李亞琛，段晨陽，鄭秀華

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

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高溫地熱鉆井的最佳實踐

李亞琛，段晨陽，鄭秀華

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

地熱開發(fā)的關(guān)鍵是地熱鉆井，高溫地熱鉆井成本高，風(fēng)險大。2008年，歐盟出版了“增強型地熱系統(tǒng)最佳實踐手冊”；2010年，美國桑迪亞國家實驗室出版了“地熱鉆井最佳實踐手冊”。本文參考這兩本手冊和世界主要高溫地熱鉆井實踐，分析了高溫地熱鉆井的特點及主要潛在問題，介紹了高溫地熱鉆井的成熟鉆井技術(shù)和一些前瞻性的技術(shù)，以及不同地質(zhì)條件下(火山巖、變質(zhì)巖和花崗巖)適用的最佳鉆井實踐，旨在對我國高溫地熱鉆井提供技術(shù)參考。

高溫地熱 鉆井技術(shù) 最佳實踐

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

0 前言

地熱是地球內(nèi)部的可再生清潔新能源。地熱資源以多種不同的形式存儲于地下，現(xiàn)階段實際開發(fā)的只是埋藏淺于4km且水量豐富和天然滲透性高的水熱系統(tǒng)。其它被研究用于能源生產(chǎn)的地熱系統(tǒng)有：a.地壓型地熱系統(tǒng)，水的溫度稍高(高于正常地溫梯度)但靜液壓力要遠高于其正常深度的壓力(Fredericketal.，1979)；b.巖漿型地熱系統(tǒng)，溫度為600～1400℃(Chuetal.，1990)；c.干熱巖(HDR)系統(tǒng)，溫度通常為200～350℃，但是巖石具有較低的天然滲透性和少量的水。

2007年，美國麻省理工學(xué)院完成了《地熱能的未來-21世紀增強型地熱系統(tǒng)(EGS)對美國的影響》。研究報告提出，地熱能在2050年將提供100GW的發(fā)電裝機容量，這一數(shù)字是相當可觀的。受該報告的影響，目前世界上已有越來越多的國家開展了對EGS的研究。我國雖然對中低溫地熱資源的直接利用居世界首位(多吉，2013)，但是對高溫地熱資源的發(fā)電利用重視不夠。自2007年，我國也開始了EGS的研究(鄭克棪等，2013)。

不可否認的是，不管何種類型的地熱資源，要達到合理高效地開發(fā)利用都需要先進的地熱鉆井技術(shù)做支撐。本文在介紹地熱鉆井特點及問題的基礎(chǔ)上，分析了地熱鉆井的優(yōu)勢技術(shù)及在未來可能應(yīng)用的前瞻性鉆井技術(shù)。同時也可以對我國的地熱鉆井開發(fā)提供技術(shù)參考。

1 地熱鉆井

1.1 地熱鉆井特點

地熱鉆井主要借鑒油氣井鉆井技術(shù)，由于熱儲巖石地質(zhì)條件，諸如巖性、埋深以及產(chǎn)出流體性質(zhì)不同，相比于油氣鉆井、地熱鉆井條件更為苛刻，還要針對地熱井特有的高溫和大口徑進行新技術(shù)和新設(shè)備的改進與研發(fā)(Carpano，1981；Fingeretal.，2010)。與油氣鉆井相比，地熱鉆井具有以下特點：

(1) 溫度高，埋深變化大

內(nèi)華達州的Steamboat Hills和加利福尼亞州的Mammoth Lakes，熱儲埋深僅為330m左右，熱水溫度約為200℃。加州的Geysers地熱井，深通常深為2500～3000m，產(chǎn)出>240℃的干蒸汽；日本曾完成一口深3500m、井底溫度500℃的勘探井(Saitoetal.，2000)；夏威夷和冰島試驗孔鉆至熔巖，溫度>980℃。

(2) 巖石堅硬、研磨性強且地應(yīng)力高

熱儲巖石多為火山巖和變質(zhì)巖，與油氣井的沉積巖石相比，具有堅硬、研磨性強和地應(yīng)力高的特點，地層破碎而且常常不穩(wěn)定。

(3) 裂隙高度發(fā)育，甚至存在厘米級裂縫；地層壓力低，漏失嚴重。

(4) 地層中常含有腐蝕性流體，對鉆柱、套管等具有腐蝕性。此時需要生產(chǎn)昂貴的鈦合金套管和研制特殊水泥。

(5) 地熱井直徑大，所需套管程序多，固井水泥量大。

1.2 地熱鉆井的主要問題

上述特點意味著地熱鉆進是非常困難的。鉆進速度和鉆頭壽命通常都比較低(Cacinietal.，1994)，腐蝕很常見，循環(huán)漏失頻繁且嚴重。井內(nèi)高溫亦加劇了這些問題。

