鉆進(jìn)，是鉆探技術(shù)探索和研究永恒的主題。下面就地?zé)徙@探工藝拓展與創(chuàng)新方面略談幾點認(rèn)識。

3.1 鉆進(jìn)技術(shù)方法

3.1.1 采用多工藝鉆進(jìn)技術(shù)

改變單一常規(guī)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法，在同一鉆井，不同地層及井段選擇不同的鉆進(jìn)工藝技術(shù)，如淺井段（1000m以淺）較軟地層及超大口徑中，可采用全孔反循環(huán)或者潛孔錘+回轉(zhuǎn)同徑鉆進(jìn)，以減少擴(kuò)井工序，提高鉆進(jìn)效率，降低井斜率。

3.1.2 應(yīng)用液動孔底馬達(dá)鉆進(jìn)技術(shù)

利用地?zé)徙@探口徑大的條件，應(yīng)用液動孔底馬達(dá)（螺桿鉆、渦輪鉆）鉆進(jìn)技術(shù)，尤其在3000m 以深的鉆井中鉆進(jìn)，優(yōu)勢更為突出，可降低鉆機(jī)動力消耗和地表噪音，鉆桿柱不回轉(zhuǎn)，鉆桿磨損少，避免井內(nèi)斷鉆桿事故。

3.1.3 拓展繩索取心技術(shù)的應(yīng)用

圖15 大直徑孔底加壓繩索取心鉆具Figure 15.Pressure rope coring drilling tool at the bottom of a large diameter hole

深井地?zé)徙@探是以無巖心全面鉆進(jìn)為主，一般情況下，只要求間斷取心或目的層連續(xù)取心，鉆井取心率只占鉆進(jìn)工作量的5%～10%之間。大口徑深井鉆探，雖然取心工作量少，但取心難度大，3000m井深每取一回次巖心一般需要2～3個臺班，提下鉆勞動強(qiáng)度大，工作效率低。目前小口徑地質(zhì)巖心鉆探繩索取心技術(shù)已應(yīng)用十分廣泛。可是在大口徑中繩索取心技術(shù)尚不成熟，處于摸索研究階段。安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313 地質(zhì)隊研發(fā)出深井大口徑（φ152mm～φ 216mm）系列繩索取心鉆具，如圖15 所示示（圖(a)、(b)實質(zhì)是一整體，圖(b)的右端與圖(a)左端是相連的），成功地在頁巖氣參數(shù)井中應(yīng)用，取得了良好的效果。研發(fā)了φ216mm以上口徑的繩索取心和全面鉆進(jìn)孔底互換鉆具，可應(yīng)用于深井大口徑鉆探中，為不提鉆井內(nèi)間斷取心和全面鉆進(jìn)互換技術(shù)提供了一種新方法。

3.2 鉆探泥漿技術(shù)

常言道：泥漿是鉆探的“血液”，說明泥漿技術(shù)在鉆探中的重要性。深部地?zé)徙@探由于在高溫、高壓條件下鉆進(jìn)，往往使泥漿中的各種組分發(fā)生降解，處理劑失去原有作用功能，導(dǎo)致泥漿絮凝、固化、膠體率和粘度下降，濾失量增大，流變性喪失。如何保持泥漿性能，滿足地?zé)徙@探要求，應(yīng)加強(qiáng)以下幾個方面研究和新技術(shù)的推廣應(yīng)用。

3.2.1 優(yōu)選研發(fā)耐高溫、低污染泥漿材料

推廣使用凹凸棒土、海泡石等耐高溫材料替代普通黏土粉；優(yōu)選腐殖酸類、聚丙烯酸類、磺化多元共聚物類、水解聚丙腈銨鹽類等作為泥漿處理劑。這些處理劑抗溫能力可達(dá)200℃以上且具有無毒性，對環(huán)境污染小的優(yōu)點。要進(jìn)一步研發(fā)大于300℃以上的泥漿材料。

3.2.2 推廣應(yīng)用壓力平衡鉆探技術(shù)

在中低溫地?zé)峋@探中，推廣低密度（0.0012～0.85g/cm3）欠平衡壓力鉆進(jìn)技術(shù)，如采用空氣、泡沫泥漿、充氣泥漿等來進(jìn)行鉆進(jìn)。該方法具有可減少泥漿對含水儲熱層的封閉作用，有利于增加地下流體產(chǎn)能，提高鉆進(jìn)效率，縮短后期洗井時間等優(yōu)點。

在高溫地?zé)峋@探中，推廣應(yīng)用高密度、耐高溫泥漿技術(shù)，平衡高溫情況下氣體和地層壓力，以防止井噴和保持井壁的穩(wěn)定性。

3.3 地?zé)衢_采井增產(chǎn)技術(shù)方法

深部地?zé)衢_采井日產(chǎn)熱能量，是衡量成井質(zhì)量與成果的重要指標(biāo)。增加地?zé)崮荛_采產(chǎn)量，目前主要應(yīng)用技術(shù)有：水力壓裂，多分支及水平對接，地下水回灌等技術(shù)。

上述技術(shù)其原理主要是在開發(fā)井中的地?zé)崮芎畬游?、高溫儲熱層位（干熱巖段）中，用人工強(qiáng)制措施以擴(kuò)大采熱地層斷面；疏通松散、破碎帶層位裂隙通道；補(bǔ)給地下水熱交換水源，保持原有地下水位等；以增加開采井的產(chǎn)量。

4 結(jié)束語

深部地?zé)崮苜Y源勘探開發(fā)是國家戰(zhàn)略，對于地勘行業(yè)而言，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。我們必須正視存在的問題和困難，在新的歷史時期，應(yīng)加速技術(shù)人才的培養(yǎng)與交流；調(diào)整專業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)；開展大直徑深部鉆探關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新；積極推廣應(yīng)用新技術(shù)、新方法；提高設(shè)備自動化、智能化水平和施工能力；強(qiáng)化規(guī)范施工管理，提高綜合管理人員管理素質(zhì)和水平。抓住機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，強(qiáng)力推動深部地?zé)徙@探技術(shù)的快速發(fā)展。