吳進茂

摘要：我國地熱資源相當豐富，且地熱資源在環(huán)保具備相當大的優(yōu)勢。目前對地熱資源的開發(fā)技術(shù)存在許多問題，致使地熱資源的開發(fā)周期較長、成本較高。在這樣的前提下，如何降低地熱開發(fā)的成本，縮短其周期，提高其周期就成了當前地熱開采過程中著重要考慮的問題。碎裂鉆井技術(shù)就是人們解決這一問題的實踐產(chǎn)物，雖然目前其技術(shù)尚未成熟，但是其在減小設(shè)備磨損和靈活改變孔徑等方面的優(yōu)勢使其具有廣泛的發(fā)展前景。本文將就碎裂鉆井技術(shù)的工作原理作具體闡述，指明該技術(shù)的優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：地熱鉆井；碎裂鉆井；原理；優(yōu)缺點；前景

一、碎裂鉆井技術(shù)的產(chǎn)生

鉆井工程的傳統(tǒng)方法包括硬質(zhì)合金鉆進、金剛石鉆進、 牙輪鉆進等常規(guī)等機械碎巖鉆井方法。

（1）硬質(zhì)合金鉆進：指把不同幾何形狀和一定尺寸的硬質(zhì)合金按著鉆進的要求固定在鉆頭體上，并在一定的鉆進規(guī)程下破碎巖石的鉆進方法。

（2）金剛石鉆進：金剛石鉆頭的組成由金剛石、胎體、鉆頭體三個部分組成，在現(xiàn)行鉆井工程中具有較高的效率，但是鉆頭的損壞率較高，使用壽命較短。

（3）牙輪鉆進：多用于大型露天情況，其主要的缺點是勞動強度大、自動化水平低。

在地熱鉆井工程中，這些機械鉆井方式普遍都具有以下 2 個缺點：

（1）進尺慢：常規(guī)鉆井方法在鉆進油氣鉆井中表現(xiàn)較好，因為，油氣鉆井面對的底層多為松散、 沉積地層。然而地熱開采過程中要面對的巖層則多是花崗巖、 鐵燧巖等堅硬巖層， 常規(guī)的鉆井方法在面對這樣強度的巖層時，進尺速度會受到很大的影響，速度降低十分明顯。

（2）費用高。首先，常規(guī)鉆井方法的鉆頭的損耗率通常很高，而地熱開采的條件相較于油氣開采條件要苛刻的多，無論是在鉆井深度方面還是在開采是環(huán)境的溫度和壓力方面，這樣高溫高壓的操作條件更是加劇了鉆頭的損耗，使得地熱開采過程中鉆頭的更換十分頻繁，大大增加了地熱開采的成本。另外，由于進尺速度慢，使得開采的周期大大延長，無疑加大了投資成本。而且隨著鉆井深度的加大，成本會隨之加大，尤其是對于井深超過 4000 m 地熱資源的鉆井， 常規(guī)鉆井方式的鉆井周期長、 成本高的缺點就顯得尤為明顯， 這對地熱資源的開發(fā)利用非常不利。

基于以上傳統(tǒng)鉆井技術(shù)的明顯的缺點，人們迫切需要改變這一現(xiàn)象，需要一種非傳統(tǒng)的新型鉆井技術(shù)來代替這些傳統(tǒng)鉆井技術(shù)，由此碎裂鉆井技術(shù)應(yīng)運而生，碎裂鉆井技術(shù)是利用物理場能量來破碎巖石的鉆井的新方法，其在研究上已經(jīng)取得很大的進展，目前可以進入可實施階段?？梢灶A見，碎裂鉆井技術(shù)加入地熱資源的開發(fā)，對于地熱資源的利用將有巨大的影響，相信未來地熱資源的開發(fā)成本會隨之的推廣越來越低。

