高温地热高效开发钻井关键技术探究

周 乐

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

我国将自然环境温度超过 150 ℃ 的地热环境称为高温地热，此种自然环境所产生的能源主要用作电力运转。无论是能源开采模式，还是应用方式上，地质热力基础环境与常见油气物质具备相似性，但由于能源储存结构层的特殊性，导致高温地区能源开发资源成本相对较高。

1 高温地热资源特点

1)岩石硬度大

我国地质环境十分复杂且多变，其中的高温地热区域，岩石内部硬度相对较大，并且岩石之间的研磨性能相对较高。此种环境下岩石孔洞钻取性能较低，大多数高温地区能量储存层中所包含的岩石成分相对比较复杂。例如，火山岩石成分、花岗岩石成分，以及结晶岩石等。所以该岩石开采强度比具有油气物质的砂土岩石要高，部分地区所产生的岩石物质单方向抗压强度已经超过 240 MPa。

2)温度较高

高温地区的外部地质温度变化相对较大，并且具有明显的阶梯结构，其中温度储存最高已经超过 150 ℃。地热环境开发比较成功的项目温度超过了 200 ℃[1]。

3)埋深水平高

现阶段，我国商业专业技术所研发的高温环境基础深度相对较大，最大已经超过了 2800 m。然而，在自然环境中，一些地区钻取几百米深度就能得到 200 ℃ 的高温水热型地热自然资源，所以技术人员针对此种自然环境一般需要使用浅层高温地热能量进行电力研发和运转。长时间研究和实践发现，此种地热用于发电存在许多问题和不足，比如，地质热量不稳定，致使出水数量以及环境温度变化相对较大，最终造成发电基础稳定性较差。同时，由于地下水在热力能量位置所经过的路径相对较短，所以无论是能源开采数量，还是水温都降低较快。

4)非均匀质强

在自然资源以及环境分布探索中，高温液态物质所产生的地质热力资源一般集中在地质结构板块之间的活跃区域。由于此种地层裂缝在实施过程中发育较快，所以其结构性裂缝数据尺寸相对较大，同时，板块之间包含大颗粒的石英物质，所以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。

2 高温地热高效开发钻井技术研究

1)高效破岩技术

在自然环境能源开采过程中，由于地热高温井口所遇到的地质结构层较硬，如花冈岩石，因此此种地质环境普遍具备高抗磨性等，一定程度上还存在着超高温度等特点。即使使用全新设备钻头，由于基础转速相对较低，也不能在此种地层环境中获取相应的基础资料。目前，聚晶金刚石仪器和设备，无论是切削操作，还是设备钻孔，都无法有效适应硬质地质结构，所以现代化地热钻井施工技术主要使用牙轮钻头模式[2]。

高温地热高效开发过程中，碳化钨镶齿牙轮钻头可以应付 150 ℃ 的操作环境，但设备一旦超过标准温度，其钻头轴承结构中的橡胶材料则会不断退化，最终导致密封失去应有的效果。如果钻井液物质、岩石碎屑进入设备轴承内部结构中，则会造成轴承损坏，从而增加成本。

现阶段，针对常见设备钻头零部件中无法抗击高温环境，最终造成设备使用寿命较低等问题，则需要使用全新材料对钻头进行密封处理，从而提升设备基础的高温抗击能力。比如，现代化全新设备钻头材质一般使用纤维性较高的碳氟化合物作为密封材料，并且使用合成的润滑油液以及基础添加试剂，进而有效提升抗高温润滑性能。如果在地层温度达到 270 ℃ 地热井中使用，并且单日工作时间长达 77 h，则使用该设备进行孔洞钻取时效率比传统模式提升3%～37%，并且轴承和密封系统完好。

