張所邦, 宋 鴻, 陳 兵, 韓 朝

(1.湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊(duì),湖北 宜昌 443100; 2.湖北鄂西地質(zhì)基礎(chǔ)工程公司,湖北 宜昌 443100;3.湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊(duì),湖北 襄陽(yáng) 441002)

中國(guó)干熱巖開(kāi)發(fā)與鉆井關(guān)鍵技術(shù)

張所邦1, 宋 鴻2, 陳 兵3, 韓 朝2

(1.湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊(duì),湖北 宜昌 443100; 2.湖北鄂西地質(zhì)基礎(chǔ)工程公司,湖北 宜昌 443100;3.湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊(duì),湖北 襄陽(yáng) 441002)

干熱巖是一種綠色清潔能源,具有巨大的研究和開(kāi)發(fā)潛力,簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外干熱巖研究進(jìn)展情況,闡明中國(guó)干熱巖研究工作的重要性和所處的階段,同時(shí),根據(jù)干熱巖鉆進(jìn)技術(shù)與普通地質(zhì)鉆探或水文地質(zhì)鉆探之間存在較大差異性的特點(diǎn),就干熱巖鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。

干熱巖;增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS);鉆進(jìn)技術(shù);壓裂改造技術(shù)

近年來(lái),隨著化石類能源開(kāi)發(fā)利用所帶來(lái)的資源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻,探索可再生且無(wú)污染新能源的開(kāi)發(fā)與利用備受人們期待。本文系統(tǒng)地闡述了中國(guó)干熱巖的分布狀況及其賦存條件,國(guó)內(nèi)外干熱巖的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀,分析了中國(guó)干熱巖勘探開(kāi)發(fā)中所遇到的技術(shù)瓶頸問(wèn)題,如巖層可鉆性差、目的層高溫高壓、鉆進(jìn)深度大、鉆井改造壓裂難等一系列問(wèn)題。圍繞這些問(wèn)題,筆者通過(guò)系統(tǒng)的研究,提出了精心設(shè)計(jì)鉆井結(jié)構(gòu),優(yōu)選鉆具組合與鉆頭選型,引進(jìn)抗高溫鉆井液與壓裂技術(shù),進(jìn)一步論證了干熱巖鉆進(jìn)等關(guān)鍵性技術(shù)。

1 干熱巖與增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)

1.1 干熱巖

干熱巖(HDR)是指一般溫度>150 ℃,埋深數(shù)千米,內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體[1],并以熱能的方式賦存在深部熱巖體中。其熱量來(lái)源由兩部分組成:一部分為由地幔向地表傳導(dǎo)的熱量;另一部分為地殼表層(10 km)巖體中鈾U、釷Th、鉀K放射性衰變產(chǎn)生的熱量[2]。

干熱巖是可再生資源,全球儲(chǔ)量豐富,分布廣泛,可以廣泛應(yīng)用于發(fā)電、供熱,不存在氮氧化物和二氧化碳排放,是最具環(huán)保性能的未來(lái)清潔能源。

1.2 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)

干熱巖的開(kāi)采技術(shù)主要基于增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)的建立。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)是采用人工形成地?zé)醿?chǔ)層的方法,從低滲透性巖體中經(jīng)濟(jì)地采出深層地?zé)崮艿娜斯さ責(zé)嵯到y(tǒng)[3-4]。

圖1 干熱巖地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)示意圖[4]Fig.1 Schematic diagram of HDR geothermal power generation system

EGS項(xiàng)目一般包括發(fā)電系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)。熱交換系統(tǒng)由注入井、生產(chǎn)井和干熱巖儲(chǔ)層組成。水通過(guò)井筒注入地下干熱巖體,滲透進(jìn)入熱儲(chǔ)層的裂縫并吸收地?zé)崮芰?完成在干熱巖體內(nèi)的熱交換,循環(huán)水經(jīng)過(guò)交換后變?yōu)楦邷氐乃魵饬?通過(guò)生產(chǎn)井涌至地表,高溫高壓的水蒸氣流驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)產(chǎn)生電能。按照熱儲(chǔ)層構(gòu)建需要的不同,同一個(gè)EGS項(xiàng)目,一般有1個(gè)注入井,生產(chǎn)井可以由多個(gè)鉆井組成,根據(jù)熱交換方式的不同,注入井和生產(chǎn)井可以是豎井和定向井或分支井。

