高温地热高效开发钻井关键技术

光新军，王敏生

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)



高温地热高效开发钻井关键技术

光新军1,2，王敏生2

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

地热能是来自地球深部的热能，是一种清洁、低碳、环保的可再生资源，高效开发地热资源对调整我国能源结构具有重要意义。目前高温地热开发的钻井技术都是采用油气开发的技术，由于高温地热储层的特殊性质，使得常规油气钻井技术作业效率低，成本较高。针对目前高温地热资源开发的工程需求，介绍了高温地热储层的类型，分析了高温地热储层特性和高效开发的钻井关键技术，包括高效破岩技术，防漏堵漏技术、抗高温井下工具和仪器、抗高温钻井液、抗高温水泥浆和高效低成本钻井技术，并对未来高温地热高效开发的钻井技术攻关方向提出了建议。

高温地热 钻井 破岩效率 漏失 低成本

国际上把温度超过150℃的地热资源称为高温地热资源。目前高温地热资源主要用来发电，在开发方式上，地热与常规油气有诸多相似之处。但由于地热储层的岩性、埋深、温度等特殊性质，相比于油气钻井，地热钻井条件更为苛刻，使得高温地热开发的钻井成本较高。井深相同的情况下，高温地热钻井成本是常规油气钻井成本的2～5倍，甚至更多。对于热液型高温地热系统，钻井成本占整个发电投资的30%～50%。对于增强型高温地热系统，钻井成本超过50%(Pierceetal.，1993；Thorhallssonetal.，2011；Dumasetal.，2012)。为了高效利用高温地热资源，需要提高钻井作业效率，降低作业成本。国外在高温地热钻井方面做了大量工作，形成了相应的配套技术。我国对高温地热的开发还处于前期阶段，相关配套技术还没有形成体系。笔者在介绍高温地热资源类型的基础上，分析了高温地热的储层特性和高效开发的钻井关键技术。结合目前油气钻井技术的现状，对高温地热开发的钻井技术攻关提出了建议，以期对我国高温地热资源的高效开发和利用有所裨益。

1 高温地热资源的类型

地热开发主要分为高温利用和中低温利用两大类。地层温度高于150℃以上为高温地热，90℃～150℃为中温地热，低于90℃为低温地热。高温地热资源最佳利用途径是发电，中温地热适用于工业利用和发电，低温地热通常作为热水或热源直接利用。高温地热按工程划分，可分为热液型地热系统和增强型(或工程型)地热系统(EGS)，如表1所示。

热液型地热是地热资源的一种特殊形式，表现为高温、高渗透和含大量水或蒸汽的岩层，通常分布于相对较浅的地层中。只需要利用高温电潜泵就能通过大直径生产井开采超热水和超热蒸汽，开采的超热水或超热蒸汽驱动涡轮发电系统进行发电。全世界这类储层相对较少，主要分布于构造板块活跃区和板块内部靠近板块边界部位。我国这类地层相对较少，主要在藏南、川西和滇西等地和处于板块内部靠近板块边界的东部沿海。

增强型地热是指地层埋藏较深且温度较高，但是含水量不足或渗透率不高的地热资源，需要经过水力压裂或地面注水等作业后才能开采。美国最早认为深层结晶热岩体中没有流体存在，称其为干热岩(Hot dry rock)。后来在日本肘折地区发现深部热岩体中存在构造裂缝，裂缝中含有少量水，称其为湿热岩(Hot wet rock)。目前美国将这些地热资源统称为增强型(或工程型)地热系统(Craigetal.，2009；王晓星等，2012；Gerard，2013)。这类资源主要分布在大型沉积盆地中，目前还没有商业开发，可能成为未来的地热开采资源。

表1 高温地热资源按工程分类Table 1 Engineering-based classification of high temperature geothermal resources

2 高温地热储层的特点

(1)岩石的硬度大，研磨性强，可钻性差。高温地热储层的岩石一般为火山岩、花岗岩、结晶岩等，其岩石强度比含油气储层中的砂岩要大得多，有些地区岩石的单轴抗压强度超过240MPa，如图1所示(Juliaetal.，2010)。