牙轮钻头在操作过程中，在高温抗击水平上得到了全面优化和完善，但是设备使用过程中的研磨性导致设备损坏速度很快，并且深部地热钻头使用寿命十分有限，致使该设备实际应用时钻头施工均小于 50 h；而地质在高温基础条件下，设备内部结构中的螺旋杆所具有的马达橡胶物质极易被影响而老化。目前，设备螺杆钻只能在井下温度低于 175 ℃ 的基础条件下正常运转，且涡轮钻头设备结构中不包含橡胶物质，所以该设备具有更高的抗高温能力。我国引进的低速大扭矩耐高温涡轮钻头则具备在高温 260 ℃ 环境下的钻孔，设备主要以80～100 r/min 的低转速运行，同时设备在使用环节上增加的转动功率为5440～10880 Nm。

2)防堵技术

针对已经产生结构性裂缝问题的地热结构层来说，想要确保设备在运转过程中能够获得更高产量，设备钻井口以及钻取通道就需要贯穿裂缝区域，此种模式会导致设备钻井过程中产生井口泄露问题。如果产生泄露，则会导致井口内壁结构坍塌，进而产生钻头卡顿等相关问题，不仅增加了施工时间，一定程度上还提高作业经济支出成本。根据现阶段钻头设备运行现状，高温地热钻头作业和施工过程中，处理井下泄露所支出的经济费用占据了总体施工费用的10%～20%，并且钻井液体中带有的钻头碎屑物质还会损坏地质的能源储存地层，从而减少和降低地热井能源总体产值。

由于高温地热井在施工和能源采集过程中具有特殊的地质性能，为此，防漏技术与其他钻井技术相比较具有明显的差异性。现阶段常见的防堵技主要为欠平衡钻井技术(如雾化、空气钻井等)，由于运转时所产生的空气流动速度相对较大，所以在高温并且富氧环境下，管道与立柱的腐蚀性以及设备的损坏程度不断增加。为此，需要使用具有高经济以及可行的技术方式进行解决。对地质结构层遗漏现状进行防堵，需要使用专业的堵漏剂或者水泥砂浆进行结构堵漏，同时，为了避免井口下部分受到高温环境影响，则需要使用耐高温堵漏材料或耐高温水泥浆，同时还要提高堵漏材料的承压稳定性[3]。

3)抗高温钻井技术

高温地热环境进行钻井技术实施，钻井液极易受到高温因素的影响和作用，进而导致黏土颗粒分散程度相对较高，最终造成结构黏性不断增加，严重时甚至稠化并且构成凝胶形态物质。物质在该状态下的基础流动性相对较差，从而影响钻井作业的正常进行。除此之外，油基钻井液的基础抗温度基础性能比水基钻井液要高。然而，油基钻井液体则会对地质储物层造成严重的污染，因此钻井实施过程中一般应该使用水基钻井液体结构体系。同时，由于甲酸盐钻井液体物质普遍具备地质结构密度可调节、高稳定性较高等优势，能够在高温井下结构代替传统的高密度盐水钻井液物质。并且合成基钻井液体物质热量稳定性相对较高，以此成为了高温地热高效开发钻井关键技术全新趋势。

高温地热高效开发钻井关键技术所使用的钻井液是为了保证工程作业质量，还需要增加专业的ECOTROL HT合成聚合物、MULXT如花试剂以及ONETROL HL泥浆控制试剂等。除了水资源基础物质以及合成基础钻井液物质以外，还需要使用抗温 230 ℃ 以上的处理剂、发泡剂、稳泡剂配制而成的泡沫钻井液。

针对泡沫欠平衡钻井作业环境，我国则先后研发出耐高温 300 ℃ 以上的泡沫钻井液体系。同时，该钻井液在我国地质环境中温度高大 350 ℃ 的地热井内部结构中全面应用。为了避免钻井操作过程中钻井液温度过高造成液体物质气体化，如果需要使用泡沫循环操作技术以及注水冷却技术相结合时，还需要通过地面泥浆物质进行冷却，并且在系统内部结构中安装冷却设备，根本上减少钻井液的基础温度水平，从而不断提升钻井液物质性能。为此，通常使用该技术时，钻井液基础温度超过75℃时，需要使用泥浆冷却技术和相关设备装置。

3 结语

由此可见，在能源开采过程中，由于高温地热地质环境中的岩石成分普遍具备硬度较高、抗磨性强等特点，所以在技术研究与探索方面上，需要从设备应用方面开展全面探索和应用。