二、碎裂鉆井技術(shù)的原理

碎裂鉆井技術(shù)與常規(guī)鉆鉆井技術(shù)有很大的區(qū)別。（1）首先在能量傳輸方面，常規(guī)鉆井利用的是機械作用，是利用鉆機的驅(qū)動力使轉(zhuǎn)盤、 鉆柱等高速旋轉(zhuǎn)將能量傳遞到井底；而碎裂鉆井則是利用化學制品如燃料、氧氣，使之接觸產(chǎn)生高溫火焰并迅速將熱能傳輸?shù)骄?。?）巖石的破碎方式，與二者的能量傳輸方式對應(yīng)，常規(guī)鉆井技術(shù)是利用機械力使巖石破碎——例如牙輪或切削鉆頭對井底巖層的破碎作用；而碎裂鉆井技術(shù)則是通過巨大的溫差和不均勻的膨脹作用力使井底巖層破碎——由于燃燒產(chǎn)生巨大的高溫，使得巖體表面的溫度大大高于巖層內(nèi)部的溫度，產(chǎn)生巨大的溫度差，同時由于巖石的膨脹系數(shù)有所差異使得巖石在高溫作用下受到不均勻的膨脹作用力，基于這兩點，從而使得井底巖層被破碎。（3）巖屑的清理方式不同，常規(guī)鉆井技術(shù)利用的是鉆井泥漿和壓縮空氣對巖屑進行清理；而碎裂鉆井利用的是燃燒作用和壓縮空氣對巖屑進行清理。（4）在井控和井底穩(wěn)定性的維持方面，常規(guī)鉆井技術(shù)需要利用防噴器和泥漿的自重、靜水壓以及通過各種化學試劑進行維持；而碎裂鉆井技術(shù)則只通過防噴器進行井控。

總而言之，碎裂鉆井技術(shù)是利用高溫火焰灼燒巖體局部表面，使巖層表面受到高溫火焰的灼燒，從而使之受到溫度差和不均勻的熱膨脹而碎裂成薄片并脫離母巖，如此便大大降低了鉆井的強度，同時有利于進尺速度的提高。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，采用碎裂鉆井技術(shù)進行鉆井，其速度是常規(guī)鉆井方式的5倍以上，最大可達常規(guī)方法的十倍。以下將詳細介紹其區(qū)別于其它鉆井設(shè)備的最重要的結(jié)構(gòu)——燃燒器，同時將就碎裂鉆井技術(shù)的鉆進機理進行論述。

（一）燃燒器的結(jié)構(gòu)及特點

碎裂鉆井系統(tǒng)包括（1）管道：共有三條管道，分別負責輸送冷卻水、氧氣和燃料。（2）燃燒室：氧氣和燃料通過各自的管道被輸送到燃燒室，在此接觸燃燒。（3）噴嘴：燃燒室中產(chǎn)生的火焰通過其底端的噴嘴噴發(fā)，對巖層表面進行灼燒。（4）冷卻水出口，在燃燒器的中的井下燃燒器就像是一個噴氣發(fā)動機， 在其內(nèi)部產(chǎn)生的高側(cè)面設(shè)有冷卻水出口。

通過燃燒器產(chǎn)生高溫火焰灼燒巖層表面使得表面與深層巖石產(chǎn)生一定的溫度差從而使巖石發(fā)生碎裂；同時，由于不同巖石膨脹系數(shù)不同，在高溫效果下膨脹效果不一樣，從而使使得巖石發(fā)生碎裂。由于燃燒器在工作過程中距離巖層是有一段距離的，因而避免了與巖層接觸而造成的磨損，增加了該設(shè)備的使用壽命，大大降低了成本。但是，由于火焰流單一，造成熱能的集中，容易產(chǎn)生事故，針對該種現(xiàn)象，研究者對其進行了改進，增加了噴嘴的數(shù)量，使得火焰流增加，灼燒的點分散。

（二）碎巖機理

根據(jù)普雷斯等人對碎巖機理的研究，可知碎巖基本條件有兩個一是溫度梯度，二是應(yīng)力。要達到這兩個條件，要做到，加熱面積足夠小，加熱速度足夠塊。

作用機理：當對井底巖石表層的局部進行迅速的高溫加熱將導致應(yīng)力集中，并作用于靠近井底巖層表面的微小裂隙處， 使裂隙沿著平行井底巖層表面的方向發(fā)展， 形成附著于巖層表面的薄片并逐漸隆起， 到達一定程度后應(yīng)力會突然釋放， 導致薄片迅速地彈出巖層表面。若是已知巖石特性，可根據(jù)相關(guān)應(yīng)力-溫度公式估算出巖石碎裂所需要的溫度。endprint