1.3 干熱巖開(kāi)發(fā)進(jìn)展

自1974年美國(guó)在新墨西哥州芬頓山成功進(jìn)行干熱巖開(kāi)采和發(fā)電實(shí)驗(yàn)以來(lái),截至2013年12月底,全球已有11個(gè)國(guó)家開(kāi)展了47個(gè)EGS項(xiàng)目的研究,其中法國(guó)蘇茨(Soultz)1.5 MW的EGS實(shí)驗(yàn)電站已經(jīng)運(yùn)行了20年[4-5];德國(guó)蘭道(Landau)和因斯海姆(Insheim)分別建立了3 MW和5 MW增強(qiáng)型熱電站[5];澳大利亞庫(kù)珀(Cooper)盆地?zé)犭娬境晒﹂_(kāi)發(fā)[3]等,都為干熱巖的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。但是,在干熱巖的開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)中,受物探手段、鉆探技術(shù)、熱儲(chǔ)層建立、熱交換技術(shù)等條件的制約,成功開(kāi)發(fā)的干熱巖示范基地卻并不普遍,失敗的項(xiàng)目也有很多。

由于干熱巖資源被認(rèn)為是屬于“取之不盡,用之不竭”的清潔能源,這項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用被全球多個(gè)國(guó)家列為重要的能源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略計(jì)劃。當(dāng)前,干熱巖開(kāi)發(fā)技術(shù)正處于由研發(fā)到成熟的關(guān)鍵時(shí)期,據(jù)預(yù)測(cè),未來(lái)10年EGS技術(shù)將趨于成熟。

圖2 法國(guó)蘇茨1.5 MW增強(qiáng)型地?zé)釋?shí)驗(yàn)電站[5]Fig.2 1.5 MW enhanced geothermal power plant in French Soultz

2 中國(guó)干熱巖的研究與應(yīng)用

2.1 中國(guó)干熱巖分布

據(jù)地質(zhì)科學(xué)院水環(huán)所王貴玲等對(duì)中國(guó)大陸3.0～10.0 km深處的干熱巖儲(chǔ)量估算,干熱巖資源基數(shù)為2.5×1025J,相當(dāng)于860萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤,是中國(guó)2014年能源消耗總量的4 040倍;位于深度3.5～7.5 km之間,溫度介于150～250 ℃的干熱巖資源量約為6.3×1024J,按2%的可開(kāi)采資源量計(jì)算,相當(dāng)于2014年中國(guó)能源消耗的1 006倍。

據(jù)2015年7月在西寧召開(kāi)的“干熱巖勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)專家研討會(huì)”上獲悉,中國(guó)干熱巖資源分布情況見(jiàn)圖3、4*王貴玲,干熱巖——未來(lái)清潔新能源，干熱巖勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研討會(huì),2015年7月。。

2.2 中國(guó)干熱巖的研究現(xiàn)狀

中國(guó)自1993年開(kāi)始,相繼有地震、能源和地質(zhì)等系統(tǒng)的科研機(jī)構(gòu),在不同領(lǐng)域關(guān)注和研究中國(guó)干熱巖的資源分布和潛力評(píng)估等工作。

2012年,國(guó)家“863”項(xiàng)目“干熱巖熱能開(kāi)發(fā)與綜合利用技術(shù)”啟動(dòng),開(kāi)啟了中國(guó)專門針對(duì)干熱巖的實(shí)際性研究工作。

2013年,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局出臺(tái)了《全國(guó)干熱巖勘查與開(kāi)發(fā)示范實(shí)施方案(2013—2030)》,這是第一個(gè)規(guī)范和指導(dǎo)中國(guó)干熱巖勘查與開(kāi)發(fā)工作實(shí)施的方案。

圖3 陸區(qū)5.5 km深溫度分布圖(℃)?Fig.3 Temperature distribution map of 5.5 km deep area in land area(℃)

圖4 陸區(qū)7.5 km深溫度分布圖(℃)*王貴玲,干熱巖——未來(lái)清潔新能源，干熱巖勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研討會(huì),2015年7月。Fig.4 Temperature distribution map of 7.5 km deep area in land area(℃)