常見的地熱系統(tǒng)幾乎都含有溶解或游離的二氧化碳(CO2)和硫化氫(H2S)氣體，這些氣體會造成嚴重的腐蝕問題。H2S的存在使地熱鉆井設(shè)備的選擇更加單一，并且只能使用低強度鋼套管，因為硫化物會使高強度鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂H2S本身也是鉆井過程中的重大安全隱患。應(yīng)用材料的局限以及相關(guān)的安全隱患，增加了地熱鉆井的成本。

特別值得一提的是，循環(huán)漏失與熱儲損害不容忽視。一方面，漏失會帶來巨大的經(jīng)濟損失，漏失成本通常占鉆井成本的10%～20%，而且循環(huán)漏失往往是巨大的，甚至不上返。許多地熱鉆井報廢是因為不能穿過漏失層(Mansureetal.，2002)，而且更多的井需要用設(shè)計之外的套管柱來解決漏失問題；另一方面，漏失是有害的。地熱井中，生產(chǎn)層通常是漏失層，因此很難恢復(fù)漏失所造成的損害而保持其生產(chǎn)潛力。

2 高溫地熱鉆井技術(shù)

2.1 鉆井計劃

鉆井作業(yè)的關(guān)鍵是鉆井計劃。它不僅可以降低成本，而且可以減少突發(fā)事件對鉆井產(chǎn)生的危害以及財產(chǎn)損失。一個詳細的鉆井計劃應(yīng)當列出完成這口井所需要的所有工作(地表條件、鉆井、完井、固井、測井等 )，并且包括完成這些工作所需的成本和時間，對每個單獨任務(wù)進行充分說明，并明確它們完成的先后順序。

2.2 鉆機選擇

地熱井通常包括勘探井和生產(chǎn)井(包括注入井)。

鉆小口徑井，使用巖心鉆機可以節(jié)約成本。因為巖心鉆機只需要小的套管、工具(鉆頭、鉸刀等)和少量的水泥，還有能力鉆穿全漏失地層。

如果需要鉆大口徑井，那么通常采用常規(guī)轉(zhuǎn)盤式鉆機。多年以來，傳統(tǒng)的鉆機都是靠機臺上的轉(zhuǎn)盤來帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)。但是目前“頂部驅(qū)動”技術(shù)業(yè)已成熟，它改善了以往隨著鉆進每次只能加一根鉆桿的情形。這種鉆機可以帶動一組(兩到三根)鉆桿，節(jié)省了連接時間，而且在下鉆時可以旋轉(zhuǎn)和循環(huán)。這種邊鉆進邊循環(huán)的方式對于地熱井來說尤為重要，因為它可以在鉆進過程中保護對溫度敏感的工具。雖然頂部驅(qū)動的鉆機日常的成本比較高，但它往往更劃算。

2.3 鉆井設(shè)計和套管程序

鉆井設(shè)計通常是從井底到套管頂部。就是說，預(yù)計的生產(chǎn)層深度和流量決定鉆井的井身結(jié)構(gòu)，并且大多數(shù)設(shè)備也由這些條件確定。由于地熱井產(chǎn)出的熱水或蒸汽(相比于石油或天然氣)價值較低，所以流量要很高。而且地熱流體的生產(chǎn)是直接從儲層流到套管，如果存在兩相流，大孔徑套管可顯著降低蒸汽的流動壓降，提高生產(chǎn)率(Combsetal.，2000)。此外，許多低溫地熱井不能自流，必須使用泵，要么在地表采用長軸泵驅(qū)動，要么采用潛水泵(鉆井設(shè)計必須滿足泵的移動)。所有這些因素導(dǎo)致地熱井比同樣深度的油氣井的口徑要大-生產(chǎn)層的套管直徑一般在20～34cm(Fingeretal.，2010)。

2.4 水泥固井

套管是通過水泥固定的。首先向套管中注入計算好的水泥漿量，在水泥的頂部放一個活動塞，然后在活動塞上部注入泥漿并向下推動活動塞，這就迫使水泥從套管底部流出，從套管與井壁的環(huán)空上返。在多數(shù)石油和天然氣井中，套管只是在井底固定，但是地熱井從上到下必須有完整的水泥環(huán)(Nelsonetal.,1981)。這種水泥具有兩種非常重要的功能：在生產(chǎn)與關(guān)井期間強烈的熱循環(huán)下，給予套管機械支撐；保護套管不受地層流體腐蝕。