在普雷斯等人研究的基礎(chǔ)之上，特斯特、韋伯等人提出了解釋碎巖機理的公式。

特斯特等人提出平行于巖石表面的壓應(yīng)力（σxx 和 σyy ）隨溫度的改變而改變， 二者關(guān)系如下式所示：

σxx= σyy= βr EΔT/（1 - v） （1）

式中：βr — — —巖石的線性膨脹系數(shù)；E— — —巖石的線性模量；ΔT— — —溫度變化量；v— — —泊松比。

從上式可以看出，壓應(yīng)力與溫度變化成正比例的關(guān)系，但是巖石碎裂的關(guān)鍵條件并未給出。而韋伯等人則給出了巖石碎裂的多種條件——微小裂隙的分布、 作用于裂隙處的應(yīng)力大小、 應(yīng)力作用面的面積等。同時提出了累積失效概率分布公式。

（2）

式中：σ— — —巖石中的壓應(yīng)力；σ0 — — —巖石抗壓強

度；m— — —均勻因數(shù)；V— — —應(yīng)力作用下的樣品體積。

上式對于巖石碎裂的條件進行了描述，但是壓應(yīng)力和均勻系數(shù)均需通過實驗測得。因而特斯特等人又針對此種問題進行研究解決了以下問題。

（1）確定了式（2）中壓應(yīng)力：通過巖石表面溫度曲線確定壓應(yīng)力的分布，再通過式（1）求得壓應(yīng)力。

（2）得到相關(guān)參數(shù)的通式：

（3）

（4）

其中，式（3）為熱通量公式，式（4）巖石碎裂時溫度公式。在縱橫比 C L 確定的情況下可以根據(jù)巖石特性求得相關(guān)參數(shù)。一般來說，縱橫比 C L 的值是可以假設(shè)，大約在8--15之間，根據(jù)不同的巖石可以確定縱橫比的大致范圍。據(jù)特斯特等人的計算，巖石碎裂時的溫度大約在400 ～550 ℃之間。

三、碎裂鉆井技術(shù)的優(yōu)缺點

（一）優(yōu)點

（1）進尺速度快。（2）設(shè)備磨損少。由于燃燒器在工作過程中距離巖層是有一段距離的，因而避免了與巖層接觸而造成的磨損；同時鉆桿柱沒有旋轉(zhuǎn)， 因而相對來說磨損有所降低。

（3）能夠靈活地改變孔徑大小。（4）控制井斜。碎裂鉆井的鉆桿柱不需要旋轉(zhuǎn)，而且井下燃燒器承受的壓力小，所以大大減少了井斜現(xiàn)象的發(fā)生。

（二）缺點

（1）受地形限制，適用范圍相對較小。（2）管道相對較多（包括氧氣管道、燃料管道、冷卻水管道），使得燃燒器結(jié)構(gòu)較為復雜。（3）相較于常規(guī)犯法，碎裂鉆井技術(shù)發(fā)生火災(zāi)的可能性更大。

四、結(jié)語

通過以上分析，我們了解了目前地熱資源開采一些現(xiàn)狀，即傳統(tǒng)鉆井技術(shù)周期長、成本高，當前地熱開發(fā)項目亟需引入新的技術(shù)來改變目前的局面以提高地熱資源的利用率，提高開發(fā)工程的經(jīng)濟效益。關(guān)于碎裂鉆井技術(shù)的缺點，目前研究者們也在努力尋求解決方案，相信未來，我們的工作人員會突破這些局限，將碎裂鉆井技術(shù)進一步完善。

參考文獻

[1]白占學，鄭秀華，于進洋.碎裂鉆井技術(shù)及其在地熱鉆井中的應(yīng)用前景分析[J].探礦工程，2013，40（2）：81-84.

[2]張云鵬，馬志偉，武旭.牙輪鉆機鉆孔能耗分析.金屬礦山，2014，（2）：127-130.

