熱巖地熱開發鉆井技術

   干熱巖是指地層深處3000-10000m范圍內普遍存在的沒有或僅有少量流體、致密不滲透的熱巖體，巖體溫度一般在150-650℃之間，呈干熱狀態，是一種清潔、可再生的綠色資源。全球干熱巖資源分布廣泛，蘊含熱能極高，麻省理工學院研究表明，僅開發地殼中2%的干熱巖資源儲量就能產生2.00×10^38J的能量。科學估算，我國干熱巖蘊含能量約為2.09×10^35J，和7.15×10^14t標準煤，若按2%的利用率計算，相當于我國年均能源消耗量的4400倍。干熱巖可用于發電和供暖等使用，一般采用井網壓裂和U型井等方式，通過注水井將高壓水注入干熱巖層，充分吸收地層熱量后，將高溫水和蒸汽通過生產井采出，經過熱交換及地面循環裝置后，將冷卻水再次注入地下，如此循環流動，實現干熱巖的能量的開發。具有經濟環保安全的特點，不產生二氧化碳、粉塵顆粒和污水等，干熱巖在我國具有巨大的開發利用前景。

目前，鉆井依舊是干熱巖地熱勘探開發的唯一手段，在鉆井過程中，高溫高壓的極端惡劣環境給井下工具和鉆井液體系提出嚴峻的考驗，我們分析干熱巖鉆井施工的地質和工程特點，研究油氣鉆井技術的耐高溫性能，對于干熱巖鉆井技術方案優選進行了有效探索。

1、干熱巖的地質特點

干熱巖的熱量來源包括深部巖石放射性同位素蛻變而成熱源、深部巖石構造運動斷裂錯動摩擦造成的殘余熱源以及地球內部包括放射性富集帶以下至地核來源的傳導熱源。因此，在地殼較薄的地區容易發現干熱巖。干熱巖主要巖性為各種變質巖和晶結巖。干熱巖的特點有三個方面：

（1）巖石硬度大，抗壓強度高。

（2）干熱巖地層溫度高，一般在150-650℃，地溫梯度每100米大于4.0℃。河北永明地質工程機械有限公司生產的鉆機在青海地區施工超過3000米，該地區地溫梯度為每100米為6.8℃。

（3）巖石致密，空隙較小，滲透率低，基本不含流體，裂隙和斷層較為發育，采用井網方式開發。需要借助自然裂縫或人工壓裂來打開流動通道。D.Bachler 等研究發現，在注水開發過程中，隨著礦物質的溶解、析出、運移和沉淀，干熱巖內的孔隙度和滲透率不斷發生變化。開發初期，注水井附近孔隙度和滲透率不斷升高，生產井附近孔隙度和滲透率不斷降低，開發一段時間后逐漸達到平衡。

2、干熱巖鉆井技術難點

（1）鉆井溫度高，鉆井井下工具和鉆井液體系的性能和壽命受到很大限制。國內外認為溫度在350℃以上的干熱巖儲層具有開發利用價值。尤其是測量儀器的精度和可靠性極易受到高溫的影響。而且定向螺桿的橡膠部件難以發揮密封作用，

（2）干熱巖鉆井深度大，巖石可鉆性差，對鉆機設備、鉆頭和輔助破巖工具提出更高的要求。

（3）地層發育裂隙和斷層，井漏現象較為嚴重。深井和超深井鉆穿多套壓力系統，更容易造成井漏。

（4）井壁圍巖穩定性差。在鉆井過程中，井壁圍巖受到溫度場、滲流場和應力場的多場耦合作用，井壁破裂現象明顯，形成大量的裂紋，巖石強度明顯低，極易造成掉塊、卡鉆和憋鉆。同樣是埋深5000m的花崗巖，500℃環境下蠕變率是400℃的1.87倍，井眼發生縮頸的概率和程度加大，造成鉆頭被卡和套管擠毀等現象。