譚現(xiàn)鋒，馬哲民，段隆臣，劉 肖，李 穎，郭明義，5

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地勘局第二地質(zhì)大隊(duì)），山東 濟(jì)寧 272000；3.山東省地?zé)崆鍧嵞茉纯辈殚_(kāi)發(fā)工程研究中心，山東濟(jì)寧 272000；4.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026；5.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130026）

0 引言

干熱巖是不含或僅含少量流體，溫度高于180 ℃，其熱能在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可以利用的巖體，干熱巖巖體可分為侵入巖、變質(zhì)巖和沉積巖等3 類巖體。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，可從干熱巖中開(kāi)采利用的熱能，稱為干熱巖型地?zé)豳Y源，我國(guó)干熱巖型地?zé)豳Y源從熱源成因可劃分為：高熱流花崗巖型、沉積盆地型、近代火山型、構(gòu)造活動(dòng)帶型等四類干熱巖型地?zé)豳Y源［1-3］。未來(lái)干熱巖型地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)應(yīng)用主要取決于鉆井和人工儲(chǔ)層建造的費(fèi)用，較低的單井鉆井成本和較高的儲(chǔ)層熱交換速率將大大降低增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。干熱巖鉆探雖在國(guó)外起步相對(duì)較早，但耐高溫鉆具和鉆井技術(shù)、高溫鉆井液技術(shù)還不夠成熟，亦未形成成熟的鉆探技術(shù)體系。我國(guó)干熱巖鉆探起步較晚，主要是改良利用地礦和石油行業(yè)現(xiàn)有鉆探技術(shù)，尚未形成成熟的干熱巖高溫鉆井技術(shù)體系，嚴(yán)重制約了干熱巖勘探開(kāi)發(fā)的發(fā)展。解決大口徑干熱巖鉆探的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，對(duì)于快速準(zhǔn)確地探明我國(guó)干熱巖分布與儲(chǔ)量、干熱巖資源的開(kāi)發(fā)與利用意義重大［4-8］。

山東省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)分別于：2011 年實(shí)施了山東省利津縣干熱巖（DR1 井）調(diào)查，項(xiàng)目從物探定位選址、干熱巖概念模型建立、干熱巖鉆探、綜合物探測(cè)井、放射性測(cè)試分析評(píng)價(jià)、壓裂試驗(yàn)、壓裂前與壓裂后的抽注水試驗(yàn)和干熱巖型地?zé)豳Y源量估算等方面做了大量的工作，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)對(duì)干熱巖進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查評(píng)價(jià)的項(xiàng)目，但采用的是轉(zhuǎn)盤(pán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆效低、能耗高；2015 年在福建省漳州市東南沿海實(shí)施了中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局深部地?zé)酘DR-1 干熱巖科學(xué)鉆探工程，井深4000.86 m，井底溫度109 ℃；2017 年在青海省共和縣恰卜恰鎮(zhèn)東南完成的GR1 干熱巖勘探井再次鉆獲溫度新高，井底溫度236 ℃，孔深3705.66 m，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)干熱巖鉆井的新突破。結(jié)合利津干熱巖井鉆探經(jīng)驗(yàn)，為了提高在高溫硬巖條件下的鉆進(jìn)效率、縮短鉆井周期，在HDR-1 井干熱巖科學(xué)鉆探工程和GR1 干熱巖井的鉆探施工中均嘗試使用了“轉(zhuǎn)盤(pán)＋螺桿鉆具”復(fù)合鉆進(jìn)工藝，結(jié)合中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局研發(fā)的渦輪鉆具在高溫取心段首次測(cè)試應(yīng)用了“轉(zhuǎn)盤(pán)＋渦輪鉆具”復(fù)合取心鉆進(jìn)工藝，兩種復(fù)合鉆進(jìn)工藝均取得了良好效果，為螺桿鉆具和渦輪鉆具的深入研究提供了寶貴的高溫 施 工 經(jīng)驗(yàn)。DR1 井、HDR-1 井 和GR1 井 均 屬于高熱流花崗巖型干熱巖鉆井，將其作為本文案例對(duì)井下復(fù)合動(dòng)力鉆進(jìn)工藝在干熱巖鉆井中的應(yīng)用進(jìn)行論述。

