思 娜, 葉海超, 牛新明, 王 磊, 馮建赟, 靳瑞環(huán)
(1. 中國石化石油工程技術研究院,北京 100101;2. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;3. 中國石化中原石油勘探局培訓中心,河南濮陽 457001)
干熱巖是非化石能源中最具有利用潛力的一種清潔地熱資源,在能源轉型的關鍵時期其戰(zhàn)略地位顯得尤為重要。干熱巖地熱資源幾乎遍及全球,資源量比煤炭、石油、天然氣的總和還要大。由我國能源行業(yè)標準《地熱能術語》(NB/T 10097—2018)可知,干熱巖是指內部不存在或僅存少量流體、溫度高于180 ℃的異常高溫巖體。據我國地質調查局統(tǒng)計,我國埋深3~10 km干熱巖地熱資源的總量達到了2.5×1025J,僅青海省共和盆地干熱巖理論資源總量按2%的開采率計算,即可達到2016年全國能源總消耗量的3倍[1]。迄今,美國、英國和德國等國家均開展了干熱巖開發(fā)試驗,共建立了14座干熱巖試驗發(fā)電站,總裝機容量為12.2 MW,初步具備商業(yè)開發(fā)規(guī)模。我國對于干熱巖的勘探目前尚處于起步階段,近兩年先后在青海、河北、山東和東南沿海地區(qū)完成了10余口干熱巖勘探井[2]。2017年8月,我國在青海共和盆地3 705.00 m深處鉆遇236 ℃的高溫干熱巖體,取得重大勘探突破,并進行了大量的基礎研究工作。
作為深部地熱資源勘探開發(fā)關鍵技術之一的鉆井技術,目前主要移植油氣鉆井技術。鑒于干熱巖地熱資源的特殊性,需要探討油氣鉆井技術的適應性。為此,筆者在分析干熱巖地熱資源埋藏特性及鉆井技術需求的基礎上,分析了油氣鉆井技術在干熱巖地熱資源開發(fā)中的適應性,以期為我國干熱巖鉆井技術的研究提供參考。
盡管國外對干熱巖開發(fā)的研究較早,但受資源特性、開發(fā)難度和成本等的限制,目前還沒有干熱巖項目實現(xiàn)規(guī)?;?、商業(yè)化開發(fā)。在眾多限制條件中,鉆井技術為主要的制約因素之一。
干熱巖地熱資源主要分布在地殼減薄區(qū)的盆地、構造劇烈運動板塊的邊緣、高放射性區(qū)和近現(xiàn)代火山,一般位于火山巖體深部,儲層巖性以花崗巖為主,巖體致密、滲透性低且不含水;同時,沉積巖、火山巖和變質巖也是干熱巖儲層巖體。青海共和盆地為典型的干熱巖地層,儲層巖性為花崗巖。
干熱巖地熱資源賦存的形式與油氣資源有較大差異。石油以液態(tài)形式賦存于地下孔隙、裂縫或溶洞中。天然氣以游離、吸附形式主要賦存于沉積巖中,如砂巖、礫巖、碳酸鹽巖等。干熱巖地熱資源以高溫、超高溫熱流形態(tài)賦存于地下巖體中,開發(fā)時需建立人工熱儲,采用工質進行熱交換,循環(huán)取熱,發(fā)電利用。
由于干熱巖地熱資源賦存的深度、地層以及特性與油氣資源不同(見表1),導致干熱巖地熱資源開發(fā)對鉆井技術的需求也與油氣資源有諸多不同[1-4]。
表1 干熱巖地熱資源與油氣資源的不同Table 1 Differences between hot dry rock resources and oil/gas resources
干熱巖地熱資源通常具有埋藏深、溫度高、硬度大、巖性致密、地應力差異大等地質特征,對于這類地層,油氣鉆井技術適應性較差,安全快速成井困難。因此,干熱巖地熱資源的開發(fā)對鉆井技術、工具和工作流體提出了更高的要求[2-6]。
1)干熱巖地熱資源埋藏深、地層復雜、井下故障多,需要安全高效快速鉆井技術。干熱巖地熱資源埋深一般大于3 000.00 m,構造復雜,地層局部裂隙發(fā)育,鉆井過程中熱破裂、井漏、井塌、卡鉆等問題突出,鉆井風險不易預測。因此,需開展干熱巖井井身結構優(yōu)化設計、地層壓力預測、防漏堵漏技術、耐高溫低密度鉆井液等方面的研究,形成干熱巖井安全快速鉆井技術,實現(xiàn)高溫硬地層安全快速成井的目的。
2)地層溫度高,需要耐高溫鉆井工具及工作流體。在高溫環(huán)境下鉆頭、井下動力鉆具、隨鉆測量儀器等井下工具,性能不穩(wěn)定、使用壽命短;鉆井液添加劑在高溫環(huán)境下性能會降低甚至失效,造成鉆井液性能無法滿足正常攜巖需求。油氣鉆井工具的耐溫性能難以滿足鉆進干熱巖儲層的要求。因此,需要研發(fā)耐高溫鉆井工具和鉆井工作流體。
