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

周 樂(lè)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國(guó)將自然環(huán)境溫度超過(guò) 150 ℃ 的地?zé)岘h(huán)境稱(chēng)為高溫地?zé)?，此種自然環(huán)境所產(chǎn)生的能源主要用作電力運(yùn)轉(zhuǎn)。無(wú)論是能源開(kāi)采模式，還是應(yīng)用方式上，地質(zhì)熱力基礎(chǔ)環(huán)境與常見(jiàn)油氣物質(zhì)具備相似性，但由于能源儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)層的特殊性，導(dǎo)致高溫地區(qū)能源開(kāi)發(fā)資源成本相對(duì)較高。

1 高溫地?zé)豳Y源特點(diǎn)

1)巖石硬度大

我國(guó)地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜且多變，其中的高溫地?zé)釁^(qū)域，巖石內(nèi)部硬度相對(duì)較大，并且?guī)r石之間的研磨性能相對(duì)較高。此種環(huán)境下巖石孔洞鉆取性能較低，大多數(shù)高溫地區(qū)能量?jī)?chǔ)存層中所包含的巖石成分相對(duì)比較復(fù)雜。例如，火山巖石成分、花崗巖石成分，以及結(jié)晶巖石等。所以該巖石開(kāi)采強(qiáng)度比具有油氣物質(zhì)的砂土巖石要高，部分地區(qū)所產(chǎn)生的巖石物質(zhì)單方向抗壓強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò) 240 MPa。

2)溫度較高

高溫地區(qū)的外部地質(zhì)溫度變化相對(duì)較大，并且具有明顯的階梯結(jié)構(gòu)，其中溫度儲(chǔ)存最高已經(jīng)超過(guò) 150 ℃。地?zé)岘h(huán)境開(kāi)發(fā)比較成功的項(xiàng)目溫度超過(guò)了 200 ℃[1]。

3)埋深水平高

現(xiàn)階段，我國(guó)商業(yè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)所研發(fā)的高溫環(huán)境基礎(chǔ)深度相對(duì)較大，最大已經(jīng)超過(guò)了 2800 m。然而，在自然環(huán)境中，一些地區(qū)鉆取幾百米深度就能得到 200 ℃ 的高溫水熱型地?zé)嶙匀毁Y源，所以技術(shù)人員針對(duì)此種自然環(huán)境一般需要使用淺層高溫地?zé)崮芰窟M(jìn)行電力研發(fā)和運(yùn)轉(zhuǎn)。長(zhǎng)時(shí)間研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，此種地?zé)嵊糜诎l(fā)電存在許多問(wèn)題和不足，比如，地質(zhì)熱量不穩(wěn)定，致使出水?dāng)?shù)量以及環(huán)境溫度變化相對(duì)較大，最終造成發(fā)電基礎(chǔ)穩(wěn)定性較差。同時(shí)，由于地下水在熱力能量位置所經(jīng)過(guò)的路徑相對(duì)較短，所以無(wú)論是能源開(kāi)采數(shù)量，還是水溫都降低較快。

4)非均勻質(zhì)強(qiáng)

在自然資源以及環(huán)境分布探索中，高溫液態(tài)物質(zhì)所產(chǎn)生的地質(zhì)熱力資源一般集中在地質(zhì)結(jié)構(gòu)板塊之間的活躍區(qū)域。由于此種地層裂縫在實(shí)施過(guò)程中發(fā)育較快，所以其結(jié)構(gòu)性裂縫數(shù)據(jù)尺寸相對(duì)較大，同時(shí)，板塊之間包含大顆粒的石英物質(zhì)，所以非構(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)。

2 高溫地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)鉆井技術(shù)研究

1)高效破巖技術(shù)

在自然環(huán)境能源開(kāi)采過(guò)程中，由于地?zé)岣邷鼐谒龅降牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)層較硬，如花岡巖石，因此此種地質(zhì)環(huán)境普遍具備高抗磨性等，一定程度上還存在著超高溫度等特點(diǎn)。即使使用全新設(shè)備鉆頭，由于基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，也不能在此種地層環(huán)境中獲取相應(yīng)的基礎(chǔ)資料。目前，聚晶金剛石儀器和設(shè)備，無(wú)論是切削操作，還是設(shè)備鉆孔，都無(wú)法有效適應(yīng)硬質(zhì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，所以現(xiàn)代化地?zé)徙@井施工技術(shù)主要使用牙輪鉆頭模式[2]。

