关于高温地热高效开发钻井关键技术研究

宋杨

【摘 要】在社会的发展中，经济发展与环境保护出现了一定的矛盾，在目前能源匮乏的现状下，清洁可再生能源的开发和利用成为了目前社会所关注的主要问题，而地热能就属于目前最受关注的清洁可再生能源之一。

【Abstract】In the development of society， economic development and environmental protection has some contradictions. In the current status of the lack of energy， development and utilization of clean renewable energy has become a major concern of the society， and the geothermal energy is one of the most popular current clear clean renewable energy.

【关键词】高温地热 ；高效开发 ； 钻井关键技术

【Keywords】high temperature geothermal ；effective development ； key technology of drilling

【中图分类号】TU45 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0127-02

1 引言

地热能是一种来自地球内部的热能，属于一种清洁可再生能源，对地热资源的开发和利用对我国能源结构的调整有着重要的意义。目前国际上将超过150℃的地热资源称为高温地热资源，其主要用途是用来发电，对于高温地热资源的开发来说，其钻井技术与油气开发技术大致相同，但是由于地热储存埋深和温度的影响，使地热钻井条件更为苛刻，技术流程更加复杂，相应的钻井成本也比较高，这就需要对高温地热储层的类型和特点进行分析，并且在此基础上对其高效开发钻井技术进行分析研究，实现我国高温地热资源的高效开发和利用。

2 高温地热资源的主要类型

目前地热开发主要包括高温地热开发和中低温地热开发两大部分，高温地热主要指的是温度超过150℃的地热资源，其最佳用途是发电，中温地热指的是温度在90℃到150℃之间的地热资源，其主要用途为工业热能利用和发电，低温地热指的是低于90℃以下的地热资源，一般是作为热水或者热能进行直接利用。

对于高温地热资源来说，按照工程开发可以分为热液型地热系统和增强型地热系统，其中增强型地热系统也可以称为工程型地热系统，两者的主要特点体现在这样几个方面：

2.1 热液型地热系统

对于热液型地热系统来说，属于地热资源中的一种特殊形式，主要表现形式为高温或者含有大量水蒸气的岩层，其深度范围一般较浅，保持在500～800m的深度范围内。对于这类地热资源，其开采技术较为简单，只需要利用高温电潜泵通过大直径生产井来对其中的热水和热蒸汽进行开采，就能够实现对这类地热资源的利用。在世界范围内，热液型地热资源的储层较少，主要分布在构造板块较为活跃或者板块内部靠近板块边界的区域[1]。

2.2 增强型地热资源

增强型地热主要指的是温度较高且埋藏较深，但是其中含水量不足或者渗透率不高的地热资源，对于这种地热资源来说，必须要经过地面注水处理之后才能进行开采。增强型地热系统主要分为干热岩和湿热岩等两种类型，其主要深度范围为2000～10000m，对于干热岩来说，其温度保持在150～650℃之间，一般呈现出不含水和渗透率差的储层特性。而湿热岩的温度通常大于150℃，构造裂缝含水量较少，渗透率较差。增强型地热资源主要分布在大型沉积盆地的花岗岩体中。

3 高温地热储层的特点

3.1 岩石硬度较大，可钻性较差

不同类型的高温地热资源的储层特点具有一定的差异，但是其共同点在于主要分布在岩石硬度较大的区域，主要表现为花岗岩、火山岩和结晶岩，这些岩石的硬度和强度比油气储层中砂岩的硬度要高出许多，部分地区中岩石的抗压强度超过240MPa，在这样的情况，很难对其进行钻井开发。

3.2 温度较高

对于不同类型的高温地热储层来说，其温度都超过150℃，目前我国开发的地热资源温度一般为200℃，日本曾经开发过一个温度超过500℃的地热资源，处于世界领先水平[2]。

