关于碎裂钻井技术极其在地热钻井中的应用前景分析

吴进茂

摘要：我国地热资源相当丰富，且地热资源在环保具备相当大的优势。目前对地热资源的开发技术存在许多问题，致使地热资源的开发周期较长、成本较高。在这样的前提下，如何降低地热开发的成本，缩短其周期，提高其周期就成了当前地热开采过程中着重要考虑的问题。碎裂钻井技术就是人们解决这一问题的实践产物，虽然目前其技术尚未成熟，但是其在减小设备磨损和灵活改变孔径等方面的优势使其具有广泛的发展前景。本文将就碎裂钻井技术的工作原理作具体阐述，指明该技术的优缺点。

关键词：地热钻井；碎裂钻井；原理；优缺点；前景

一、碎裂钻井技术的产生

钻井工程的传统方法包括硬质合金钻进、金刚石钻进、 牙轮钻进等常规等机械碎岩钻井方法。

（1）硬质合金钻进：指把不同几何形状和一定尺寸的硬质合金按着钻进的要求固定在钻头体上，并在一定的钻进规程下破碎岩石的钻进方法。

（2）金刚石钻进：金刚石钻头的组成由金刚石、胎体、钻头体三个部分组成，在现行钻井工程中具有较高的效率，但是钻头的损坏率较高，使用寿命较短。

（3）牙轮钻进：多用于大型露天情况，其主要的缺点是劳动强度大、自动化水平低。

在地热钻井工程中，这些机械钻井方式普遍都具有以下 2 个缺点：

（1）进尺慢：常规钻井方法在钻进油气钻井中表现较好，因为，油气钻井面对的底层多为松散、 沉积地层。然而地热开采过程中要面对的岩层则多是花岗岩、 铁燧岩等坚硬岩层， 常规的钻井方法在面对这样强度的岩层时，进尺速度会受到很大的影响，速度降低十分明显。

（2）费用高。首先，常规钻井方法的钻头的损耗率通常很高，而地热开采的条件相较于油气开采条件要苛刻的多，无论是在钻井深度方面还是在开采是环境的温度和压力方面，这样高温高压的操作条件更是加剧了钻头的损耗，使得地热开采过程中钻头的更换十分频繁，大大增加了地热开采的成本。另外，由于进尺速度慢，使得开采的周期大大延长，无疑加大了投资成本。而且随着钻井深度的加大，成本会随之加大，尤其是对于井深超过 4000 m 地热资源的钻井， 常规钻井方式的钻井周期长、 成本高的缺点就显得尤为明显， 这对地热资源的开发利用非常不利。

基于以上传统钻井技术的明显的缺点，人们迫切需要改变这一现象，需要一种非传统的新型钻井技术来代替这些传统钻井技术，由此碎裂钻井技术应运而生，碎裂钻井技术是利用物理场能量来破碎岩石的钻井的新方法，其在研究上已经取得很大的进展，目前可以进入可实施阶段。可以预见，碎裂钻井技术加入地热资源的开发，对于地热资源的利用将有巨大的影响，相信未来地热资源的开发成本会随之的推广越来越低。

二、碎裂钻井技术的原理

碎裂钻井技术与常规钻钻井技术有很大的区别。（1）首先在能量传输方面，常规钻井利用的是机械作用，是利用钻机的驱动力使转盘、 钻柱等高速旋转将能量传递到井底；而碎裂钻井则是利用化学制品如燃料、氧气，使之接触产生高温火焰并迅速将热能传输到井底。（2）岩石的破碎方式，与二者的能量传输方式对应，常规钻井技术是利用机械力使岩石破碎——例如牙轮或切削钻头对井底岩层的破碎作用；而碎裂钻井技术则是通过巨大的温差和不均匀的膨胀作用力使井底岩层破碎——由于燃烧产生巨大的高温，使得岩体表面的温度大大高于岩层内部的温度，产生巨大的温度差，同时由于岩石的膨胀系数有所差异使得岩石在高温作用下受到不均匀的膨胀作用力，基于这两点，从而使得井底岩层被破碎。（3）岩屑的清理方式不同，常规钻井技术利用的是钻井泥浆和压缩空气对岩屑进行清理；而碎裂钻井利用的是燃烧作用和压缩空气对岩屑进行清理。（4）在井控和井底稳定性的维持方面，常规钻井技术需要利用防喷器和泥浆的自重、静水压以及通过各种化学试剂进行维持；而碎裂钻井技术则只通过防喷器进行井控。