1 轉(zhuǎn)盤(pán)（頂驅(qū)）+井下動(dòng)力鉆具復(fù)合鉆進(jìn)工藝

螺桿和渦輪這兩種井下動(dòng)力鉆具，在石油鉆井中施工沉積巖地層全面鉆進(jìn)中應(yīng)用比較廣泛和相對(duì)成熟，在地礦系統(tǒng)中因地?zé)徙@井深度、成本和鉆機(jī)能力等因素并沒(méi)有被廣泛推廣應(yīng)用，特別是在高溫、高研磨性、高地應(yīng)力的火成巖和變質(zhì)巖地層中應(yīng)用案例并不多。DR1 井鉆進(jìn)采用了常規(guī)轉(zhuǎn)盤(pán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，而HDR-1 和GR1 鉆井中為實(shí)現(xiàn)高效快速鉆進(jìn)，在花崗巖常溫段和高溫段地層中均使用了“轉(zhuǎn)盤(pán)＋井下動(dòng)力鉆具”復(fù)合動(dòng)力鉆進(jìn)工藝，其中全面鉆進(jìn)采用的是“轉(zhuǎn)盤(pán)＋螺桿鉆具”復(fù)合鉆進(jìn)工藝，取心鉆進(jìn)首次測(cè)試應(yīng)用了“轉(zhuǎn)盤(pán)＋渦輪鉆具”復(fù)合鉆進(jìn)工藝。DR1、HDR-1、GR1 三個(gè)鉆井的基本情況如表1所示。

表1 鉆井基本情況Table 1 Basic drilling information

2 轉(zhuǎn)盤(pán)+螺桿鉆具井下復(fù)合鉆進(jìn)工藝

螺桿鉆具，是一種以鉆井液為動(dòng)力，把液體壓力能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具。

其優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)速低，適用于現(xiàn)有牙輪鉆頭；長(zhǎng)度短（5～10 m），適合打定向井、水平井；壓降低（3～5 MPa），轉(zhuǎn)速不受輸出扭矩的影響，具有很好的過(guò)載能力，螺桿鉆具的壓降隨著載荷的變化而變化，因而可通過(guò)泵壓的變化檢測(cè)螺桿鉆具的工作情況。

缺點(diǎn)有：橡膠定子和轉(zhuǎn)子在高密度及鉆井液凈化差的條件下易磨損，隨著間隙的增大，轉(zhuǎn)速和扭矩下降；橡膠定子耐高溫性差，在高于125 ℃條件下易失效，橡膠存放時(shí)間長(zhǎng)易發(fā)生老化，螺桿鉆具一般情況下只能存放2 年時(shí)間。

轉(zhuǎn)盤(pán)（頂驅(qū)）＋螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)，是指通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)（或頂驅(qū)）利用鉆桿柱和井底動(dòng)力鉆具一起給鉆頭提供扭矩或沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)高效碎巖的一種鉆進(jìn)工藝。螺桿鉆具作為井下動(dòng)力鉆具，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤(pán)＋螺桿鉆具的扭矩＋轉(zhuǎn)速雙疊加，增加了鉆頭扭矩和轉(zhuǎn)速，減少了鉆柱與套管的磨損和損壞并延長(zhǎng)了鉆具的使用壽命，降低了能耗、提高了鉆進(jìn)效率［9-15］。

2.1 干熱巖常溫段螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)工藝

結(jié)合干熱巖鉆井現(xiàn)場(chǎng)泥漿的上返情況和溫度、鉆井過(guò)程中的綜合測(cè)井和臨近井的井溫情況，福建東南沿海HDR-1 井干熱巖科學(xué)鉆探工程200～4000 m 全井段和青海共和干熱巖資源勘查項(xiàng)目GR1 井1500～2500 m 均使用的常溫螺桿鉆具進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)。