2.5 完井

除了需要在套管四周覆蓋完整水泥，影響完井設(shè)計的因素還包括：鹽水化學(xué)成分、鉆井分支的完井、生產(chǎn)層的完整性，即：判斷是否允許裸完井眼或必須使用內(nèi)襯套管。

鹽水的化學(xué)成分不僅具腐蝕性，還會在生產(chǎn)地層和套管內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢，這是所有的地熱井都面臨的問題(Ocampo-Díazetal.，2004)，它會導(dǎo)致頻繁的修井。在嚴重的情況下，未經(jīng)處理的結(jié)垢會導(dǎo)致套管的流通面積在一個月內(nèi)大幅度減少。結(jié)垢有時可以通過高壓射流解決(Hurtadoetal.，1990)，但是當生產(chǎn)地層堵塞時，就必須用鉆頭鉆開(需要可膨脹的鉆頭伸到套管底部，通常鉆頭直徑要大于套管內(nèi)徑)。

最后，需要判斷生產(chǎn)地層是否足夠穩(wěn)定可以支持裸孔，還是必須使用割縫襯管防止地層巖石脫落或崩塌落入井內(nèi)。這些可以從鉆井獲得的地質(zhì)樣品中判斷，如果允許的話也可以通過測井成像技術(shù)，但是根據(jù)同一地區(qū)地熱井鉆井經(jīng)驗判斷是比較常見的。

2.6 鉆井液

歷史上看，大多數(shù)地熱鉆井泥漿都是淡水和膨潤土的簡單混合物，也可加入聚合物(Zilchetal.，1991)。充氣泥漿或者充氣液，通常是將空氣加入到液體中使其密度變小，但有時因為腐蝕嚴重會使用氮氣；在漏失嚴重的地層，廣泛使用充氣泥漿。上世紀70年代早期充氣鉆井液就在國際上得到廣泛使用，并顯示出諸多優(yōu)勢。使用空氣鉆進也相對常見，因為它的機械鉆速高于泥漿或充氣泥漿。

有時采用清水或無固相鉆井液也是相當可取的，特別在生產(chǎn)地層，傳統(tǒng)的泥漿會對儲層造成傷害。通常在漏失嚴重的地層也會使用這種方式，但這會導(dǎo)致水泥套管固井變得復(fù)雜，因此需要特殊的水泥固井技術(shù)，例如泡沫水泥技術(shù)或沖洗回填技術(shù)。無液體上返需要大量的水供應(yīng)，在缺水地區(qū)無法實現(xiàn)，但是，這種技術(shù)在印度尼西亞、新西蘭、菲律賓、冰島和墨西哥等地區(qū)(Jaimes-Maldonadoetal.，2006)成功應(yīng)用。

3 先進技術(shù)

地熱鉆井運用的較成熟的技術(shù)是控壓鉆井技術(shù)、定向鉆井技術(shù)等；最近針對地熱鉆井的特殊鉆井液的研制也取得了重大進展；可膨脹套管技術(shù)及跟管鉆進技術(shù)尚處研究階段，但已表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

3.1 控壓鉆井技術(shù)

控壓鉆井起源于欠平衡鉆井，通過對井口套管壓力、流體密度、水力摩阻等的綜合控制，根據(jù)鉆井要求和地層特點，調(diào)整井內(nèi)液柱壓力與地層壓力之間的關(guān)系，鉆進過程中的壓力控制流程見圖1(伊明等，2010)。地熱鉆井中應(yīng)用控壓鉆井技術(shù)表現(xiàn)出兩點突出優(yōu)勢：a.該技術(shù)能有效減少循環(huán)鉆井液的漏失，避免了應(yīng)堵漏而消耗的鉆井液用量，從而縮短鉆井周期，節(jié)約成本；b.避免了過量鉆井液向地層內(nèi)流失，減輕了鉆井液對熱儲的損害，從而保證了熱儲產(chǎn)能。