高溫地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)過(guò)程中，碳化鎢鑲齒牙輪鉆頭可以應(yīng)付 150 ℃ 的操作環(huán)境，但設(shè)備一旦超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溫度，其鉆頭軸承結(jié)構(gòu)中的橡膠材料則會(huì)不斷退化，最終導(dǎo)致密封失去應(yīng)有的效果。如果鉆井液物質(zhì)、巖石碎屑進(jìn)入設(shè)備軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，則會(huì)造成軸承損壞，從而增加成本。

現(xiàn)階段，針對(duì)常見(jiàn)設(shè)備鉆頭零部件中無(wú)法抗擊高溫環(huán)境，最終造成設(shè)備使用壽命較低等問(wèn)題，則需要使用全新材料對(duì)鉆頭進(jìn)行密封處理，從而提升設(shè)備基礎(chǔ)的高溫抗擊能力。比如，現(xiàn)代化全新設(shè)備鉆頭材質(zhì)一般使用纖維性較高的碳氟化合物作為密封材料，并且使用合成的潤(rùn)滑油液以及基礎(chǔ)添加試劑，進(jìn)而有效提升抗高溫潤(rùn)滑性能。如果在地層溫度達(dá)到 270 ℃ 地?zé)峋惺褂?，并且單日工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 77 h，則使用該設(shè)備進(jìn)行孔洞鉆取時(shí)效率比傳統(tǒng)模式提升3%～37%，并且軸承和密封系統(tǒng)完好。

牙輪鉆頭在操作過(guò)程中，在高溫抗擊水平上得到了全面優(yōu)化和完善，但是設(shè)備使用過(guò)程中的研磨性導(dǎo)致設(shè)備損壞速度很快，并且深部地?zé)徙@頭使用壽命十分有限，致使該設(shè)備實(shí)際應(yīng)用時(shí)鉆頭施工均小于 50 h；而地質(zhì)在高溫基礎(chǔ)條件下，設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的螺旋桿所具有的馬達(dá)橡膠物質(zhì)極易被影響而老化。目前，設(shè)備螺桿鉆只能在井下溫度低于 175 ℃ 的基礎(chǔ)條件下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且渦輪鉆頭設(shè)備結(jié)構(gòu)中不包含橡膠物質(zhì)，所以該設(shè)備具有更高的抗高溫能力。我國(guó)引進(jìn)的低速大扭矩耐高溫渦輪鉆頭則具備在高溫 260 ℃ 環(huán)境下的鉆孔，設(shè)備主要以80～100 r/min 的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，同時(shí)設(shè)備在使用環(huán)節(jié)上增加的轉(zhuǎn)動(dòng)功率為5440～10880 Nm。

2)防堵技術(shù)

針對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫問(wèn)題的地?zé)峤Y(jié)構(gòu)層來(lái)說(shuō)，想要確保設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中能夠獲得更高產(chǎn)量，設(shè)備鉆井口以及鉆取通道就需要貫穿裂縫區(qū)域，此種模式會(huì)導(dǎo)致設(shè)備鉆井過(guò)程中產(chǎn)生井口泄露問(wèn)題。如果產(chǎn)生泄露，則會(huì)導(dǎo)致井口內(nèi)壁結(jié)構(gòu)坍塌，進(jìn)而產(chǎn)生鉆頭卡頓等相關(guān)問(wèn)題，不僅增加了施工時(shí)間，一定程度上還提高作業(yè)經(jīng)濟(jì)支出成本。根據(jù)現(xiàn)階段鉆頭設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀，高溫地?zé)徙@頭作業(yè)和施工過(guò)程中，處理井下泄露所支出的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用占據(jù)了總體施工費(fèi)用的10%～20%，并且鉆井液體中帶有的鉆頭碎屑物質(zhì)還會(huì)損壞地質(zhì)的能源儲(chǔ)存地層，從而減少和降低地?zé)峋茉纯傮w產(chǎn)值。