2.1.1干熱巖井常溫段復(fù)合鉆進(jìn)鉆效

在干熱巖井常溫段鉆進(jìn)中，各井鉆機(jī)性能與常規(guī)鉆進(jìn)工藝及復(fù)合鉆進(jìn)工藝均實(shí)現(xiàn)了較好的匹配，各井號(hào)不同井段、不同井徑、不同工況下鉆進(jìn)與常規(guī)轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)對(duì)比見(jiàn)表2。從表2 可以看出，相同井徑下轉(zhuǎn)盤(pán)＋螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)效率遠(yuǎn)高于常規(guī)轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)效率，復(fù)合鉆進(jìn)每百米純鉆進(jìn)時(shí)間用時(shí)縮短了42%，平均機(jī)械鉆速增加了43%。

表2 不同井段、不同井徑、不同工況下鉆進(jìn)與常規(guī)轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)對(duì)比Table 2 Comparison with conventional rotary drilling at different well sections and diameters under different working conditions

2.1.2影響復(fù)合鉆效原因分析

干熱巖井下工況特性一般為：高溫、高壓、高應(yīng)力和巖屑的高研磨性。結(jié)合普通螺桿鉆具使用對(duì)工況的要求，從理論角度分析，螺桿鉆具在井下失效情況一般可分為以下4 類：（1）機(jī)械失效，是指定子橡膠和馬達(dá)在超出設(shè)計(jì)壓力和變形極限的工況下工作而造成的失效。（2）疲勞失效，在外部載荷和巖屑高頻率脈沖研磨作用下定子橡膠易產(chǎn)生正常疲勞裂紋和間隙，裂紋和間隙擴(kuò)展后，定子橡膠逐步發(fā)生脫落和間隙擴(kuò)大造成疲勞失效。（3）化學(xué)失效，定子橡膠與鉆井液中的化學(xué)成分相接觸并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，誘發(fā)橡膠收縮或膨脹致使其力學(xué)性能下降，最終導(dǎo)致定子化學(xué)失效。（4）熱滯后失效，定子橡膠在基體內(nèi)工作過(guò)程中，定子工作環(huán)境溫度超過(guò)定子橡膠額定溫度的一定時(shí)期內(nèi)，定子橡膠因高溫膨脹脆化，引起力學(xué)性能下降從而產(chǎn)生熱失效。

2.2 干熱巖井高溫段螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)工藝

在青海共和GR1 井鉆進(jìn)施工至2100 m 以后（后期該段測(cè)溫溫度122 ℃），螺桿鉆具工作環(huán)境溫度逐漸達(dá)到其額定要求溫度，由于鉆井液對(duì)螺桿鉆具和孔底的冷卻降溫，仍可使螺桿鉆具正常鉆進(jìn)，但使用壽命和鉆進(jìn)效率逐步降低，隨著繼續(xù)鉆進(jìn)和深度及溫度的增加，造成螺桿定子橡膠受高溫影響逐步加速老化。鉆進(jìn)至井深2500 m 時(shí)（后期該段測(cè)溫溫度146 ℃），在下鉆鉆進(jìn)很短的時(shí)間內(nèi)鉆井機(jī)械鉆速瞬時(shí)下降，隨后在鉆井液中發(fā)現(xiàn)有橡膠碎塊隨鉆井液返出孔口，提鉆檢查發(fā)現(xiàn)定子橡膠磨損掉塊脫落，軸承損壞，螺桿鉆具已然報(bào)廢無(wú)法正常鉆進(jìn)。