2014年,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局與青海省共同組織開(kāi)展了青海德貴盆地、共和盆地干熱巖勘查工作,其中共和盆地鉆孔孔底(3 000 m)溫度181 ℃,德貴盆地鉆孔孔底(3 001 m)溫度151 ℃,實(shí)現(xiàn)了中國(guó)干熱巖勘查的開(kāi)門紅。

2015年5月21日,由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局承擔(dān)的中國(guó)第一個(gè)干熱巖科學(xué)鉆探項(xiàng)目經(jīng)過(guò)勘查選址定位后,在福建漳州開(kāi)鉆,至此中國(guó)干熱巖綜合性開(kāi)發(fā)與研究工作正式開(kāi)始。

2.3 干熱巖在區(qū)域供暖中的應(yīng)用

中國(guó)已完成的干熱巖鉆井大多在黃河以北地區(qū),主要用于區(qū)域供暖,地?zé)崮艿奶崛》椒ㄅc淺層地溫能的利用方式相似,即在鉆孔中安裝一種密閉的金屬換熱器,直接從地下2 000 m處取熱,并通過(guò)專業(yè)設(shè)備向地面建筑物供熱。如陜西省于2013年成功實(shí)現(xiàn)干熱巖地?zé)崮艿纳虡I(yè)應(yīng)用,并于2015年底正式啟動(dòng)了國(guó)內(nèi)首個(gè)干熱巖供熱PPT項(xiàng)目。

3 干熱巖鉆進(jìn)技術(shù)

地質(zhì)鉆探是獲取地下干熱巖資源的唯一手段,中國(guó)干熱巖鉆探工作還在起步階段,但是,中國(guó)地質(zhì)巖心鉆探、油氣鉆探和大陸科學(xué)鉆探均處于世界領(lǐng)先水平,已經(jīng)建立了一整套成熟的鉆進(jìn)技術(shù),因此在干熱巖鉆進(jìn)技術(shù)的研究與應(yīng)用中,可以結(jié)合已有的鉆進(jìn)技術(shù)和特點(diǎn),選擇針對(duì)干熱巖特性的鉆進(jìn)技術(shù)方法。共和盆地和貴德盆地的干熱巖鉆進(jìn)技術(shù)的成功,就是在總結(jié)和優(yōu)化各種鉆進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上取得的。

3.1 干熱巖地層鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)

(1) 干熱巖地層為片麻巖或花崗巖,硬度大,研磨性高,可鉆性差,單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到200 MPa以上[6]。

(2) 鉆進(jìn)巖層溫度高,一般在150～250 ℃。

(3) 鉆進(jìn)深度大,一般在3 000 m以上,中國(guó)內(nèi)陸多在5 000 m左右才能獲得較高的地溫,井底形成高溫高壓。

(4) 井壁圍巖穩(wěn)定性差。由于在高溫高壓且深度較大的巖體中鉆進(jìn),鉆進(jìn)過(guò)程中,井壁圍巖在高溫高壓的情況下遇到低溫沖洗液時(shí)極易產(chǎn)生熱破裂及井壁坍塌擴(kuò)徑。

(5) 有的鉆井裂隙和斷層較為發(fā)育,容易產(chǎn)生嚴(yán)重的井漏現(xiàn)象。

(6) 上覆地層的不同特點(diǎn)也是影響鉆井技術(shù)的重要因素。

3.2 鉆井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鉆井結(jié)構(gòu)要滿足鉆井設(shè)計(jì)目的層位,以及確保井壁安全與下放技術(shù)套管的需要,復(fù)雜地層鉆進(jìn)必須留有余量。

(1) 貴德縣扎倉(cāng)溝高溫地帶干熱巖勘查項(xiàng)目。設(shè)計(jì)為直井,鉆井深度3 000 m,終孔直徑Φ152 mm,目的層位為斷裂破碎帶,套管完井,主要地層情況如下:

① 第四系(Q),土黃色、深灰色沖、積洪砂礫石。礫石主要為灰白色花崗閃長(zhǎng)巖。在溝中有出露,厚度約50 m。

② 三疊系(T),灰色、深灰色砂巖,板巖。與花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖侵入體互層,未完整揭露。