由于高溫地?zé)峋谑┕ず湍茉床杉^(guò)程中具有特殊的地質(zhì)性能，為此，防漏技術(shù)與其他鉆井技術(shù)相比較具有明顯的差異性?，F(xiàn)階段常見(jiàn)的防堵技主要為欠平衡鉆井技術(shù)(如霧化、空氣鉆井等)，由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的空氣流動(dòng)速度相對(duì)較大，所以在高溫并且富氧環(huán)境下，管道與立柱的腐蝕性以及設(shè)備的損壞程度不斷增加。為此，需要使用具有高經(jīng)濟(jì)以及可行的技術(shù)方式進(jìn)行解決。對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)層遺漏現(xiàn)狀進(jìn)行防堵，需要使用專(zhuān)業(yè)的堵漏劑或者水泥砂漿進(jìn)行結(jié)構(gòu)堵漏，同時(shí)，為了避免井口下部分受到高溫環(huán)境影響，則需要使用耐高溫堵漏材料或耐高溫水泥漿，同時(shí)還要提高堵漏材料的承壓穩(wěn)定性[3]。

3)抗高溫鉆井技術(shù)

高溫地?zé)岘h(huán)境進(jìn)行鉆井技術(shù)實(shí)施，鉆井液極易受到高溫因素的影響和作用，進(jìn)而導(dǎo)致黏土顆粒分散程度相對(duì)較高，最終造成結(jié)構(gòu)黏性不斷增加，嚴(yán)重時(shí)甚至稠化并且構(gòu)成凝膠形態(tài)物質(zhì)。物質(zhì)在該狀態(tài)下的基礎(chǔ)流動(dòng)性相對(duì)較差，從而影響鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行。除此之外，油基鉆井液的基礎(chǔ)抗溫度基礎(chǔ)性能比水基鉆井液要高。然而，油基鉆井液體則會(huì)對(duì)地質(zhì)儲(chǔ)物層造成嚴(yán)重的污染，因此鉆井實(shí)施過(guò)程中一般應(yīng)該使用水基鉆井液體結(jié)構(gòu)體系。同時(shí)，由于甲酸鹽鉆井液體物質(zhì)普遍具備地質(zhì)結(jié)構(gòu)密度可調(diào)節(jié)、高穩(wěn)定性較高等優(yōu)勢(shì)，能夠在高溫井下結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高密度鹽水鉆井液物質(zhì)。并且合成基鉆井液體物質(zhì)熱量穩(wěn)定性相對(duì)較高，以此成為了高溫地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)鉆井關(guān)鍵技術(shù)全新趨勢(shì)。

高溫地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)鉆井關(guān)鍵技術(shù)所使用的鉆井液是為了保證工程作業(yè)質(zhì)量，還需要增加專(zhuān)業(yè)的ECOTROL HT合成聚合物、MULXT如花試劑以及ONETROL HL泥漿控制試劑等。除了水資源基礎(chǔ)物質(zhì)以及合成基礎(chǔ)鉆井液物質(zhì)以外，還需要使用抗溫 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。

針對(duì)泡沫欠平衡鉆井作業(yè)環(huán)境，我國(guó)則先后研發(fā)出耐高溫 300 ℃ 以上的泡沫鉆井液體系。同時(shí)，該鉆井液在我國(guó)地質(zhì)環(huán)境中溫度高大 350 ℃ 的地?zé)峋畠?nèi)部結(jié)構(gòu)中全面應(yīng)用。為了避免鉆井操作過(guò)程中鉆井液溫度過(guò)高造成液體物質(zhì)氣體化，如果需要使用泡沫循環(huán)操作技術(shù)以及注水冷卻技術(shù)相結(jié)合時(shí)，還需要通過(guò)地面泥漿物質(zhì)進(jìn)行冷卻，并且在系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中安裝冷卻設(shè)備，根本上減少鉆井液的基礎(chǔ)溫度水平，從而不斷提升鉆井液物質(zhì)性能。為此，通常使用該技術(shù)時(shí)，鉆井液基礎(chǔ)溫度超過(guò)75℃時(shí)，需要使用泥漿冷卻技術(shù)和相關(guān)設(shè)備裝置。

3 結(jié)語(yǔ)

由此可見(jiàn)，在能源開(kāi)采過(guò)程中，由于高溫地?zé)岬刭|(zhì)環(huán)境中的巖石成分普遍具備硬度較高、抗磨性強(qiáng)等特點(diǎn)，所以在技術(shù)研究與探索方面上，需要從設(shè)備應(yīng)用方面開(kāi)展全面探索和應(yīng)用。