2.2.1高溫下螺桿鉆具失效分析

根據(jù)GR1 井場(chǎng)在2100～2500 m、2500～3700 m井段螺桿鉆具使用情況和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況分析，螺桿鉆具失效情況主要分為疲勞失效和熱滯后失效，具體原因：（1）橡膠本身的耐溫級(jí)別低，如傳統(tǒng)的丁腈橡膠或羧基丁腈橡膠，在高溫下迅速老化失效。（2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況新的螺桿鉆具應(yīng)合理控制過(guò)盈量數(shù)值。正常情況下，新的螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子和定子橡膠襯套之間是正常的過(guò)盈配合，使用中由于鉆井液中含有高研磨性巖屑造成轉(zhuǎn)子與定子的磨損逐漸由過(guò)盈配合發(fā)展到出現(xiàn)間隙，間隙大到一定程度螺桿鉆具的扭矩和轉(zhuǎn)速明顯降低，使其不能繼續(xù)使用，極大地影響了鉆井的機(jī)械鉆速。如果過(guò)盈量大則密封性能好，但轉(zhuǎn)子與定子間的傳動(dòng)摩擦加大，從而造成橡膠傳動(dòng)摩擦生熱增加；因橡膠是粘彈性材料，工作過(guò)程中定子橡膠受鉆井液壓力和轉(zhuǎn)子反作用力的交變應(yīng)力的影響也會(huì)產(chǎn)生部分熱量，在工作過(guò)程中這些能量將被泥漿帶走。若過(guò)盈量過(guò)大，帶走熱量的速度低于生熱速度，就會(huì)在橡膠內(nèi)發(fā)生熱量滯留，形成遲滯熱。遲滯熱的形成進(jìn)一步升髙了橡膠的溫度，造成定子橡膠進(jìn)一步膨脹，使定子內(nèi)徑縮小，過(guò)盈量進(jìn)一步增大，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致定子橡膠加速磨損失效。（3）定子外殼與橡膠之間的粘接劑強(qiáng)度會(huì)因高溫的影響而逐漸降低，當(dāng)橡膠的粘結(jié)強(qiáng)度低于所受力時(shí)易出現(xiàn)粘連脫落，出現(xiàn)橡膠脫落失效。

2.2.2高溫螺桿鉆具的優(yōu)化與應(yīng)用

為滿足GR1 井高溫井段鉆井的需求，與螺桿鉆具生產(chǎn)廠家德州聯(lián)合石油科技股份有限公司對(duì)耐高溫螺桿馬達(dá)從抗高溫、抗疲勞、耐研磨等方面對(duì)橡膠材料上進(jìn)行優(yōu)選和改進(jìn)，并優(yōu)化調(diào)整了定子與轉(zhuǎn)子間的配合間隙。在青海共和GR1 井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了2 種型號(hào)為7LZ127 和7LZ127×7.0-3XSF 的耐高溫螺桿鉆具替代普通螺桿鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)施工。

從不同井段、不同工況下、不同耐溫螺桿鉆具在GR1 孔中的使用情況（表3）看，單根平均純鉆進(jìn)時(shí)間和平均鉆速基本持平，說(shuō)明對(duì)螺桿鉆具橡膠材料的優(yōu)選和鉆具的改進(jìn)是成功的。從干熱巖機(jī)械鉆速對(duì)比曲線（圖1）看，無(wú)論是普通螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)還是耐高溫螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單純的轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速，說(shuō)明復(fù)合鉆進(jìn)工藝在干熱巖鉆井中的應(yīng)用是成功的。

圖1 干熱巖機(jī)械鉆速對(duì)比曲線（1500～4000 m）Fig.1 Comparison of mechanical drilling speed in hot dry rock (1500～4000m)

表3 不同井段、不同工況下螺桿鉆具使用情況（1500～3700 m）Table 3 Application of the PDM drill at different well sections under different working conditions (1500～3700m)

2.2.3螺桿鉆具、鉆頭與干熱巖地層的適配性

高熱流值花崗巖型干熱巖地層一般具有高溫、高壓、高地應(yīng)力、高研磨性的特性，螺桿鉆具、牙輪鉆頭和取心鉆頭與干熱巖地層的適配性選型和配型是井下復(fù)合鉆進(jìn)工藝能否克服以上特性實(shí)現(xiàn)快速高效鉆進(jìn)的關(guān)鍵因素。

從不同型號(hào)鉆頭使用情況統(tǒng)計(jì)表（表4）可以看出，井下動(dòng)力復(fù)合鉆進(jìn)效率要遠(yuǎn)高于常規(guī)鉆進(jìn)效率。但是在現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)過(guò)程中因過(guò)多的考慮鉆機(jī)性能和成本因素，牙輪鉆頭的選型和與螺桿鉆具的適配性仍需要進(jìn)一步優(yōu)化，主要存在以下問(wèn)題：（1）因花崗巖地層的高研磨性，牙輪鉆頭的保徑和使用壽命問(wèn)題。（2）因孔底高溫，牙輪鉆頭的耐高溫問(wèn)題。（3）因采用螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)工藝，牙輪鉆頭在高速旋轉(zhuǎn)下的適配性問(wèn)題。（4）因干熱巖賦存地層存在高溫、高壓、高硬度和高地應(yīng)力，牙輪鉆頭在以上工況下的高效快速碎巖問(wèn)題。只有將以上問(wèn)題解決并進(jìn)一步提高與鉆機(jī)性能的匹配性，才能發(fā)揮各個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，才能實(shí)現(xiàn)干熱巖鉆井的高效鉆進(jìn)［16］。

