5 000 m深部干热岩钻井方案的技术经济评价

赵远刚

(中国地质科学院探矿工艺研究所，成都 611734)

0 引言

干热岩属于高温岩体能源，是地热能的主要存在形式，早在1970年，美国学者就提出了利用地下干热岩发电的设想[1]。1972年，美国在新墨西哥州北部率先开展了2口约4 000 m的干热岩钻井，装机容量为2.3 MW，标志着干热岩的开发利用进入了试验阶段。美国、欧洲、日本以及澳大利亚等竞相开展干热岩发电技术的研发工作，甚至纳入国家开发研究计划[2]。国外科学家的研究普遍认为，温度在350 ℃以上的地热储层，开发的经济性才较为明显[3]。目前，冰岛深钻项目中IDDP-1号地热井完井后井口流体温度高达450 ℃，是迄今为止干热岩钻遇的最高实测温度[4]。2004年4月11日，法国苏茨项目完成GPK4井施工，完钻井深5 270 m，是迄今为止最深的干热岩钻井，并建成世界上第一个EGS(enhanced geothermal systems,EGS)示范电站，装机容量达1.5 MW[5]。我国已在青海共和盆地、贵德盆地、福建漳州和广东惠州等地实施了干热岩调查钻井，设计深度2 000～4 000 m[6-7]。本文对干热岩勘探开发钻井案例进行技术经济评价，提出我国干热岩勘查钻井的实施方案。

1 国外干热岩深部钻井案例

1.1 美国芬顿山深部钻井案例

1972年以来，美国芬顿山成功实施了GT-2、EE-1、EE-2和EE-3共4口干热岩钻井，其井身结构和套管程序数据见表1; 取得的地层剖面数据和温度分布情况见表2。其中，EE-2井底温度达到317 ℃，EE-3井底温度达到280 ℃[1,8-9]。

表1 芬顿山干热岩钻井井身结构数据[1]

表2 芬顿山地层剖面数据[10]

1.2 法国苏茨深部钻井案例

法国苏茨成功实施了GPK-1、GPK-2、GPK-3和GPK-4共4口深部干热岩钻井，其井身结构和套管程序数据见表3。该地区花岗岩分布广泛，埋深在1 400 m以深，GPK-2井在5 000 m附近测出井底温度202 ℃, 4 000～5 000 m深度地温梯度为30 ℃/km[11]。

表3 法国苏茨干热岩钻井井身结构数据[11-12]

2 我国5 000 m干热岩钻井技术方案

我国的干热岩开发处于初级阶段，180 ℃以上的储层深度普遍在3 000 m以上。在青海共和盆地成功钻遇干热岩，累计完成5口钻井施工，孔深分布在3 000～3 705 m，井底温度达180～236 ℃。其中GR1井完钻孔深3 705 m，实测井底温度236 ℃，井深3 366 m以下平均地温梯度8.8 ℃/100 m，推测5 000 m深度井温将达到350 ℃的干热岩最佳开发温度。

2.1 干热岩钻井技术难点

(1)干热岩资源储存在致密的变质岩或者火成岩地层中，如片麻岩或花岗岩等，这些岩石硬度大、研磨性高、可钻性差、抗压强度高。

(2)埋藏深，一般在3 000 m以上，中国内陆多在5 000 m左右才能获得较高的地温。国外研究者普遍认为，温度在350 ℃以上的地热储层，其开发的经济性才较为明显。

(3)井壁围岩稳定性差，由于要在高温、高压且深度较大的岩体中钻进，因此在钻进过程中，井壁围岩在遇到低温冲洗液时极易产生热破裂及井壁坍塌扩径的问题。

(4)岩层裂隙和断层较发育，容易引起严重的井漏事故。

(5)在高温、高硬度条件下，碎岩工具寿命短，导致起下钻作业频繁，增加了井下风险。

2.2 钻井技术方案

干热岩的开发普遍用于发电，就目前我国供电需求来讲，广东、福建等沿海地区和北方严寒地区对于供电需求较大。

根据美国芬顿山和法国苏茨深部干热岩钻井成功案例，同时结合我国实际干热岩钻井的基础和地质成藏条件，认为目前可供选择的钻井技术方案主要有3种： 大直径钻进技术方案、超前孔扩孔钻进技术方案和同井径钻进技术方案。

2.2.1 钻进技术方案的特点

(1)大直径钻进技术方案，是石油钻井领域中最常规的钻井方案，严格按照每一开次井径要求，逐级一次性完成每一开次钻井深度。

(2)超前孔扩孔钻进技术方案，是在原有井眼的基础上，先钻一个小一级的井眼，再沿着钻进轨迹进行扩孔钻进，完成钻井深度。

(3)同井径钻进技术方案，是采用膨胀套管的技术方法，其施工过程如图1所示。该方法的优点是，在井下出现异常漏失或异常高压层位时，可随时下入膨胀套管进行封隔，在硬岩中有效降低钻井风险。利用可膨胀管的技术特性，用可膨胀管代替套管，在井眼内下入多级同一尺寸的膨胀管并固井。钻探达到设计深度后，再下入比膨胀管直径小的套管柱到井底，然后固井，从表层套管鞋到目的层形成了单一井径的井眼，实现同一直径钻井。