总而言之，碎裂钻井技术是利用高温火焰灼烧岩体局部表面，使岩层表面受到高温火焰的灼烧，从而使之受到温度差和不均匀的热膨胀而碎裂成薄片并脱离母岩，如此便大大降低了钻井的强度，同时有利于进尺速度的提高。相关数据表明，采用碎裂钻井技术进行钻井，其速度是常规钻井方式的5倍以上，最大可达常规方法的十倍。以下将详细介绍其区别于其它钻井设备的最重要的结构——燃烧器，同时将就碎裂钻井技术的钻进机理进行论述。

（一）燃烧器的结构及特点

碎裂钻井系统包括（1）管道：共有三条管道，分别负责输送冷却水、氧气和燃料。（2）燃烧室：氧气和燃料通过各自的管道被输送到燃烧室，在此接触燃烧。（3）喷嘴：燃烧室中产生的火焰通过其底端的喷嘴喷发，对岩层表面进行灼烧。（4）冷却水出口，在燃烧器的中的井下燃烧器就像是一个喷气发动机， 在其内部产生的高侧面设有冷却水出口。

通过燃烧器产生高温火焰灼烧岩层表面使得表面与深层岩石产生一定的温度差从而使岩石发生碎裂；同时，由于不同岩石膨胀系数不同，在高温效果下膨胀效果不一样，从而使使得岩石发生碎裂。由于燃烧器在工作过程中距离岩层是有一段距离的，因而避免了与岩层接触而造成的磨损，增加了该设备的使用寿命，大大降低了成本。但是，由于火焰流单一，造成热能的集中，容易产生事故，针对该种现象，研究者对其进行了改进，增加了喷嘴的数量，使得火焰流增加，灼烧的点分散。

（二）碎岩机理

根据普雷斯等人对碎岩机理的研究，可知碎岩基本条件有两个一是温度梯度，二是应力。要达到这两个条件，要做到，加热面积足够小，加热速度足够块。

作用机理：当对井底岩石表层的局部进行迅速的高温加热将导致应力集中，并作用于靠近井底岩层表面的微小裂隙处， 使裂隙沿着平行井底岩层表面的方向发展， 形成附着于岩层表面的薄片并逐渐隆起， 到达一定程度后应力会突然释放， 导致薄片迅速地弹出岩层表面。若是已知岩石特性，可根据相关应力-温度公式估算出岩石碎裂所需要的温度。endprint

在普雷斯等人研究的基础之上，特斯特、韦伯等人提出了解释碎岩机理的公式。

特斯特等人提出平行于岩石表面的压应力（σxx 和 σyy ）随温度的改变而改变， 二者关系如下式所示：

σxx= σyy= βr EΔT/（1 - v） （1）

式中：βr — — —岩石的线性膨胀系数；E— — —岩石的线性模量；ΔT— — —温度变化量；v— — —泊松比。

从上式可以看出，压应力与温度变化成正比例的关系，但是岩石碎裂的关键条件并未给出。而韦伯等人则给出了岩石碎裂的多种条件——微小裂隙的分布、 作用于裂隙处的应力大小、 应力作用面的面积等。同时提出了累积失效概率分布公式。

（2）

式中：σ— — —岩石中的压应力；σ0 — — —岩石抗压强

度；m— — —均匀因数；V— — —应力作用下的样品体积。

上式对于岩石碎裂的条件进行了描述，但是压应力和均匀系数均需通过实验测得。因而特斯特等人又针对此种问题进行研究解决了以下问题。

（1）确定了式（2）中压应力：通过岩石表面温度曲线确定压应力的分布，再通过式（1）求得压应力。

（2）得到相关参数的通式：

（3）

（4）

其中，式（3）为热通量公式，式（4）岩石碎裂时温度公式。在纵横比 C L 确定的情况下可以根据岩石特性求得相关参数。一般来说，纵横比 C L 的值是可以假设，大约在8--15之间，根据不同的岩石可以确定纵横比的大致范围。据特斯特等人的计算，岩石碎裂时的温度大约在400 ～550 ℃之间。