上述兩種優(yōu)點已在實際應(yīng)用中有充分體現(xiàn)。如在肯尼亞OLKARIA地區(qū)鉆地熱井，由于該區(qū)域自上到下裂縫和溶洞非常發(fā)育，從地表至熱儲的任何一點都有可能發(fā)生漏失，漏失段或漏點無普遍規(guī)律可尋。依據(jù)地熱井的生產(chǎn)特性，也不允許堵漏，采用空氣泡沫鉆井很好地解決了井漏和井眼清潔的問題(鄭術(shù)生，2012)。澳大利亞的EGS井Habanero1井由于泥漿漏失遭到破壞，對Habanero2井進行了幾次側(cè)鉆，又因高溫和高比重泥漿在井內(nèi)作業(yè)困難而最終放棄了，Habanero3井采用控壓鉆井沒有泥漿漏失，節(jié)約了鉆井成本，且熱儲主裂縫的生產(chǎn)能力和注入能力都表現(xiàn)良好。國內(nèi)如西藏羊易地區(qū)地熱井，中深部是高溫低壓地層，鉆井過程中出現(xiàn)上噴下漏的復(fù)雜現(xiàn)象，因地制宜地選用清水平衡鉆進，通過大小循環(huán)控制清水溫度，既保證安全鉆井也充分保護了熱儲(鄭秀華等，2013)；我國在60年代就開始了空氣鉆進技術(shù)的研究，但受限于當時的技術(shù)水平及設(shè)備能力，發(fā)展較緩慢(鄭秀華等，1992)，“七五”以來在配套鉆具及鉆進工藝方面取得了一定進展，針對地熱鉆井采用空氣鉆井技術(shù)也有成功的案例，騰沖火山地熱構(gòu)造帶地層破碎、漏失、缺水嚴重，傳統(tǒng)的鉆井液循環(huán)體系建立需要大量工程用水，為了降低鉆井成本，提高鉆井效率，針對項目區(qū)地層和環(huán)境條件進行了空氣鉆探試驗，并取得了良好的實際效果(吳燁等，2013)。

3.2 輕質(zhì)防腐水泥(固井和堵漏)

為了提供機械支撐和保護套管不受腐蝕，除了精細的固井技術(shù)外，固井水泥應(yīng)低滲并與套管有較高的粘結(jié)強度，而且當泥漿輕質(zhì)時優(yōu)勢更明顯。低比重泥漿在處理漏失問題時是非常重要的，假如地層孔隙壓力不能承受鉆井液柱壓力，是不可能將正常比重的水泥舉升到地表的，采用發(fā)泡水泥可以解決這一問題。與向鉆井液中注入氣體相同，把氣體注入水泥形成輕質(zhì)泡沫水泥。加利福尼亞(Bouretal.，2003)和夏威夷(Spielmanetal.,2006)地熱鉆井表明，反循環(huán)發(fā)泡水泥固井具有諸多優(yōu)勢。

圖1 鉆進工況下的壓力控制流程

傳統(tǒng)石油鉆井中用的水泥不僅僅比重大，而且容易受到地熱層中常有的酸和二氧化碳的腐蝕，從而導(dǎo)致水泥的強度和防水性能降低。為了適應(yīng)地熱井需要，對波特蘭水泥的主要改進是向API G級水泥中添加緩蝕劑(Koonsetal.,1993)和大約40%或更多的硅粉，但這也不能解決容易受到酸和二氧化碳侵蝕的問題。布魯克文國家實驗室(BNL)對地熱井水泥進行了大量的研究，包括地熱環(huán)境下的水泥特性(Curtice，1979)，提高水泥的耐受溫度(Curticeetal.，1979)，開發(fā)新的材料例如磷酸鹽水泥、聚合物水泥、以及其它新成分(Zeldinetal.，1980)。

布魯克文國家實驗室(BNL)與合作公司合力研究了一種輕質(zhì)水泥，并能在320℃下有效抵抗鹽水中酸和二氧化碳的腐蝕。BNL也成功合成兩種新型水泥：磷鋁酸鹽水泥(CaP)和鈉硅酸鹽活性水泥(SSAS)。CaP型水泥具有較好的抗二氧化碳侵蝕能力，用于輕度酸性(PH值在5左右)并含有較多二氧化碳地層環(huán)境中；而SSAS型水泥主要用于抵抗酸的侵蝕，用于含有較多的酸和二氧化碳含量不高的地層環(huán)境。這兩種水泥都很廉價，因為它們的原料是煤燃燒和鋼鐵制造的副產(chǎn)物。

3.3 定向鉆井

對于地熱鉆井來說，盡可能多的穿過地層裂隙是非常關(guān)鍵的，定向鉆井可以實現(xiàn)這一目標。定向鉆進技術(shù)相對復(fù)雜，鉆進斜井有很多方式，最常見的是用孔底馬達而不需要旋轉(zhuǎn)鉆柱驅(qū)動鉆頭。彎接頭位于馬達之上，相對于鉆柱軸線以一個較小的角度指向馬達與鉆頭，因為沒有旋轉(zhuǎn)，鉆頭會持續(xù)沿預(yù)設(shè)方向鉆進。當前的工具在靠近鉆頭的馬達外罩上設(shè)有彎曲點，它具有類似彎接頭的功能，但在定向鉆進中允許設(shè)備旋轉(zhuǎn)以進行垂直鉆進或定向滑動。在地熱井中實施定向鉆進的難度很大，原因是用于控制和測量井眼軌跡的電子設(shè)備和馬達的彈性部件更易受到高溫影響。除了溫度的限制，孔底馬達有時還受限于一些鉆進參數(shù)，例如鉆壓和水力學(xué)條件影響。馬達也可能成為孔底鉆具組合的機械弱點，這一點在鉆進復(fù)雜地層時很重要。