图1 Mono Diameter同井径钻井下膨胀管施工流程

Fig.1Constructionflowofmonodiameterdrilling

同井径钻进和超前孔扩孔钻进技术方案均是为降低钻机能耗而采用的钻井技术方案，在一定程度上可以降低钻机能耗。此外，还减少了钻井液、水泥和套管等材料的用量，降低了钻屑生成量(减少环境污染)，缩短了钻井施工周期。

2.2.2 井身结构和钻进技术指标

大直径、超前孔扩孔和同井径3种钻进技术方案的井身结构和套管程序数据见表4。

表4 井身结构

2.2.3 钻机的选择

主要参考API标准选择合适的钻机，宝鸡石油机械有限公司生产的机械驱动钻机技术参数见表5。根据井身结构数据，得出套管和钻具重量等指标，进而选择钻机型号，具体见表6。

表5宝石公司的钻机技术参数.

Tab.5 Technical parameters of BOMCO rig

表6 满足钻井不同指标的石油钻机

钻机的选择方案如下： ①同井径钻进方案最大钩载为ф127mm钻杆质量189.8 t，使用ZJ40J型石油钻机； ②大直径和超前孔钻进方案，最大钩载为ф177.8 mm石油套管质量280.8 t，使用ZJ50J型石油钻机。

2.2.4 钻进技术指标的选择

根据花岗岩等地层实钻效果和监测井斜要求，确定主要钻进技术指标参数如表7所示。

表7 主要钻进技术指标参数

注： A代表同井径钻进； B代表大直径钻进； C代表超前孔扩孔钻进。

3 钻井方案技术经济评价

在做5 000 m干热岩钻井方案技术经济评价前，需满足以下条件：

(1)取心比率5%，根据钻头寿命优化；

(2)钻机日费包含人工、材料、设备折旧等费用；

(3)运输条件相同；

(4)ZJ40J石油钻机费用为4.0万元/d，起下钻速度400 m/h；

(5)ZJ50J石油钻机费用为5.0万元/d，起下钻速度500 m/h。

根据张伟教授2006年提出的施工时间计算方法[13]，得出3种方案钻探施工所需时间(表8)； 根据时间和钻机日费计算出每种方案所需费用。该费用不含测井、录井、设备进出场、临时用地和青苗补偿等费用(表9)。其中，大直径钻井方案施工时间为227 d，较同井径和超前孔施工方案施工时间提高了3.4%和0.6%，是最高效率的施工方案。同井径钻井方案施工费用940万元，是最经济的施工方案。

表8 3种钻进技术方案施工时间

表9 3种钻进技术方案施工费用

4 结论与建议

根据本文对3种钻探技术方案的技术经济评价，得出如下结论：

(1)大直径钻井方案技术可靠，施工效率最高，施工费用中等，具有技术经济可行性。

(2)同井径钻井方案技术先进，施工时间较短，可大大节约钻井施工费用; 但其配套的膨胀套管固井和完井等技术还未在市场广泛应用，技术可靠程度较低,还需加强方案的配套技术研究。

(3)我国5 000 m干热岩钻探施工难度较大，建议采用大直径钻井方案。

参考文献：

[1] Brown D W,Duchane D V,Heiken G,et al.Mining the Earth’s heat:Hot dry rock geothermal energy[M].Berlin Heidelberg:Springer,2012:7,85,124,258-259,300,307.

[2] 蔺文静,刘志明,马峰,等.我国陆区干热岩资源潜力估算[J].地球学报,2012,33(5):807-811.

[3] 郤保平,赵金昌,赵阳升,等.高温岩体地热钻井施工关键技术研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(11):2234-2243.

[5] 陆川,王贵玲.干热岩研究现状与展望[J].科技导报,2015,33(19):13-21.

[6] 严维德.青海共和盆地干热岩勘查进展情况[J].地热能,2016(6):9.

[7] 庄庆祥.浅谈漳州市干热岩地热深孔钻探和综合地热地质勘查工作方案[J].能源与环境,2017(2):6.

[8] Brittenham T L,Neudecker J W,Rowley J C,et al.Directional drilling equipment and techniques for deep,hot granite wells[J].J Petrol Technol,1982,34(7):1421-1430.

[9] Schillo J C,Nicholson R W,Hendron R H,et al.Redrilling of well EE-3 at the Los Alamos National Laboratory HDR(Hot Dry Rock) project[C]//Annual meeting of the Geothermal Resources Council.Sparks,NV,USA:U.S.Department of Energy Office of Scientific and Technical Information,1987:11-14.

[10] 郭文芝,耿俊峰.现代地热钻探工艺译文集[M].北京:地质出版社,1986:100.

[11] Dezayes C,Gentier S,Genter A.Deep geothermal energy in Western Europe:The Soultz project,BRGM/RP-54227-FR[R].BRGM,2005:10,20,26.

[12] Baria R,Baumgärtner J,Gérard A,et al.The European HDR programme:main targets and results of the deepening of the well GPK2 to 5000 m[C]//Proceedings World Geothermal Congress 2000.Kyushu-Tohoku,Japan,2000:3643-3652.

[13] 张伟.取心钻进的技术经济学研究[D].武汉:中国地质大学(武汉),2006.