[3]鄭根源.金剛石鉆進的技術(shù)參數(shù)選取及注意事項[J].科技信息，2012，（7）：613.endprint

在普雷斯等人研究的基礎(chǔ)之上，特斯特、韋伯等人提出了解釋碎巖機理的公式。

特斯特等人提出平行于巖石表面的壓應(yīng)力（σxx 和 σyy ）隨溫度的改變而改變， 二者關(guān)系如下式所示：

σxx= σyy= βr EΔT/（1 - v） （1）

式中：βr — — —巖石的線性膨脹系數(shù)；E— — —巖石的線性模量；ΔT— — —溫度變化量；v— — —泊松比。

從上式可以看出，壓應(yīng)力與溫度變化成正比例的關(guān)系，但是巖石碎裂的關(guān)鍵條件并未給出。而韋伯等人則給出了巖石碎裂的多種條件——微小裂隙的分布、 作用于裂隙處的應(yīng)力大小、 應(yīng)力作用面的面積等。同時提出了累積失效概率分布公式。

（2）

式中：σ— — —巖石中的壓應(yīng)力；σ0 — — —巖石抗壓強

度；m— — —均勻因數(shù)；V— — —應(yīng)力作用下的樣品體積。

上式對于巖石碎裂的條件進行了描述，但是壓應(yīng)力和均勻系數(shù)均需通過實驗測得。因而特斯特等人又針對此種問題進行研究解決了以下問題。

（1）確定了式（2）中壓應(yīng)力：通過巖石表面溫度曲線確定壓應(yīng)力的分布，再通過式（1）求得壓應(yīng)力。

（2）得到相關(guān)參數(shù)的通式：

（3）

（4）

其中，式（3）為熱通量公式，式（4）巖石碎裂時溫度公式。在縱橫比 C L 確定的情況下可以根據(jù)巖石特性求得相關(guān)參數(shù)。一般來說，縱橫比 C L 的值是可以假設(shè)，大約在8--15之間，根據(jù)不同的巖石可以確定縱橫比的大致范圍。據(jù)特斯特等人的計算，巖石碎裂時的溫度大約在400 ～550 ℃之間。

三、碎裂鉆井技術(shù)的優(yōu)缺點

（一）優(yōu)點

（1）進尺速度快。（2）設(shè)備磨損少。由于燃燒器在工作過程中距離巖層是有一段距離的，因而避免了與巖層接觸而造成的磨損；同時鉆桿柱沒有旋轉(zhuǎn)， 因而相對來說磨損有所降低。

（3）能夠靈活地改變孔徑大小。（4）控制井斜。碎裂鉆井的鉆桿柱不需要旋轉(zhuǎn)，而且井下燃燒器承受的壓力小，所以大大減少了井斜現(xiàn)象的發(fā)生。

（二）缺點

（1）受地形限制，適用范圍相對較小。（2）管道相對較多（包括氧氣管道、燃料管道、冷卻水管道），使得燃燒器結(jié)構(gòu)較為復雜。（3）相較于常規(guī)犯法，碎裂鉆井技術(shù)發(fā)生火災(zāi)的可能性更大。

四、結(jié)語

通過以上分析，我們了解了目前地熱資源開采一些現(xiàn)狀，即傳統(tǒng)鉆井技術(shù)周期長、成本高，當前地熱開發(fā)項目亟需引入新的技術(shù)來改變目前的局面以提高地熱資源的利用率，提高開發(fā)工程的經(jīng)濟效益。關(guān)于碎裂鉆井技術(shù)的缺點，目前研究者們也在努力尋求解決方案，相信未來，我們的工作人員會突破這些局限，將碎裂鉆井技術(shù)進一步完善。

參考文獻

[1]白占學，鄭秀華，于進洋.碎裂鉆井技術(shù)及其在地熱鉆井中的應(yīng)用前景分析[J].探礦工程，2013，40（2）：81-84.

[2]張云鵬，馬志偉，武旭.牙輪鉆機鉆孔能耗分析.金屬礦山，2014，（2）：127-130.