表4 不同型號(hào)鉆頭在花崗巖地層使用情況統(tǒng)計(jì)Table 4 Usage of different types of drill bits used in granite formation

3 轉(zhuǎn)盤(pán)+渦輪鉆具復(fù)合取心鉆進(jìn)工藝

渦輪鉆具是將鉆井液的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種孔底動(dòng)力機(jī)具。

渦輪鉆具的優(yōu)點(diǎn)是：渦輪鉆具轉(zhuǎn)速高（400 r/min 以上），較適合于TSP 鉆頭、金剛石鉆頭；渦輪鉆具定子與轉(zhuǎn)子因沒(méi)有橡膠件，故使用壽命長(zhǎng)、耐高溫和高壓，適用于高溫高壓井。

缺點(diǎn)是：渦輪鉆具轉(zhuǎn)速較高，與現(xiàn)有牙輪鉆頭不匹配。單節(jié)渦輪鉆具扭矩小，為了提高扭矩，只有采用多節(jié)組裝的復(fù)式渦輪鉆具，使得鉆具總長(zhǎng)度較大，不利于井眼軌跡控制；復(fù)式渦輪鉆具壓降大，特別是在高泥漿密度條件下壓降更大。轉(zhuǎn)速與輸出扭矩呈負(fù)相關(guān)，過(guò)載會(huì)導(dǎo)致鉆具不轉(zhuǎn)。

渦輪鉆復(fù)合鉆進(jìn)工藝在高溫石油鉆井中應(yīng)用比較常見(jiàn)，國(guó)產(chǎn)渦輪鉆具在高溫干熱巖取心鉆進(jìn)應(yīng)用尚屬首次［11］。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所和北京探礦工程研究所課題組研制的?127 mm 渦輪鉆具分別在福建漳州HDR-1 井和青海共和GR1 井進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首次干熱巖高溫鉆井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用。主要驗(yàn)證了KT-140 型取心鉆具與渦輪鉆具的適配性；驗(yàn)證了金剛石鉆頭與渦輪鉆具的匹配性；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了小直徑渦輪鉆具高溫井況下的工作特性；初步探索了小直徑渦輪鉆具合適的鉆進(jìn)參數(shù)；是井底回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)取心鉆頭深孔高溫取心鉆進(jìn)工藝的首次嘗試，為渦輪鉆具的深入研究提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，也將為我國(guó)干熱巖科學(xué)鉆探與深部地?zé)豳Y源勘探提供新的技術(shù)支撐。

3.1 干熱巖渦輪鉆具復(fù)合取心鉆進(jìn)工藝參數(shù)

HDR-1 井與GR1 井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?127 mm 渦輪鉆具工作排量為12～15 L/s，現(xiàn)場(chǎng)泥漿泵使用?160 mm 缸套，實(shí)際排量約20 L/s，大于渦輪鉆具工作排量。現(xiàn)場(chǎng)出于節(jié)約時(shí)間的考慮，決定拆除泥漿泵一個(gè)缸，使泵的理論排量在13 L/s 左右，以匹配渦輪鉆具的工作排量。

3.2 取心鉆具組合

干熱巖鉆井渦輪取心鉆具組合：?127 mm 渦輪鉆具＋KT140 取心鉆具＋?152 mm 孕鑲金剛石鉆頭入井試驗(yàn)。

3.3 取心鉆進(jìn)參數(shù)組合試驗(yàn)

恒排量試驗(yàn)：泥漿泵排量12 L/s（15 L/s）的情況下，鉆壓從5 kN 開(kāi)始，以3 kN 為梯度，逐步提高至渦輪鉆制動(dòng)，觀察并記錄泵量、泵壓、扭矩、機(jī)械鉆速等工程參數(shù)。