無論是正排量馬達或是隨鉆測量工具(MWD)，都不能在高溫條件下穩(wěn)定的工作，所以大部分修正都是在地層溫度低于175℃的深度進行。如果造斜器可以響應(yīng)高溫條件，那么就能夠在高溫地層設(shè)立造斜點。已經(jīng)證明高溫渦輪機是可行的，一些服務(wù)公司最近開始提供高溫容積式馬達(PDM)。這項技術(shù)是相對較新的，但對地熱鉆井可能是重大突破。如果馬達在鉆進時有適度的泥漿鉆液漏失，新泥漿的加入有時能夠使鉆頭在高溫井中繼續(xù)工作直至達到其壽命。

隨著定向鉆井的工作變得更加廣泛，鉆桿也將經(jīng)受更大的扭矩和阻力，這可能會嚴重影響井的深度。今天的定向鉆進主要應(yīng)用的是帶有彎殼體的泥漿馬達，能承受更大的扭矩和阻力。當巖石硬度變化、地層交替或者利用水代替泥漿作為鉆井液引起潤滑性的下降，都會產(chǎn)生外的阻力。為使鉆井工作順利，安裝了連續(xù)校正鉆井工具。它們最初是用于石油、天然氣等資源，要比彎殼體馬達設(shè)備更為昂貴，但是似乎更加適用于地熱井，尤其在周邊地熱井曾出現(xiàn)嚴重問題的地區(qū)。

3.4 其它

無論鉆井研究和EGS未來將如何發(fā)展，大部分的地熱鉆井的技術(shù)革新將由石油行業(yè)所使用的技術(shù)派生而來，因為相比于油氣市場，地熱鉆井的市場會是很小的。

(1) 膨脹套管技術(shù)

如前所述，隨著鉆孔的加深，要在生產(chǎn)層保證足夠的直徑，就需要在井口加大套管的直徑。然而，較大的套管尺寸和頂部固井作業(yè)是非常昂貴的，鉆直徑較大的井通常比小直徑的孔要慢。一種相對較新的技術(shù)(初次現(xiàn)場試驗在1998年)使得運行正常間隙的套管然后擴展內(nèi)柱直徑使兩套管柱間隙變得很小成為可能。使用可膨脹管材意味著連續(xù)套管柱的間隙要小的多，因此，靠上的套管應(yīng)比給定的生產(chǎn)層的傳統(tǒng)套管的直徑要小，可膨脹管材及膨脹套管與傳統(tǒng)套管的套管直徑比較見圖2(Tubbsetal.，2006；Fingeretal.，2010)。

當考慮將此系統(tǒng)應(yīng)用于地熱鉆井時，至少需要注意兩個潛在的安全隱患：可膨脹管材需要彈性密封，應(yīng)用于地熱井時，即便它抗高溫等級很高，套管的熱膨脹和收縮也會破壞彈性密封件。套管之間有水會導(dǎo)致內(nèi)套管的破壞，因此，地熱鉆井需要依靠水泥固井，在高溫條件下，水泥固井系統(tǒng)需要有一個很長的凝固時間，因為擴管需要一定的時間。此外，套管內(nèi)部有一個專有涂層，使膨脹錐能夠更容易的穿過套管。這種涂層是否會受到高溫的影響目前尚不清楚。

使用可膨脹套管還可以修復(fù)或減緩循環(huán)漏失。膨脹管材可在套管外即裸孔處膨脹；假如裸孔部分被套管密封，必然會減少鉆孔直徑。由于沒有水泥可用于這類修復(fù)，因此套管對區(qū)域的密封完全依賴于自身外部彈性部件，從而使彈性部件在這一工序中顯得尤為重要。如果能夠證明所用膨脹管材的部件可以經(jīng)受住高溫，那么膨脹管材在地熱鉆井中是具有重大實用價值的。目前，使用這種系統(tǒng)最大的障礙還是成本偏高。此外，膨脹套管連接螺紋的設(shè)計、加工也是實施膨脹套管技術(shù)的重點和難點之一。

(2) 套管鉆井(DWC)