③ 侵入巖體(γ),巖性主要為花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖。

鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表1。

(2) 福建漳州中國(guó)干熱巖科學(xué)鉆探干熱1孔。位于漳州龍海東四鄉(xiāng),設(shè)計(jì)為直井,井深4 000 m,終孔直徑Φ152 mm,套管完井。鉆井中要求分段采取巖樣。其中0～1 000 m,平均每200 m取心1次,每回次進(jìn)尺不低于3 m;1 000～4 000 m,平均每鉆進(jìn)100 m取心1次,每回次進(jìn)尺不低于3 m。地層情況見(jiàn)圖5。

表1 貴德縣扎倉(cāng)溝高溫地帶干熱巖勘查鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表Table 1 Drilling structure designs for HDR survey in high temperature area in Zhacanggou,Guide County

圖5 干熱1孔地層構(gòu)造圖?Fig.5 Stratigraphic structure map of HDR drilling NO.11.第四紀(jì);2.侏羅紀(jì)火山巖;3.花崗巖;4.低阻高導(dǎo)體;5.斷裂帶。

鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2。

表2 干熱巖科學(xué)鉆探干熱1孔鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表Table 2 Drilling structure designs for HDR drilling NO.1

表層套管或?qū)Ч苤饕饔檬倾@穿覆蓋層,坐落于基巖上,進(jìn)行全孔壁水泥封固,孔口預(yù)留高度0.5 m左右用于連接井控設(shè)備。技術(shù)套管主要作用是進(jìn)行層位分割,確保目的層位的高溫水在控制的空間內(nèi)進(jìn)行循環(huán),減少循環(huán)水的滲流和熱量損耗。干熱巖目的層是進(jìn)行熱量傳導(dǎo)和交換的高溫巖層,鉆井過(guò)程中采用裸眼鉆進(jìn),為后續(xù)的井內(nèi)設(shè)施安裝提供空間。

3.3 鉆進(jìn)技術(shù)

3.3.1 鉆頭選擇

(1) 由于覆蓋層較為軟弱,硬度較低,一般采用PDC鉆頭,PDC鉆頭適合于軟—中硬地層;

(2) 進(jìn)入基巖,地層硬度增高,一般選用三牙輪鉆頭;

(3) 干熱巖層位全面鉆進(jìn)時(shí),鉆頭要適應(yīng)高溫高壓環(huán)境,應(yīng)選用滑動(dòng)軸承金屬密封牙輪鉆頭,如江漢油田的HJ系列牙輪鉆頭;

(4) 需要進(jìn)行鉆進(jìn)取心地層,宜采用PDC取心鉆頭或金剛石取心鉆頭。大直徑堅(jiān)硬巖層的取心技術(shù)已經(jīng)成熟,在松科2井中,采用大直徑雙卡簧金剛石取心鉆頭,Φ311 mm鉆孔直徑中一次取心長(zhǎng)度達(dá)到30 m,巖心采取率達(dá)到97%以上。

3.3.2 鉆具組合

上覆地層采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法,轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn),鉆鋌加壓。鉆具組合一般為:取心鉆頭+取心鉆具+扶正器+鉆鋌+扶正器+鉆桿,或鉆頭+扶正器+鉆鋌+扶正器+鉆桿。增加扶正器的分布密度可以有效約束孔內(nèi)管柱的屈曲行為,減少孔內(nèi)事故的發(fā)生。

進(jìn)入堅(jiān)硬完整花崗巖、片麻巖地層,可采用普通牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)方法。普通回轉(zhuǎn)牙輪鉆進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)尺,但進(jìn)尺速度慢,效率較低,應(yīng)優(yōu)先選用孔底動(dòng)力沖擊回轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù),即液動(dòng)螺桿馬達(dá)+液動(dòng)潛孔錘+高速牙輪鉆頭組合,能夠克服巖石硬度高、研磨性強(qiáng)的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)快速碎巖(見(jiàn)圖6)*譚現(xiàn)峰,大口徑深部資源鉆探關(guān)鍵技術(shù),干熱巖勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研討會(huì),2015年7月。。

圖6 鉆具組合*譚現(xiàn)峰,大口徑深部資源鉆探關(guān)鍵技術(shù),干熱巖勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研討會(huì),2015年7月。Fig.6 Drilling tools combination

干熱巖層位鉆進(jìn)時(shí),由于存在孔壁高溫巖石與鉆進(jìn)循環(huán)液之間的熱交換,孔壁巖石冷卻過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力變化,極易造成孔壁失穩(wěn),產(chǎn)生坍塌擴(kuò)徑情況,因此,要求鉆進(jìn)中保持鉆壓平穩(wěn)、波動(dòng)小,盡可能減少鉆具對(duì)孔壁的擾動(dòng),應(yīng)優(yōu)先選用孔底螺桿馬達(dá)+高速牙輪鉆頭組合。