恒鉆壓試驗(yàn)：以最優(yōu)機(jī)械鉆速為標(biāo)準(zhǔn)，選定恒鉆壓試驗(yàn)的基本鉆壓值。在保持該鉆壓不變的情況下，以0.5 L/s 的梯度增加泥漿泵排量，觀察并記錄泵量、泵壓、扭矩、機(jī)械鉆速等工程參數(shù)。

由于現(xiàn)場(chǎng)條件所限，泥漿泵排量不能無(wú)級(jí)改變，原定恒鉆壓變排量試驗(yàn)未能實(shí)施。但在恒排量的情況下，鉆壓從0～40 kN，渦輪鉆具從空載到制動(dòng)，做了充分的鉆進(jìn)試驗(yàn)，圓滿完成了?127 mm 渦輪鉆具＋KT140 取心鉆具＋?152 mm 新型孕鑲金剛石鉆頭入井試驗(yàn)的任務(wù)，與常規(guī)取心鉆進(jìn)工藝相比在同等工況下平均機(jī)械鉆速提高了47.6%～50%（表5），發(fā)揮了渦輪鉆具高轉(zhuǎn)速的性能［17-18］。

表5 渦輪復(fù)合取心鉆進(jìn)與普通取心鉆進(jìn)對(duì)比Table 5 Comparison of the compound turbo-core drill with the conventional core drill

4 耐高溫鉆井液的應(yīng)用

干熱巖地層高溫段主要為花崗巖，地層穩(wěn)定，對(duì)鉆井液影響主要表現(xiàn)為高溫條件下的流變性和濾失量變化。針對(duì)施工過(guò)程中地層情況及井內(nèi)問(wèn)題，高溫鉆井液性能重點(diǎn)關(guān)注對(duì)破碎地層的膠結(jié)能力、懸浮攜帶能力以及良好的流動(dòng)性能。重點(diǎn)研發(fā)應(yīng)用了耐高溫防塌聚合物鉆井液體系和硅酸鹽復(fù)合成膜技術(shù)的鉆井液，在230 ℃高溫循環(huán)條件下，鉆井液能保持穩(wěn)定的性能參數(shù)，確保了螺桿鉆具和渦輪鉆具能發(fā)揮最大效能。

4.1 耐高溫聚合物防塌鉆井液

青海共和GR1 井1500 m 套管以深鉆遇多段破碎地層，特別是2600～2800 m、3000～3300 m 井段，地層破碎嚴(yán)重且含有蝕變花崗巖，其中蝕變的花崗巖強(qiáng)度低、易分散，施工過(guò)程中井壁破碎、坍塌、掉塊嚴(yán)重，鉆進(jìn)至3361 m 處發(fā)生掉塊卡鉆。為確?？變?nèi)穩(wěn)定，在高溫段使用了新研制的耐高溫聚合物防塌鉆井液體系進(jìn)行施工，具體的配方為：水＋4%鈉膨潤(rùn)土＋2%HPS＋0.5%高溫增粘劑（GDP）＋2%降失水劑（GJA）＋4%高溫封堵劑（GPA-220）＋1%高溫保護(hù)劑（GHTS）＋2%～5%消泡劑＋2%～5%包被劑。通過(guò)對(duì)鉆井液的粘度、失水量和防塌護(hù)壁等性能進(jìn)行調(diào)整，鉆井液在井底溫度高達(dá)236 ℃的GR1 井內(nèi)循環(huán)性能穩(wěn)定，具有優(yōu)良的抗高溫流變性，懸浮、攜帶、降溫能力強(qiáng)，高溫條件下護(hù)壁效果顯著，大大降低了孔內(nèi)事故的發(fā)生率，具體性能參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 耐高溫聚合物鉆井液性能參數(shù)Table 6 Performance parameters of high-temperature resistant polymer drilling fluid