套管可以作為鉆桿柱使用，同鉆頭一起旋轉(zhuǎn)使鉆孔變得更深，以使當鉆孔到達指定深度時套管同時安放到位。套管必須由頂驅(qū)裝置帶動旋轉(zhuǎn)，并在套管頂部通過螺絲連接或通過固定裝置連接到套管頂部，再連接到頂驅(qū)裝置上，并鎖定和密封其內(nèi)徑。頂驅(qū)裝置鉆井液有套管內(nèi)循環(huán)進入鉆孔內(nèi)，從套管外部返回地表，與鉆桿相同。在常規(guī)使用中，頂部驅(qū)動也可以連續(xù)地進行循環(huán)，這對于地熱鉆井中對高溫敏感的孔底設(shè)備來說是非常重要的。

此項技術(shù)有幾個優(yōu)勢：1)節(jié)約成本、時間以及減少鉆桿脫扣的相關(guān)問題-用于起下鉆桿和處理常規(guī)鉆井鉆具組合的時間在鉆井中占相當大的部分(Polskyetal.，2009)，許多的井控和鉆孔穩(wěn)定性問題都與起下鉆桿相關(guān)；2)減少循環(huán)漏失-DWC系統(tǒng)可以在遇到鉆孔漏失情況下持續(xù)鉆進。鉆屑被沖入裂隙區(qū)或滲透區(qū)，與使用堵漏材料一樣有效。相對較窄的環(huán)空區(qū)意味著在相同孔徑下，比常規(guī)鉆孔有更小的鉆井液流速；3)增加套管的埋置深度-鉆透漏失區(qū)或者軟弱地層的能力意味著相對于常規(guī)鉆井套管能達到一個更深的深度。對一些鉆井設(shè)計和地層而言，可以重新設(shè)計套管程序，減少一層套管的使用，這將是一項很大的節(jié)?。?)提高安全性-處理鉆桿極易導(dǎo)致鉆井事故，避免這項工作意味著鉆井操作人員將會減少許多危險。

雖然這項技術(shù)已在數(shù)百個油氣井中得到應(yīng)用，但在地熱鉆井中應(yīng)用仍然有限，在新西蘭曾成功鉆穿不穩(wěn)定地層。

可回收鉆井設(shè)備包含很多彈性元件，鉆進硬巖層時效率很低。對于大部分DWC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)使用的是PDC刀具，但是在地熱層中使用這些刀具還不是很常見。然而，最近在新西蘭的經(jīng)驗和一些油氣井硬巖鉆進的現(xiàn)場試驗表明合理的使用牙輪鉆頭和PDC刀具是可行的(Tessarietal.，2003)。特別需要注意的一點是，不能使用常規(guī)的API套管連接方式，因為他們不能夠傳遞力矩。所需求的連接方式需要較高的費用，盡管仍然有許多問題有待解決，但這項專門致力應(yīng)用于地熱鉆進技術(shù)有很大的潛力值得進一步研究。

圖2 可膨脹襯墊及膨脹套管與傳統(tǒng)套管的套管直徑的比較

4 地熱鉆井最佳實踐

2008年，歐盟出版的“增強型地熱系統(tǒng)最佳實踐手冊”介紹了冰島在火山巖以及意大利和菲律賓在變質(zhì)巖的高溫地熱鉆井，同時還介紹了目前最為成功的法國EGS項目在花崗巖中鉆進的最佳實踐(ENGINE Coordination Action，2008)。

4.1 冰島在火山巖中地熱鉆進

火山系統(tǒng)以某種方式與火山活動相關(guān)，在火山系統(tǒng)中，熱源是熱侵入體或巖漿，它們通常位于火山雜巖(如破火山口和擴張中心)的內(nèi)部或附近，可透水的裂縫或斷裂帶控制水的流動。

冰島多數(shù)高溫地熱井鉆進深度是1500～3000m，且有許多井是定向井，選擇定向井是考慮環(huán)境的因素，而且近垂直結(jié)構(gòu)比較容易實現(xiàn)，通常鉆進300～600m開始造斜，偏角30～45℃，最終的水平位移一般是700～800m。定向鉆井需要泥漿馬達，不同于在Soultz鉆進花崗巖時的情形，在冰島使用泥漿馬達大大提高了機械鉆速(ROP)。泥漿馬達的彈性部件(橡膠定子)不能承受高溫，通過鉆井泥漿循環(huán)的冷卻作用解決了該問題，這一措施很有效，在2000m處即使地層溫度超過300℃，井筒溫度仍可維持在100℃以下，有效的冷卻效果也使得隨鉆測量(MWD)工具能夠在深井工作。