3.3.3 高溫護(hù)壁鉆井液

一開(kāi)和二開(kāi)鉆進(jìn)采用一般鉆井液護(hù)壁,隨著井內(nèi)溫度的升高,逐漸轉(zhuǎn)換為抗高溫鉆井液。

由于干熱巖大都為變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體,基本不涉及水敏性地層,因此,干熱巖井鉆井液重點(diǎn)考慮其抗溫性能。油氣鉆井通常采用油基鉆井液以適應(yīng)高溫高壓下的鉆進(jìn)工作,隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高,油基鉆井液的排放處理和對(duì)地下水體的污染問(wèn)題,已經(jīng)逐步減少了應(yīng)用規(guī)模。中石化研究的抗高溫聚磺鉆井液的應(yīng)用,解決了環(huán)保處理和高溫穩(wěn)定性、高溫流變性問(wèn)題,抗溫能力達(dá)到200～250 ℃,是近年廣泛使用的油氣鉆井液。在貴德ZR1井和漳州干熱1井干熱巖鉆進(jìn)中的應(yīng)用取得了很好的效果。

貴德ZR1井中鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)配比(每立方米加量)為:50 kg膨潤(rùn)土+1～3 kg聚丙烯酸鉀(KPAM)+25 kg抗高溫抗鹽降黏降失水劑+10～30 kg磺化褐煤(MSC)+10～30 kg磺化酚醛樹(shù)脂(SMP)+20 kg磺化瀝青(FT-1)+重晶石、高粘堵漏劑、液體潤(rùn)滑劑。泥漿性能指標(biāo)為:密度1.05～1.20 g/cm3,漏斗粘度30～50 S,API濾失量<5 mL/30 min,HTHP濾失量15 mL/30 min,泥餅厚度(API)<0.3 mm,泥皮厚度(HTHP)<2.0 mm,塑性粘度10～15 mPa·S,動(dòng)切力3～8 Pa,靜切力(初/終)2～15 Pa,pH值為9。

漳州干熱1井泥漿設(shè)計(jì)配比(每立方米加量)為:PAC141包被劑1～10 kg,PAC高聚陰離子纖維素降失水劑1～6 kg,SMP磺甲基酚醛樹(shù)脂5～15 kg,SPNH磺化褐煤樹(shù)脂5～15 kg,燒堿3～5 kg,乳化瀝青10～20 kg,磺化瀝青10～20 kg,固體潤(rùn)滑劑10～20 kg,重晶石和堵漏材料視需要而定。泥漿性能指標(biāo)為:密度1.18～1.2,粘度50～70 S,API濾失量<8,泥餅厚度0.5 mm,pH值7.5～9,靜切力其初切力2～4 Pa、終切力5～8 Pa,塑性粘度12～20 mPa·S,動(dòng)切力5～12 Pa,含沙量<0.2%。

3.3.4 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

PDC鉆頭推薦鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)如表3。

表3 PDC鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)推薦表Table 3 Drilling technical parameters limited by PDC bit

牙輪鉆頭推薦鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)如表4。

表4 牙輪鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)推薦表Table 4 Drilling technical parameters limited by roller bit

當(dāng)采用螺桿馬達(dá)鉆具鉆進(jìn)時(shí),轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速不宜>60 r/min,否則將降低馬達(dá)使用壽命;泥漿流量要按照螺桿馬達(dá)推薦的最大和最小值控制,如果流量過(guò)大,轉(zhuǎn)子會(huì)超速運(yùn)轉(zhuǎn),定子和轉(zhuǎn)子會(huì)出現(xiàn)提前損壞,若果流量過(guò)小,馬達(dá)將停止運(yùn)轉(zhuǎn);泥漿泵輸出時(shí)的壓力也是螺桿馬達(dá)工作的重要參數(shù),應(yīng)將泵壓和鉆具兩端的壓降控制在推薦范圍內(nèi),通常采用在地面根據(jù)壓力表控制壓力,根據(jù)流量計(jì)控制泵的流量,就可以控制井下鉆具的扭矩和轉(zhuǎn)速。