三、碎裂钻井技术的优缺点

（一）优点

（1）进尺速度快。（2）设备磨损少。由于燃烧器在工作过程中距离岩层是有一段距离的，因而避免了与岩层接触而造成的磨损；同时钻杆柱没有旋转， 因而相对来说磨损有所降低。

（3）能够灵活地改变孔径大小。（4）控制井斜。碎裂钻井的钻杆柱不需要旋转，而且井下燃烧器承受的压力小，所以大大减少了井斜现象的发生。

（二）缺点

（1）受地形限制，适用范围相对较小。（2）管道相对较多（包括氧气管道、燃料管道、冷却水管道），使得燃烧器结构较为复杂。（3）相较于常规犯法，碎裂钻井技术发生火灾的可能性更大。

四、结语

通过以上分析，我们了解了目前地热资源开采一些现状，即传统钻井技术周期长、成本高，当前地热开发项目亟需引入新的技术来改变目前的局面以提高地热资源的利用率，提高开发工程的经济效益。关于碎裂钻井技术的缺点，目前研究者们也在努力寻求解决方案，相信未来，我们的工作人员会突破这些局限，将碎裂钻井技术进一步完善。

参考文献

[1]白占学，郑秀华，于进洋.碎裂钻井技术及其在地热钻井中的应用前景分析[J].探矿工程，2013，40（2）：81-84.

[2]张云鹏，马志伟，武旭.牙轮钻机钻孔能耗分析.金属矿山，2014，（2）：127-130.

[3]郑根源.金刚石钻进的技术参数选取及注意事项[J].科技信息，2012，（7）：613.endprint

在普雷斯等人研究的基础之上，特斯特、韦伯等人提出了解释碎岩机理的公式。

特斯特等人提出平行于岩石表面的压应力（σxx 和 σyy ）随温度的改变而改变， 二者关系如下式所示：

σxx= σyy= βr EΔT/（1 - v） （1）

式中：βr — — —岩石的线性膨胀系数；E— — —岩石的线性模量；ΔT— — —温度变化量；v— — —泊松比。

从上式可以看出，压应力与温度变化成正比例的关系，但是岩石碎裂的关键条件并未给出。而韦伯等人则给出了岩石碎裂的多种条件——微小裂隙的分布、 作用于裂隙处的应力大小、 应力作用面的面积等。同时提出了累积失效概率分布公式。

（2）

式中：σ— — —岩石中的压应力；σ0 — — —岩石抗压强

度；m— — —均匀因数；V— — —应力作用下的样品体积。

上式对于岩石碎裂的条件进行了描述，但是压应力和均匀系数均需通过实验测得。因而特斯特等人又针对此种问题进行研究解决了以下问题。

（1）确定了式（2）中压应力：通过岩石表面温度曲线确定压应力的分布，再通过式（1）求得压应力。

（2）得到相关参数的通式：

（3）

（4）

其中，式（3）为热通量公式，式（4）岩石碎裂时温度公式。在纵横比 C L 确定的情况下可以根据岩石特性求得相关参数。一般来说，纵横比 C L 的值是可以假设，大约在8--15之间，根据不同的岩石可以确定纵横比的大致范围。据特斯特等人的计算，岩石碎裂时的温度大约在400 ～550 ℃之间。

三、碎裂钻井技术的优缺点

（一）优点

（1）进尺速度快。（2）设备磨损少。由于燃烧器在工作过程中距离岩层是有一段距离的，因而避免了与岩层接触而造成的磨损；同时钻杆柱没有旋转， 因而相对来说磨损有所降低。

（3）能够灵活地改变孔径大小。（4）控制井斜。碎裂钻井的钻杆柱不需要旋转，而且井下燃烧器承受的压力小，所以大大减少了井斜现象的发生。

（二）缺点

（1）受地形限制，适用范围相对较小。（2）管道相对较多（包括氧气管道、燃料管道、冷却水管道），使得燃烧器结构较为复杂。（3）相较于常规犯法，碎裂钻井技术发生火灾的可能性更大。