3)巖石強度大、硬度高,需要高效破巖工具。干熱巖主要以黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖為主,單軸抗壓強度大于200 MPa,研磨性強、硬度大,鉆頭磨損快,常規(guī)鉆頭及輔助破巖工具的破巖效率低,機械鉆速低,鉆井成本高。因此,需要研發(fā)高性能鉆頭及高效的輔助破巖工具。
4)儲層非均質性強,需要高精度地層描述技術。與油氣儲層相比,熱儲層的巖性、物性等變化較大,非均質性強,因此需要高精度隨鉆描述技術。通過高精度測錄井資料能獲得地層的巖性、物性及裂縫分布特性,以更好地指導干熱巖鉆井。
5)換熱流體能量密度低,實現(xiàn)經濟有效開發(fā),需要低成本鉆井技術。由于干熱巖地層非均質性強,加之換熱流體(水)能量密度低,循環(huán)換熱流量大,要求井筒直徑大,與油氣資源開發(fā)相比,相同井深需要用更多大直徑的套管,造成鉆井成本占整個干熱巖井開發(fā)成本的50%左右。所以,提高鉆井效率,降低鉆井成本至關重要。最大限度地接觸干熱巖是高效開發(fā)干熱巖地熱資源的主要手段,因此,需采用定向井、水平井、分支井等復雜結構井進行開發(fā),以降低干熱巖地熱資源的開發(fā)成本。
目前,我國油氣鉆井技術已經十分成熟,因此利用油氣鉆井技術進行干熱巖鉆井被認為是推進干熱巖地熱資源勘探開發(fā)的有效途徑,但需要分析油氣鉆井技術在該類資源開發(fā)中的適應性,對存在的技術瓶頸進行攻關研究。
安全是鉆井的第一原則,利用區(qū)域地質特征、地層信息以及從鄰井獲取的地球物理資料(地質、鉆井液、錄井、地球物理測井等資料)預判鉆井風險,指導安全快速鉆井,以避免發(fā)生井下故障,提高鉆井效率。目前,已形成了一系列安全高效快速的油氣鉆井技術。
控壓鉆井技術能夠精確控制井底壓力,增強井控能力,減少鉆井液密度調整次數,降低發(fā)生井塌、井漏等井下故障的概率[7]。Schlumberger、Halliburton、Weatherford和Shell等各大油服公司均有成熟的控壓鉆井系統(tǒng),井底壓力控制精度達到0.30 MPa。國內中國石化石油工程技術研究院、中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院和中國石油集團工程技術研究院有限公司均研發(fā)了精細控壓鉆井系統(tǒng),井底壓力控制精度與國際先進水平相當。
通過在鉆井液及水泥漿添加減輕劑以降低其密度,形成低密度鉆井液及水泥漿,從而降低鉆井、固井過程中的液柱壓力,避免壓漏脆弱地層而造成惡性漏失。Schlumberger公司微泡鉆井液的最低密度為0.9 kg/L,中國石化石油工程技術研究院研發(fā)的中空微珠低密度鉆井液的密度最低可達到0.8 kg/L。
通過增大水灰比可以將水泥漿密度最低降至1.50 kg/L,通過添加空心微顆粒、氣體等可以將其密度最低降至1.0 kg/L,Halliburton公司、中國石化石油工程技術研究院均研發(fā)出此類水泥漿[8]。
受裂縫尺寸、溶洞大小、地層溫度、水質的影響,現(xiàn)有化學堵漏材料還不能完全解決裂縫和溶洞型惡性漏失堵漏的難題。采用管材封隔漏失層效果較好,如膨脹管可克服常規(guī)堵漏材料耐溫性能低的問題,但施工周期較長,需簡化膨脹管的膨脹過程,提高經濟效益[8]。Weatherford公司擁有世界領先的實體膨脹管技術。中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院及中國石油集團工程技術研究院有限公司研發(fā)了實體膨脹管,中國石化石油工程技術研究院研發(fā)了膨脹波紋管,均已達到國外先進水平。