[3]鄭根源.金剛石鉆進的技術(shù)參數(shù)選取及注意事項[J].科技信息，2012，（7）：613.endprint

在普雷斯等人研究的基礎(chǔ)之上，特斯特、韋伯等人提出了解釋碎巖機理的公式。

特斯特等人提出平行于巖石表面的壓應(yīng)力（σxx 和 σyy ）隨溫度的改變而改變， 二者關(guān)系如下式所示：

σxx= σyy= βr EΔT/（1 - v） （1）

式中：βr — — —巖石的線性膨脹系數(shù)；E— — —巖石的線性模量；ΔT— — —溫度變化量；v— — —泊松比。

從上式可以看出，壓應(yīng)力與溫度變化成正比例的關(guān)系，但是巖石碎裂的關(guān)鍵條件并未給出。而韋伯等人則給出了巖石碎裂的多種條件——微小裂隙的分布、 作用于裂隙處的應(yīng)力大小、 應(yīng)力作用面的面積等。同時提出了累積失效概率分布公式。

（2）

式中：σ— — —巖石中的壓應(yīng)力；σ0 — — —巖石抗壓強

度；m— — —均勻因數(shù)；V— — —應(yīng)力作用下的樣品體積。

上式對于巖石碎裂的條件進行了描述，但是壓應(yīng)力和均勻系數(shù)均需通過實驗測得。因而特斯特等人又針對此種問題進行研究解決了以下問題。

（1）確定了式（2）中壓應(yīng)力：通過巖石表面溫度曲線確定壓應(yīng)力的分布，再通過式（1）求得壓應(yīng)力。

（2）得到相關(guān)參數(shù)的通式：

（3）

（4）

其中，式（3）為熱通量公式，式（4）巖石碎裂時溫度公式。在縱橫比 C L 確定的情況下可以根據(jù)巖石特性求得相關(guān)參數(shù)。一般來說，縱橫比 C L 的值是可以假設(shè)，大約在8--15之間，根據(jù)不同的巖石可以確定縱橫比的大致范圍。據(jù)特斯特等人的計算，巖石碎裂時的溫度大約在400 ～550 ℃之間。

三、碎裂鉆井技術(shù)的優(yōu)缺點

（一）優(yōu)點

（1）進尺速度快。（2）設(shè)備磨損少。由于燃燒器在工作過程中距離巖層是有一段距離的，因而避免了與巖層接觸而造成的磨損；同時鉆桿柱沒有旋轉(zhuǎn)， 因而相對來說磨損有所降低。

（3）能夠靈活地改變孔徑大小。（4）控制井斜。碎裂鉆井的鉆桿柱不需要旋轉(zhuǎn)，而且井下燃燒器承受的壓力小，所以大大減少了井斜現(xiàn)象的發(fā)生。

（二）缺點

（1）受地形限制，適用范圍相對較小。（2）管道相對較多（包括氧氣管道、燃料管道、冷卻水管道），使得燃燒器結(jié)構(gòu)較為復雜。（3）相較于常規(guī)犯法，碎裂鉆井技術(shù)發(fā)生火災(zāi)的可能性更大。

四、結(jié)語

通過以上分析，我們了解了目前地熱資源開采一些現(xiàn)狀，即傳統(tǒng)鉆井技術(shù)周期長、成本高，當前地熱開發(fā)項目亟需引入新的技術(shù)來改變目前的局面以提高地熱資源的利用率，提高開發(fā)工程的經(jīng)濟效益。關(guān)于碎裂鉆井技術(shù)的缺點，目前研究者們也在努力尋求解決方案，相信未來，我們的工作人員會突破這些局限，將碎裂鉆井技術(shù)進一步完善。

參考文獻

[1]白占學，鄭秀華，于進洋.碎裂鉆井技術(shù)及其在地熱鉆井中的應(yīng)用前景分析[J].探礦工程，2013，40（2）：81-84.

[2]張云鵬，馬志偉，武旭.牙輪鉆機鉆孔能耗分析.金屬礦山，2014，（2）：127-130.

[3]鄭根源.金剛石鉆進的技術(shù)參數(shù)選取及注意事項[J].科技信息，2012，（7）：613.endprint