图1 侵入岩与凝灰岩强度随孔隙度变化关系

(2)温度高。高温地热区块的地温梯度较高，储层温度超过150℃，目前较为成功的地热开发项目温度一般超过200℃，日本曾经完成一口500℃的勘探井(李亚琛等，2016)。

(3)埋深较大。目前商业开发的高温地热田深度较大，一般超过2800m。虽然在世界一些地区钻几百米就可获得200℃以上高温水热型地热资源，早期曾尝试利用这些浅层高温地热进行发电，但经过实践发现，该类地热发电存在问题包括：①地热能不稳定，出水量和温度变化较大，发电稳定性差；②地下水在热源处经过路径短，采出量与采出水温度衰减较快，发电时间短(查永进等，2012)。

(4)非均质性强。高温热液型地热资源主要集中在构造板块活跃区，地层裂缝较为发育，裂缝尺寸大，并且含有大颗粒的石英。典型的火山区地热储层岩芯柱如图2所示(Greg，2011)。在非构造板块区的高温地热资源一般埋深较深，钻遇地层非均质性也较强。

3 高温地热高效开发钻井关键技术

3.1 高效破岩技术

由于高温地热钻井所钻遇的地层均为硬度非常高的变质岩或花岗岩，除了地层较硬、研磨性较强外，还存超高温等特点。即便对于新一代钻头来说，钻速也非常低，井下动力钻具在在该类地层也没有取得突破。

由于聚晶金刚石(PDC)钻头切削齿还不能适应硬质地层，目前地热钻井主要采用牙轮钻头。碳化钨镶齿牙轮钻头能够应付高达150℃的温度，但是超过了这一温度，钻头轴承中的橡胶密封材料会发生退化，造成密封失效，钻井液及岩屑进入轴承腔，从而导致轴承损坏，限制钻头在井底的钻进时间，导致起下钻次数增加和钻头使用数量增多，从而增加成本。针对常规钻头密封件中橡胶不能抗高温，导

图2 新西兰火山区地热储层岩心

致钻头寿命太低的问题，可以采用新材料密封橡胶或金属密封代替橡胶密封来提高抗温能力。史密斯钻头公司Kadera钻头采用纤维增强碳氟化合物作为密封材料，并采用合成润滑油及添加剂提高抗高温润滑性能。在意大利一口地层温度高达270℃的地热井中使用，单次入井工作时间达77h，钻时比传统牙轮钻头提高了3%～37%(Simone Orazzinietal.，2012)，轴承和密封系统完好。牙轮钻头虽然在抗高温方面得到了改进，但在研磨性地层切削齿磨损速度快，深部地热钻头寿命仍然有限，在许多应用中钻时少于50h。美国NOVNETK公司正在研发适用EGS地层的锥形齿PDC钻头，如图3所示 (Durrand，2010)，并论证将锥形齿应用于牙轮钻头，以及与常规PDC齿进行复合提高EGS地层钻进效果的可行性。

图3 锥型齿PDC钻头

高温条件下，螺杆钻具马达定子橡胶容易发生老化，目前螺杆钻具最高只能在井底温度175℃的条件下正常工作。涡轮钻具由于其结构特点不含有橡胶，比螺杆钻具具有更高的抗温能力。美国Manrer公司开发的低速大扭矩耐高温涡轮钻具能够在高达260℃的高温条件下钻进，能以80r/min～100r/min的低钻速驱动12in牙轮钻头旋转，并施加5440Nm～10880Nm的高扭矩。

3.2 防漏堵漏技术

针对含裂缝系统的地热储层，为了使地热井获得高产或提高热交换效率，钻井井眼轨迹一般需要穿过裂缝带，钻井过程中容易发生井漏。井漏使得井底压力降低，造成井壁坍塌，卡钻等一系列问题，增加作业时间和成本，据统计，高温地热钻井过程中，处理井漏的费用占总费用的10%～20%(牟德刚，2000；Robertetal.，2005；Billetal.，2010)。钻井液携带的钻屑还会伤害储层，降低地热井的产能。