四、结语

通过以上分析，我们了解了目前地热资源开采一些现状，即传统钻井技术周期长、成本高，当前地热开发项目亟需引入新的技术来改变目前的局面以提高地热资源的利用率，提高开发工程的经济效益。关于碎裂钻井技术的缺点，目前研究者们也在努力寻求解决方案，相信未来，我们的工作人员会突破这些局限，将碎裂钻井技术进一步完善。

参考文献

[1]白占学，郑秀华，于进洋.碎裂钻井技术及其在地热钻井中的应用前景分析[J].探矿工程，2013，40（2）：81-84.

[2]张云鹏，马志伟，武旭.牙轮钻机钻孔能耗分析.金属矿山，2014，（2）：127-130.

[3]郑根源.金刚石钻进的技术参数选取及注意事项[J].科技信息，2012，（7）：613.endprint

在普雷斯等人研究的基础之上，特斯特、韦伯等人提出了解释碎岩机理的公式。

特斯特等人提出平行于岩石表面的压应力（σxx 和 σyy ）随温度的改变而改变， 二者关系如下式所示：

σxx= σyy= βr EΔT/（1 - v） （1）

式中：βr — — —岩石的线性膨胀系数；E— — —岩石的线性模量；ΔT— — —温度变化量；v— — —泊松比。

从上式可以看出，压应力与温度变化成正比例的关系，但是岩石碎裂的关键条件并未给出。而韦伯等人则给出了岩石碎裂的多种条件——微小裂隙的分布、 作用于裂隙处的应力大小、 应力作用面的面积等。同时提出了累积失效概率分布公式。

（2）

式中：σ— — —岩石中的压应力；σ0 — — —岩石抗压强

度；m— — —均匀因数；V— — —应力作用下的样品体积。

上式对于岩石碎裂的条件进行了描述，但是压应力和均匀系数均需通过实验测得。因而特斯特等人又针对此种问题进行研究解决了以下问题。

（1）确定了式（2）中压应力：通过岩石表面温度曲线确定压应力的分布，再通过式（1）求得压应力。

（2）得到相关参数的通式：

（3）

（4）

其中，式（3）为热通量公式，式（4）岩石碎裂时温度公式。在纵横比 C L 确定的情况下可以根据岩石特性求得相关参数。一般来说，纵横比 C L 的值是可以假设，大约在8--15之间，根据不同的岩石可以确定纵横比的大致范围。据特斯特等人的计算，岩石碎裂时的温度大约在400 ～550 ℃之间。

三、碎裂钻井技术的优缺点

（一）优点

（1）进尺速度快。（2）设备磨损少。由于燃烧器在工作过程中距离岩层是有一段距离的，因而避免了与岩层接触而造成的磨损；同时钻杆柱没有旋转， 因而相对来说磨损有所降低。

（3）能够灵活地改变孔径大小。（4）控制井斜。碎裂钻井的钻杆柱不需要旋转，而且井下燃烧器承受的压力小，所以大大减少了井斜现象的发生。

（二）缺点

（1）受地形限制，适用范围相对较小。（2）管道相对较多（包括氧气管道、燃料管道、冷却水管道），使得燃烧器结构较为复杂。（3）相较于常规犯法，碎裂钻井技术发生火灾的可能性更大。

四、结语

通过以上分析，我们了解了目前地热资源开采一些现状，即传统钻井技术周期长、成本高，当前地热开发项目亟需引入新的技术来改变目前的局面以提高地热资源的利用率，提高开发工程的经济效益。关于碎裂钻井技术的缺点，目前研究者们也在努力寻求解决方案，相信未来，我们的工作人员会突破这些局限，将碎裂钻井技术进一步完善。

参考文献

[1]白占学，郑秀华，于进洋.碎裂钻井技术及其在地热钻井中的应用前景分析[J].探矿工程，2013，40（2）：81-84.

[2]张云鹏，马志伟，武旭.牙轮钻机钻孔能耗分析.金属矿山，2014，（2）：127-130.

[3]郑根源.金刚石钻进的技术参数选取及注意事项[J].科技信息，2012，（7）：613.endprint