3.3.5 下套管

下套管是干熱巖鉆進(jìn)中非常重要的工作內(nèi)容。

選用石油系列套管,下放前要認(rèn)真清洗絲扣,嚴(yán)格按照要求進(jìn)行二次通徑。套管串的一般結(jié)構(gòu)為:浮鞋+厚壁套管(1～3根)+浮箍+厚壁套管+薄壁套管+厚壁套管(1根)+聯(lián)頂節(jié)。為保證下放順利和固井質(zhì)量,下放前要進(jìn)行通井和劃眼,每根套管安裝套管扶正器。套管上扣扭矩必須控制在最大扭矩和最小扭矩之間,如表5所示。

表5 套管上扣扭矩選擇表[7]Table 5 Torque wrench moment selection of cashing

3.3.6 固井

固井質(zhì)量的好壞最終決定著鉆井的成敗,固井作業(yè)程序包括:洗井—注隔離液—注水泥漿液—替鉆井液—套管試壓—固水泥帽—侯凝—聲波檢測(cè)。

干熱巖固井的關(guān)鍵技術(shù)在于高溫下水泥漿固井液的稠化時(shí)間要滿足固井作業(yè)時(shí)間要求,通常以水泥漿稠化度達(dá)到40BC時(shí)為極限可泵時(shí)間,因此水泥固井液配方應(yīng)在模擬井內(nèi)溫度和壓力的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如果稠化時(shí)間短,則應(yīng)加入一定比例的緩凝劑。

作業(yè)時(shí)間計(jì)算用下式:

T=T1+T2+T3

式中:T1為配置和注水泥漿時(shí)間,min;T2為開(kāi)檔銷頂膠塞的時(shí)間,取1～3 min;T3為替鉆井液(含碰壓)時(shí)間,min。

一般水泥固井液選用普通硅酸鹽水泥,充分?jǐn)嚢?水灰比≤0.5,密度為1.90 g/cm3,每袋水泥配漿量為37.92 L,水泥漿液密度不宜低于1.85 g/cm3。

采用固井車連續(xù)作業(yè),避免中途停止,管內(nèi)注速不低于1.2 m/s,連續(xù)活動(dòng)套管,每分鐘2～3次,活動(dòng)距離2～3 m。

整個(gè)固井過(guò)程要做到套管居中、井內(nèi)環(huán)空液柱壓力壓穩(wěn)、洗井液替凈、套管和環(huán)空密封。

4 井控

井控的主要目的:一是防止干熱巖鉆進(jìn)施工中發(fā)生高溫水和水蒸氣噴涌;二是為鉆井改造提供保障;三是為干熱巖井的后期商業(yè)開(kāi)發(fā)和利用提供條件。

井控設(shè)備主要由井口防噴器組、防噴器控制系統(tǒng)、井控管匯、鉆具內(nèi)防噴工具和井控儀表組成。鉆具內(nèi)防噴工具包括止回閥、旋塞閥、旁通閥。

干熱巖地層一般為上覆地層和花崗巖地層,可不考慮硫化氫危害(特殊地層除外),當(dāng)表層套管和技術(shù)套管安裝完成,固井水泥漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,在套管上部安裝連接法蘭,固定防噴器。防噴器選用雙閘板組合防噴器(圖7)。

圖7 雙閘板組合防噴器[8]Fig.7 Double ram type composite preventer

井控設(shè)備安裝完成后要進(jìn)行壓力測(cè)試,掌握套壓和立壓的變化情況,檢查井控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),發(fā)生井噴要嚴(yán)格按照關(guān)井作業(yè)規(guī)定程序進(jìn)行關(guān)井。井控操作人員要經(jīng)過(guò)專業(yè)的培訓(xùn)和實(shí)戰(zhàn)演練,工作人員要穿戴防高溫工作服。

5 洗井

洗井的目的是將井內(nèi)泥漿替出,對(duì)井壁泥皮進(jìn)行清理。

完井后保持沖洗液的正常循環(huán),逐漸調(diào)整降低注入泥漿比重,直至更換為清水,孔內(nèi)返出清水為止。注入0.8%六偏磷酸鈉溶液浸泡24 h,用清水沖孔或壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行空氣洗井。

洗凈結(jié)束后應(yīng)及時(shí)下入篩管,確保井內(nèi)暢通和安全。

6 鉆井壓裂改造技術(shù)