高温地热井由于其特殊的地层特性，其防漏堵漏技术对策与油气钻井有所区别。广泛应用的技术包括空气/泡沫钻井、堵漏剂堵漏/注水泥堵漏和盲钻三种，其特点见表2。目前防止井眼漏失的方法主要是采用欠平衡钻井技术，如雾化、空气钻井(吴烨等，2013)。为了携岩，环空流速较大，在高温含氧的环境下，加剧了管柱的腐蚀和工具接头的损坏，需要采用经济可行的方法解决。针对地层漏失较小的情况，可以采用堵漏剂或水泥浆堵漏，为了防止井下高温影响堵漏材料的性能，需要采用耐高温堵漏材料或耐高温水泥浆，同时要提高堵漏材料的承压稳定性。针对漏失较大的地层，可以采用清水盲钻，再进行多次堵漏，采用盲钻时需要防止沉砂卡钻。

针对固井作业中出来的漏失问题，可以采用轻质水泥、泡沫水泥、反循环固井工艺来进行解决(谭慧静等，2015)。

表2 防漏堵漏的技术对策Table 2 Mud losses prevention and technology countermeasures

3.3 抗高温井下测量工具和仪器

高温地热储层的温度比一般油气田要高，井下工具和仪器需要应对更高的温度。井下超高温会使仪器的压力密封件、电子元件的精密仪器和传感器失效(Sverrir，2006；Syedetal.，2008)。

目前常用的耐高温随钻测井和井下监测等工具能在175℃以下的环境中正常工作，但流体的温度超过175℃后，密封件和电子元件可能会损坏。采用隔热材料对井下仪器进行隔热处理后，一定程度能提高耐温性能，目前中国航天科工三院的纳米高温隔热材料能满足800℃的温度。但是，即使采用隔热材料，内部温度也会持续增加，电子元件在井下正常工作时间也受到限制，提高电子元件性能的主要途径包括降低电子元件功耗、高效率的散热技术、绝缘保护技术和改进电子元件封装技术。目前国外正在研究芯片冷却技术、陶瓷芯片等，以提高电子元件的抗温性能。同时，利用新型材料替代传统氟橡胶材料或用金属-金属密封技术来提高井下仪器的密封性能。斯伦贝谢TeleScope ICE系列超高温随钻测量系统(MWD)集成陶瓷电路技术和多芯片组件技术，在200℃环境中经过3.5万小时，200万次振动冲击测试，显示了良好的稳定性能。高温也是使得传感器失效的重要原因，随着技术研发的不断推进，传感器的耐温能力也不断获得提升。道达尔和哈里伯顿联合研发了系列超高温高压传感器，目前已开发耐温230℃的Ultra系列的方位、伽马、随钻压力传感器。GE公司通过提升碳化硅基高温电子器件的复杂性和集成度，研发的带有源电子器件和包装材料的组件经过测试表明，在300℃下的作业寿命能超过2000h。对于钻定向井与水平井来说，地层超高温，钻进深度较深，井眼轨迹控制精度要求不高的情况下，可以采用单点测斜仪来进行测斜。

3.4 抗高温钻井液技术

在高温地热钻进过程中，钻井液受高温影响，粘土颗粒分散度增强，温度越高，分散性越强，导致粘度增加，严重稠化并形成凝胶，流动性较差，高温高压失水量增加，影响钻井作业的正常进行(贾军等，2015)。