鉆機選用油井鉆機，起吊載荷能力200～450t，并配備有轉(zhuǎn)盤驅(qū)動，現(xiàn)在也有很多鉆機使用頂部驅(qū)動。

裝有滑動軸承和硬質(zhì)合金的鉆頭的壽命在穩(wěn)步提高，雖然這些鉆頭比較昂貴，但是它們通?？梢糟@進幾百米甚至1000m不用更換。有一些聚晶復(fù)合片金剛石鉆頭也用于地熱井中，即使沒有泥漿馬達，也可以鉆的很快，但是轉(zhuǎn)矩較大，壽命比好的三牙輪鉆頭短。

從結(jié)垢化學(xué)的角度講，火山系統(tǒng)中的地熱流體是相容的，因此只要溫度和流量得到滿足。生產(chǎn)的流體可以來自任何深度，這就意味著地熱井的裸眼部分通常超過1000m，允許任意流體進入井內(nèi)。對于滲透性非常好的井，沸點在已固井的套管內(nèi)，就可以采用“裸眼”完井。當鉆進淺的蒸汽層時，在100～300m的井段最易發(fā)生“井涌”，對于這樣的井，很難下入割縫襯管，因此，裸眼完井也是淺部蒸氣層地熱井的完井方式。

生產(chǎn)層泥漿漏失嚴重時首選清水鉆進，偶爾可添加聚合物或者泥漿丸清理巖屑。清水對熱儲的損害較小，同時水比泥漿廉價，可以頂漏鉆進。最近，為避免損害儲層，采用所謂的“平衡鉆井”。此類方法中泵入井內(nèi)的水力與常規(guī)鉆井類似，同時壓入空氣，壓縮空氣與水混合，大大降低了鉆井液密度，使井內(nèi)液柱壓力小于各個儲層段的地層壓力，從而避免了鉆井液或巖屑漏失到地層中。當鉆進蒸汽為主的儲層時，首選方法是空氣鉆進。滲透率相比正?；剞D(zhuǎn)鉆進顯著增加，平均而言，同一個熱田這些井的產(chǎn)量是常規(guī)井產(chǎn)量的兩倍(Hole,2006)。

G級水泥(API標準)添加40%石英粉能有效的承受高溫和化學(xué)環(huán)境，從而得到廣泛應(yīng)用。緩凝劑、降濾失劑、降阻劑、消泡劑等添加劑，根據(jù)預(yù)期的溫度、井身尺寸和鉆井時間等選擇使用。在冰島，膨脹珍珠巖可有效減小泥漿密度，同時也降低了井噴發(fā)生的幾率。

4.2 意大利Larderello和菲律賓在變質(zhì)巖的地熱鉆井

Larderello地熱鉆井存在的困難包括：超過300℃的高溫地層、強腐蝕性儲層流體、卡鉆導(dǎo)致鉆柱故障、遇到高滲透性斷裂帶時循環(huán)鉆井液完全漏失以及固井和套管維護的問題(Lazarottoetal.，2005).。

鉆至高溫地層時，通過冷卻作業(yè)控制鉆井液的溫度，包括注入泥漿排出巖屑以及在鉆柱與套管間的環(huán)形間隙注入清水達到降溫目的。

無論是在油氣或地熱鉆井作業(yè)中，腐蝕一直是鉆井的主要問題之一。如果不能正確處理由于物理和化學(xué)作用引起的不同類型的腐蝕，最終會影響鉆井的性能。在處理腐蝕問題時，應(yīng)密切觀察井下參數(shù)的變化，并始終遵循開發(fā)指南。這種方法可能會增加井的成本，但是能避免因額外問題帶來的額外花費。

卡鉆導(dǎo)致鉆柱故障。解決鉆柱故障的常用方法是增大鉆柱直徑以減小鉆柱上的單位應(yīng)力，但是鉆柱的選用要嚴格。另外，使用頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)大大降低了卡鉆風(fēng)險，也因此避免了昂貴的修井作業(yè)。

鉆井過程中遇到高滲透性斷裂帶時，循環(huán)液可能完全漏失，此時常規(guī)的堵漏方法作用不大，只能采用清水鉆進，在有條件的情況下，可以使用附近發(fā)電廠利用后的冷凝蒸汽水。

生產(chǎn)井投入生產(chǎn)后，套管需承受非常高的溫度，需要保證整段套管良好的水泥膠結(jié)條件以防套管損壞，但是在斷裂密集區(qū)水泥膠結(jié)非常困難，注入催化劑可加速水泥膠結(jié)封堵漏失層；若堵漏無效，且斷裂帶很深，可采用柴油水泥膨潤土堵漏技術(shù)，此法可同時避免清水的污染。