大體積壓裂可以有效形成人工熱儲(chǔ)層,并人為造成熱儲(chǔ)層內(nèi)裂隙的發(fā)育、網(wǎng)絡(luò)的貫通。

通常注入井壓裂采用清水、鹽水或壓裂液在進(jìn)行大排量壓裂時(shí),高溫巖體與冷水接觸后突然冷卻會(huì)產(chǎn)生裂隙,在大排量高壓作用下,干熱巖形成大的裂縫并不斷延伸,隨著低溫水的不斷注入,裂縫不斷增加、擴(kuò)大,并相互連通,最終形成一個(gè)人工干熱巖熱儲(chǔ)構(gòu)造。然后,在距注入井合理的位置處(600～900 m)鉆一口或幾口井(生產(chǎn)井),貫通人工熱儲(chǔ)構(gòu)造,用來(lái)采出高溫水、汽。生產(chǎn)時(shí),注入水沿著裂隙運(yùn)動(dòng)并與周邊的巖石發(fā)生熱交換,產(chǎn)生溫度高達(dá)150～300 ℃的高溫高壓水或水汽混合物,用于地?zé)岚l(fā)電和綜合利用。

為增加干熱巖內(nèi)裂隙和毛細(xì)管道的延伸長(zhǎng)度,國(guó)外采用注入酸或堿的方法,溶解花崗巖中的方解石等成分,以擴(kuò)大通道面積和范圍。

作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要配備足夠容量的蓄水池,壓裂結(jié)束后,井內(nèi)壓裂液將返排出地表,或吸收足夠的熱量轉(zhuǎn)化為水蒸氣噴出,從而形成新的井噴。

近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)的不斷完善,鉆井壓裂改造技術(shù)也由引進(jìn)到發(fā)展,當(dāng)前,壓裂設(shè)備和技術(shù)都能夠滿足鉆井改造需要,并且已經(jīng)形成了專門的研究機(jī)構(gòu)和專業(yè)規(guī)范的施工作業(yè)團(tuán)隊(duì)。

7 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)干熱巖研究和勘探工作雖然起步不久,但是以國(guó)家綠色清潔能源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略作強(qiáng)大的后盾,由專業(yè)研究機(jī)構(gòu)作為技術(shù)支撐,各項(xiàng)工作已經(jīng)有計(jì)劃有步驟地展開(kāi)了。同時(shí),也要清醒地認(rèn)識(shí)到自身的不足,諸如技術(shù)基礎(chǔ)和理論尚未突破,干熱巖的成功應(yīng)用示范還沒(méi)有建立,鉆井深度僅限于直井4 000 m以內(nèi),沉積地層干熱巖的開(kāi)發(fā)利用還沒(méi)有開(kāi)始等等。

中國(guó)干熱巖分布廣泛,儲(chǔ)量巨大,未來(lái)的發(fā)展需要更多的能源作為支撐,無(wú)論在工業(yè)化還是民用領(lǐng)域都有良好的前景,同時(shí)這項(xiàng)工作也為廣大地質(zhì)工作者提供了更加廣闊的舞臺(tái)。

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(責(zé)任編輯：陳姣霞)

The Development and Key Drilling Technology of Hot Dry Rock in China

ZHANG Suobang1, SONG Hong2, CHEN Bing3, HAN Zhao2
(1.SeventhGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Yichang,Hubei443100; 2.HubeiExiGeologicalFoundationEngineeringCo.,LTD,Yichang,Hubei443100; 3.EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiangyang,Hubei441002)

Hot dry rock(HDR)is green clean energy which has huge research and development potential.According to the research progress of hot dry rock at home and abroad,the anthours clarified the importance of research work and the stage of HDR in China.in the meantime,the key drilling technology of HDR has been expounded systematically based on the great difference between HDR drilling technology and general geological drilling or hydrogeological drilling.

hot dry rock(HDR); enhanced geothermal systems(EGS); drilling technology; fracturing reformation technology

2016-05-17;改回日期:2016-07-20

張所邦(1966-),男,高級(jí)工程師,探礦工程專業(yè),從事地質(zhì)鉆探工作。E-mail:570208054@qq.com

TD87

A

1671-1211(2017)02-0202-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.017

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0825.016.html 數(shù)字出版日期:2017-03-14 08:25