3.3 埋深较大

对于目前商业开发利用的地热资源埋深来说，一般都超过2800m，埋深较大，虽然热液型地热资源的埋深并不大，其深度范围一般为几百米，世界上的一些地区也可以通过钻几百米的深度就能够获得温度较高的高温地热资源，但是这些高温地热资源都不能用于商业发电，其主要应用问题体现在这样几个方面：首先是地热能不稳定，出水量和溫度变化较大，会对发电稳定性造成较大的影响。另外是由于此类地热资源的埋深较小，高温水在热源处经过的路径较短，开采出来的高温水温度衰减速度较快，不能用于连续发电。

3.4 非均质性强

高温热液型地热资源主要分布在构造板块活跃区，在这个区域中，地层裂缝较多，同时裂缝尺寸较大，这些区域中高温地热资源的埋深较深，钻遇地质非均质性较强。

4 高温地热高效开发钻井关键技术

4.1 高效破岩技术

高温地热资源储层中岩石的硬度和强度较高，同时还具有超高温的特点，针对这样的储层特点，聚晶金刚石钻头不能适应这样的硬质地层，钻进速度较慢，碳化钨镶齿牙轮钻头虽然能够承受150℃左右的高温，但是在温度逐渐升高的情况下，钻头轴承中的橡胶密封材料就会由于高温的影响，出现融化的现象，从而导致密封失效的现象出现，钻井过程中的液体和岩屑会由此进入轴承腔，对轴承造成损坏，在这样的情况，钻头的下钻次数和钻头的更换数量将不断增多，增加钻进成本。针对目前钻头轴承橡胶密封不耐高温的问题，可以采用新型的密封橡胶或者用金属密封代替橡胶密封的方法来提高抗高温能力。史密斯钻头公司就采用纤维增强碳氟化合物作为钻头轴承的密封材料，然后在其中加入润滑油来提高抗高温润滑性能，这样的钻头不仅能够快速进行钻进，同时能够防止高温对钻头轴承密封材料所造成的影响，经过相关实践测试之后发现，这种钻头单次入井工作时间达到77h，在钻进结束之后，轴承和密封装置完好。

4.2 防漏堵漏技术

对于热液型高温地热储层来说，其中的裂缝较多，裂缝尺寸较大，为了提高地热井的热交换效率，钻井井眼轨迹一般需要穿过裂缝带，在这样的过程中，容易发生井漏的现象，井漏现象的出现会使境地压力降低，造成井壁坍塌和卡钻等问题，提高钻井工作的成本。在对高温地热储层的特点进行分析之后，针对这种井漏现象，可以采取防漏堵漏技术，对于井漏现象不严重的情况来说，可以采取水泥砂浆进行堵漏工作，其中水泥浆需要采用耐高温型水泥浆。对于井漏现象较为严重的地层来说，可以采用清水盲钻进行多次堵漏。

4.3 耐高温井下测量工具和仪器

高温地热储层的温度较高，在超高温的影响下，会对井下测量工具的精度、使用寿命和传感器功能的正常使用造成影响。目前所使用的的耐高温井下测量仪器能够承受175℃的温度，在温度不断上升的情况下，这些电子元件仍然会受到破坏，针对这种情况，为了提高电子元件的耐热性能，可以采用降低电子元件功耗、散热技术、绝缘保护技术和改进电子元件封装技术来进行解决。对于高温环境下传感器失效的问题来说，可以采用提升碳化硅基高温电子元件的复杂性和集成度来进行解决，这种传感器的电子元件可以承受300℃以上的高温环境，实现井下的连续精密工作。

4.4 抗高温钻井液技术

在高温地热钻进过程中，钻井液在高温的影响下会出现分散度较强和粘性增加的情况，影响钻井作业的正常进

行，针对这些问题，一般可以采用甲酸盐钻井液来代替传统的高密度盐水钻井液，以此实现钻井液在高温环境下的稳定性。

5 结语

在对高温地热储层的类型和特点进行分析的基础上，针对高温地热储层岩石硬度高、温度高的特点，可以对井下工具和材料进行改进，采取相关的钻井技术，以此来实现高温地热的高效开发。

【参考文献】

【1】光新军，王敏生.高温地热高效开发钻井关键技术[J].地质与勘探，2016，52（4）：718-724.

【2】光新军，王敏生，思娜，等.高温地热高效开发钻井技术难点及对策[C]//全国探矿工程，2015.