油基钻井液的抗温性能比水基钻井液要高，但是油基钻井液会对储层造成污染，增加发电期间水处理成本，钻井过程中通常采用水基钻井液体系。甲酸盐钻井液具有密度可调、高温稳定性好、抑制性强、抗污染能力强、低毒且易降解和储层保护效果好等特点，在高温井中可以有效替代传统高密度盐水钻井液。合成基钻井液热稳定性好，是抗高温钻井液研发的新趋势。M-I SWACO公司最新研发的THADIAN抗高温合成基钻井液，能够有效降低钻井液在高温条件下的性能老化，最高耐温能达260℃。该钻井液还添加了专门研制的ECOTROL HT合成聚合物，MUL XT乳化剂以及ONETROL HL泥饼控制剂，可以保证钻井液在长时间静止后性能依然稳定。除水基和合成基钻井液外，还可以采用抗温230℃以上的处理剂、发泡剂、稳泡剂配制而成的泡沫钻井液(曾义金，2015)。针对泡沫欠平衡钻井，中石油长城钻探工程公司研发了耐温300℃泡沫钻井液体系，并在肯尼亚一口温度高达350℃的地热井中成功应用。为了防止钻井液过热导致液体气化，在钻井过程中交替采用了泡沫循环与注水冷却(鲁立强等，2009；Zhangetal.，2012)。

通过地面泥浆冷却装置降低钻井液温度也是提高钻井液性能的一种有效方法，一般规定返出的钻井液温度超过75°时需要采用泥浆冷却装置。

3.5 抗高温固井技术

地热井完井一般可以采用裸眼完井，但对于上部套管及管外水泥环来说，要考虑高温流体的影响(黄同生，2000；Ravietal.，2008；Brianetal.，2009)。高温地热井固井工艺关键技术主要表现在以下几个方面：

①固井水泥石的强度是保证水泥环长期有效封隔的关键。高温通常导致水泥石强度下降，当温度高于110℃时，水泥强度降低，在230℃时，抗压强度降低50%左右，温度越高，强度下降越严重，严重影响固井质量。为了提高水泥胶结强度，可以采用两种方法，一是通过化学添加剂提高胶结强度，如斯伦贝谢的FlwxSTONE水泥浆体系，通过使用一种弹性添加剂，增强了固化水泥弹性变形的能力，使水泥环与套管形成更加紧密的密封，提高胶结质量。二是通过改变微观结构提高水泥抗高温能力。如斯伦贝谢的DuraSTONE水泥浆体系，利用粒级分布和微钢带技术确保高温条件下的井筒完整性。粒级分布技术用于降低水泥环的渗透率并提高抗压强度，微钢带技术在此基础上对水泥环进行加固。

②高温对于固井水泥浆的凝固时间难以控制，容易导致固井失败，可以采用固井前充分循环冷却等方式，使固井时循环温度达到满足固井的要求。

③在热采条件下，固井套管受温差影响，产生的热应力引起套管的拉伸和压缩、径向膨胀和屈曲，在套管设计时，需要考虑温度对套管强度的影响。为了使套管受到更大的约束力，固井水泥要求返至地面。

④在高温地热固井中，钻井液容易发生胶凝，导致固井顶替效率降低，使得环空中留有残余的钻井液，未替尽的钻井液会因高温形成高压蒸汽挤坏套管。为了防止固井环空中残留钻井液，国外一般采用反循环固井技术，先利用冲洗液冲洗套管与套管之间的环空，然后在环空反循环注入水泥浆，同时确保在作业期间没有残余液体，这种固井技术在地热钻井中取得了很大的成功。

3.6 高效低成本钻井技术

高温地热钻井面临开发成本高的问题，研发高效低成本的钻井新技术提高钻井效率尤为迫切。目前有许多方法可以降低高温地热井下套管和固井的成本，如可膨胀管技术、小间隙井筒套管设计、跟管钻井、多分支井等。采用可膨胀管技术可以减少套管级数和固井水泥用量，但需要保证可膨胀套管在井筒中遇热膨胀的可靠性。小间隙套管设计可以代替膨胀管，减少套管与井筒之间的间隙。较小的公差可能引起固井作业问题，可能需要采用井下扩孔器在套管与井筒之间形成固井间隙。跟管钻井是一种新兴的降低成本的技术，其允许较长的套管间隔，减少套管层数，降低钻井成本。分支井钻井技术可以增大井筒与储层的接触面积，广泛应用提高油气采收率，但是针对需要进行储层改造的高温地热井，需要采用最复杂的(5级或6级)分支井完井工艺，以对各分支进行有效的压力封隔。