4.2 耐高溫硅酸鹽復(fù)合成膜鉆井液

為確保在更高循環(huán)溫度下鉆井液更穩(wěn)定，又進(jìn)一步研制了基于硅酸鹽復(fù)合成膜技術(shù)的耐高溫鉆井液體系。該體系在240 ℃高溫條件下體系流變性能穩(wěn)定、動(dòng)切力合理，失水量低（240 ℃老化后API 濾失量為5.6 mL/30 min，200 ℃高溫高壓濾失量為14 mL/30 min），且具有良好的抑制性和封堵能力，對(duì)在復(fù)雜易掉塊地層高溫鉆進(jìn)作業(yè)提供了技術(shù)保障。其配方為：清水＋3%鈉基膨潤(rùn)土＋3%SPNH＋1%Ca-CO3＋0.2%DSP-1＋0.2%Drisical-D＋2%SO-1＋2%FT-99＋0.2 mol/L CK＋0.5%（質(zhì)量比）LS-1＋重晶石。具體性能參數(shù)如表7 所示。

表7 耐高溫高密度成膜鉆井液體系的性能參數(shù)Table 7 Performance parameters of the high-temperature resistant high-density film-forming drilling fluid system

5 結(jié)論與建議

（1）雖然鉆機(jī)能力存在不足，但通過(guò)在福建漳州HDR-1 井和青海共和GR1 井應(yīng)用螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)工藝和渦輪鉆具取心復(fù)合鉆進(jìn)工藝，仍可看出復(fù)合鉆進(jìn)工藝的機(jī)械鉆速在高溫下仍明顯高于常規(guī)轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)，且耐高溫螺桿鉆具在高溫條件下的工作性能與常規(guī)螺桿鉆具在低溫條件下的工作性能相近，大幅縮短了鉆井周期、提高了鉆效。同時(shí)，由于采用復(fù)合鉆進(jìn)方法，鉆柱受力和傳動(dòng)工況得到了改善，減少了鉆柱的磨損和事故發(fā)生率，地面動(dòng)力負(fù)荷也相對(duì)減小，節(jié)省了用電成本。在今后干熱巖鉆井施工中鉆機(jī)型號(hào)應(yīng)提高一個(gè)檔，以便鉆機(jī)充分發(fā)揮其綜合效能，使綜合能耗和孔內(nèi)卡鉆事故進(jìn)一步降低，使鉆進(jìn)速度、質(zhì)量和效益進(jìn)一步提高。

（2）螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子在定子型腔內(nèi)作平面行星運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生離心慣性力造成鉆具的橫向振動(dòng)，易導(dǎo)致鉆井井眼軌跡不規(guī)則、能耗增加。而渦輪鉆具的轉(zhuǎn)子作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)引起離心慣性力和橫向振動(dòng)，可獲得高質(zhì)量的井眼軌跡，特別是在取心鉆進(jìn)中易于保證取心質(zhì)量、提高取心速度和取心率。

（3）要進(jìn)一步加速耐高溫等壁厚螺桿鉆具、耐高溫橡膠和使用螺桿鉆具施工干熱巖水平定向鉆進(jìn)工藝的研究，提高螺桿鉆具抗高溫、抗疲勞、耐磨損、長(zhǎng)壽命的性能。在渦輪與螺桿鉆具同時(shí)發(fā)展的基礎(chǔ)上，加大國(guó)產(chǎn)渦輪鉆具的開(kāi)發(fā)力度，加強(qiáng)渦輪鉆具軸承等易損件使用壽命的研究，提高鉆具使用壽命，以滿足高溫鉆井技術(shù)不斷發(fā)展的需求，降低鉆井綜合成本。進(jìn)一步完善干熱巖渦輪鉆具和螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)工藝，開(kāi)發(fā)渦輪鉆具和螺桿鉆具的配套工具，改善鉆井條件，降低復(fù)合鉆具制造成本，以提高復(fù)合鉆進(jìn)工藝的綜合經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用。

（4）要加大井下動(dòng)力鉆具、耐高溫牙輪鉆頭和取心鉆頭與干熱巖地層的適配性研究，解決鉆頭在高溫、高壓、高地應(yīng)力、高研磨性地層中的保徑和快速碎巖問(wèn)題。要進(jìn)一步加大對(duì)綠色環(huán)保、高溫穩(wěn)定性好、攜屑能力強(qiáng)、高溫漏失地層隨鉆堵漏適應(yīng)性強(qiáng)和施工成本低的鉆井液體系的研究，解決好干熱巖鉆井“血液”的問(wèn)題。