4.3 法國Soultz增強型地熱系統(tǒng)的花崗巖的地熱鉆井

為了優(yōu)化鉆井成本，提高鉆井效率，采用回轉(zhuǎn)鉆進，僅在定向鉆井時使用井底泥漿馬達進行造斜和增斜。造斜時使用陀螺測斜儀，使用隨鉆測量工具監(jiān)測井眼軌跡。

由于巖石顆粒粒度變化頻繁以及裂縫方向和數(shù)量的變化，不使用PDC鉆頭，應(yīng)用光桿滿眼或鐘擺井下鉆具組合。

條件允許的情況下，使用天然鹽(氯化鈉)作為無固相加重劑。氯化鈉是一種廉價的加重劑，易溶且無毒。使用氫氧化鈉提升pH值及減輕腐蝕。如果需要，使用膨潤土作為稠化劑以攜帶巖屑。沉淀池和聚合物用來分離液體和巖屑。加入巖屑和水泥稠化泥漿以便處理廢漿。

安裝了 “自由浮動”套管，由井底裸眼套管銅鎳封隔器支撐，并用小段水泥粘結(jié)?？紤]到套管的膨脹和收縮，套管在井口是“自由”的，使用抗高溫含氟橡膠密封圈保證套管在井口的“靈活性”。由于技術(shù)的限制，自由套管完井深度可達5km。

波特蘭水泥和高爐礦渣混合而制成的一種輕型高鎂水泥能夠抵抗高溫鹽水的腐蝕，它們不僅對多種氯化物表現(xiàn)出較低活性，也極少與氯酸發(fā)生反應(yīng)。

使用水泥膠結(jié)測井-聲波變密度測井工具和超聲波成像儀檢測水泥固井、套管厚度、結(jié)垢、腐蝕和成橢圓形的情況。

5 結(jié)論

(1) 與油氣鉆井相比，地熱井直徑大，地熱鉆進地層溫度高、硬度大、研磨性強、裂隙發(fā)育，且地層常含腐蝕性流體，這些特點使地熱鉆井面臨鉆井腐蝕、循環(huán)漏失、套管程序復(fù)雜、固井作業(yè)困難的嚴峻形勢。

(2) 目前在世界范圍內(nèi)，控壓鉆井技術(shù)在地熱鉆井中仍占主導(dǎo)地位，相比常規(guī)鉆井，其在處理循環(huán)漏失、減輕熱儲損害方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢；

(3) 可膨脹套管系統(tǒng)和跟管鉆井技術(shù)在抗高溫彈性密封件及套管連接方式等關(guān)鍵技術(shù)上還未取得革命性的突破，其它相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)均在積極的研究試驗中，但是其在地熱鉆井未來的發(fā)展方向中已表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

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Best Practices for High-Temperature Geothermal Drilling

LI Ya-chen, DUAN Chen-yang,ZHENG Xiu-hua

(ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083)

Geothermal drilling is crucial to geothermal development.The cost is high and the risk is big infor high-temperature geothermal drilling.The European Union published “BEST PRACTICE HANDBOOK for the development of uUnconventional gGeothermal rResources with a focus on ENHANCED GEOTHERMAL SYSTEM” in 2008,and Sandia National Laboratories published the “Handbook of Best Practices for Geothermal Drilling” in 2010.Referring to these two handbooks and some primary high temperature geothermal drilling practices,this paper analyzes the characteristics and main potential problems of high temperature geothermal drilling,and introduces its mature drilling technology and some prospective technologies，as welland the best practices of drilling infor different formation conditions (e.g.volcanic,metamorphic,granite),which can be used as a technical referencemay be good value for high0-temperature drilling of geothermal wlls in China.

high temperature geothermal,drilling technology,best practices

2014-12-12；

2015-12-17；[責任編輯]陳英富。

《世界主要國家干熱巖資源勘探與開發(fā)現(xiàn)狀及趨勢研究》(隸屬于中國地質(zhì)圖書館承擔的工作項目《國外地質(zhì)文獻集成服務(wù)與分析研究》)(編號：1212011220914)、《國家自然科學(xué)基金項目》(編號:41572361)和《高溫地熱資源開發(fā)利用戰(zhàn)略研究》(編號：1212011120064)資助。

李亞琛(1991年-)，男，2013年畢業(yè)于長春工程學(xué)院，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為中國地質(zhì)大學(xué)(北京)在讀碩士，主要學(xué)習(xí)與研究方向為地熱資源的勘探與開發(fā)。E-mail:13121919096@163.com。

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0495-5331(2016)01-0173-09