先进钻井技术的成果应用也将会大幅提高钻进速度和钻头寿命，减少钻机租用时间，并可采用轻型、低成本钻机，使钻井成本明显降低。这些技术包括高压水射流钻井技术、高温碎裂钻井技术、激光钻井技术、电弧等离子钻井技术和化学腐蚀钻井技术等(Bazarganetal.，2013；Ken，2013；Olivieretal.，2013；Igoretal.，2015)。这些技术目前还处于研发阶段，没有进行商业应用。但其中任何一种技术开发成功，都将引起地热钻井实践的重大变化，明显降低钻井成本。

4 认识与建议

(1)高温地热储层岩石具有硬度高、研磨性强、非均质性强等特点，在高效破岩方面，优化高温地热储层的钻头选型、提高牙轮钻头的耐高温密封性能、新型PDC切削齿的研发以及涡轮钻具的适应性和研发耐高温螺杆钻具是提高破岩效率的关键。

(2)裂缝性油气地层的防漏堵漏技术在国内已经较为成熟，针对高温地热地层的防漏堵漏需要考虑工程施工时井下高温对堵漏材料性质和防漏配套工艺的影响，开发用于检测高温抗漏失材料性能的室内测试设备，开展地层漏失预测、随钻漏失检测和随钻堵漏工艺等关键技术的攻关。

(3)在高温条件下的钻井配套技术方面，目前国内部分技术能满足高温地热钻井的需求，但是还没有形成体系，需要开展满足高温条件下，耐高温水基钻井液、耐高温逆乳化钻井液、耐高温固井泥浆和耐高温电子元件和材料密封性能的攻关。对于定向井和水平井施工，如果井眼轨迹控制精度要求不高，可以采用抗高温单点测斜仪的方式。

(4)在高效低成本钻井技术方面，可以采用可膨胀管技术、小间隙井筒套管设计、跟管钻井、多分支井等油气钻井技术，但部分关键技术需要进一步攻关。

(5)国内地勘单位和石油企业应积极储备高温地热高效开发的前瞻技术，进行潜在可行技术的研发，如高压水射流钻井、激光钻井、高温碎裂钻井和电弧等离子钻井技术等，提高研磨性地层的钻进速度，降低钻井作业成本。

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Key Drilling Technologies for Efficient Development of High-Temperature Geothermal Resources

GUANG Xin-jun1,2, WANG Min-sheng2

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083；2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing100101)

Geothermal energy is the heat from the deep Earth.It is a clean,low-carbon and green and renewable recourse.Efficient development of geothermal resources is of great importance for adjusting our country’s energy structure.Currently,the drilling technology for high-temperature(HT)geothermal wells is essentially based on traditional drilling equipment for oil and gas exploration.Due to the special nature of the HT geothermal reservoirs,the efficiency of conventional drilling technologies is low and the cost is relatively high.To meet engineering requirement of HT geothermal resources,this article introduces the types of HT geothermal reservoirs,analyzes reservoir characteristics and keg drilling technologies forefficient development including lost circulation control technologies,efficient rock breaking,HT downhole tools and equipments,HT drilling fluids,HT cement technologies and advanced drilling technologies.At last,this paper gives some suggestions about tackling key problems in drilling technology for efficient development of HT geothermal resources in the future.

HT Geothermal, drilling, rock breaking efficiency, lost circulation, low cost

2016-03-23；

2016-07-21；[责任编辑]陈伟军。

中国石化科技攻关项目“石油工程技术装备发展趋势与战略对策”(编号：P15163)资助。

光新军(1986年-)，男，工程师，现主要从事钻井前瞻技术及石油工程规划方面的研究工作。E-mail:guangxinjun@126.com。

TE242

A

0495-5331(2016)04-0718-07

Guang Xin-jun, Wang Min-sheng. Key drilling technologies for efficient development of high-temperature geothermal resources[J].Geology and Exploration, 2016, 52(4):0718-0724.