反循環(huán)鉆井技術是將鉆井液從井筒環(huán)空泵入,經鉆頭、鉆具內眼返出地面,對于惡性漏失地層非常有效,已經應用于地熱井,單位進尺成本降低幅度超過了33%。缺點是無法應用傳統(tǒng)井控技術,面臨安全問題。Reelwell公司的雙壁鉆桿反循環(huán)鉆井技術(見圖1)利用同心雙壁鉆桿實現(xiàn)反循環(huán),與Shell、Total等油服公司合作實施了“20 km大位移井”項目,成功解決了深井井下故障多發(fā)的問題。
干熱巖地層非均質性強,鉆井數量少,缺乏詳細可靠的地質資料、地層信息,無法進行精確的鉆井設計、準確預測風險;其次,在預防和處理惡性漏失等井下故障中,為降低鉆井成本,通常采用清水邊漏邊鉆,井身質量和固井質量很難保證。
圖1 Reelwell雙壁鉆桿反循環(huán)鉆井技術Fig. 1 Reelwell double wall drill pipe reverse circulation drilling technology
油氣安全高效快速鉆井技術雖然對干熱巖地熱資源開發(fā)具有一定的適應性,但不能完全滿足干熱巖安全快速高效鉆井的要求,還需要進一步研究高精度鉆井風險預測技術,研究低成本低密度耐高溫的鉆井液和水泥漿。
干熱巖地熱資源的高溫特性對鉆井流體、鉆井工具、測量儀器及測錄井儀器的耐高溫性能提出了更高的要求,當前油氣井鉆井所用工作流體、鉆井工具、測量儀器及測錄井儀器的耐溫性能基本滿足一般干熱巖地熱資源開發(fā)的要求。
鉆井液方面,目前,國外水基鉆井液最高耐溫可以達到260 ℃,油基鉆井液最高耐溫可達265 ℃。水泥漿方面,Schlumberger公司的ThermaSTONE水泥漿可耐350 ℃高溫,國內的水泥漿也可耐236 ℃高溫[9-11]。國內鉆井液和水泥漿的耐溫性能與國際先進水平相當,但是需強化其穩(wěn)定性。
國外油氣井高溫高壓測井儀器可以耐260 ℃高溫、抗207 MPa高壓,國內中國石油EIlog和LEAP800測井儀器的耐溫、抗壓能力分別達到了175 ℃、140 MPa。目前,完井測試工具的耐溫、抗壓能力分別達到了240 ℃、159 MPa。
鉆頭方面,BHGE公司研發(fā)了StayCool切削齒,提高了鉆頭切削齒的熱穩(wěn)定性,解決了高溫對鉆頭造成破壞的問題,相比標準PDC切削齒產生的熱量減少了50%;目前通過采用金屬軸承密封系統(tǒng)、耐高溫潤滑介質,強化頂齒和掌背使牙輪鉆頭的耐溫能力達到了 288 ℃[8-11]。
有效開發(fā)利用干熱巖地熱資源的關鍵是找到更高溫度的熱儲層并形成高效取熱通道,當前油氣鉆井所用工具、儀器、工作流體僅適用于較低溫度干熱巖地熱資源的勘探開發(fā),還不能滿足260 ℃以上超高溫干熱巖地熱資源勘探開發(fā)安全高效快速成井的需求。因此,需要開發(fā)配套的耐超高溫的鉆井工具、測井儀器及低成本工作流體,形成超高溫鉆頭、鉆井工具、流體一體化解決方案,以滿足更多類型干熱巖地熱資源開發(fā)的需求,提高鉆井速度,縮短鉆井周期,降低鉆井成本。
干熱巖地熱資源90%賦存于火山巖-花崗巖、流紋巖中,其抗壓強度可達240 MPa,磨蝕性強(石英含量>50%)。因此,造成鉆頭破巖效率低,加之高溫會加速鉆頭的熱損。
鉆頭是直接破碎巖石的工具。隨著鉆頭技術的不斷發(fā)展,油氣行業(yè)鉆頭技術的發(fā)展越來越趨于高性能、多功能、寬適應,以實現(xiàn)“一趟鉆”鉆進和提速提效。為此,各大型油服公司不斷推出新型鉆頭,如BHGE公司2017年和2018年分別推出了混合鉆頭Kymera Mach 4鉆頭和Dynamus鉆頭(見圖2)[9-15],以提高鉆頭的適應性,延長鉆頭的使用壽命。針對超高抗壓強度地層,ReedHycalog研制出了超硬熱穩(wěn)定PDC鉆頭,可鉆穿抗壓強度達到280 MPa的硬地層,并具有很強的耐磨性和抗沖擊性。同時,很多公司推出了多種自適應鉆齒(錐形齒、脊形齒、雙倒角等),并采用新材料增強鉆頭的性能[12-13],如采用陶瓷涂層增強鉆頭的耐溫性能,采用納米纖維材料增強鉆頭的抗沖擊性能。
圖2 Mach 4鉆頭和Dynamus鉆頭Fig. 2 Mach 4 drill bit and Dynamus drill bit
沖擊器是輔助鉆頭破巖的有效工具。為提高機械鉆速,國內外研制了多種沖擊器[16-20],國外主要有Ander-gauge公司的液動沖擊器、Cubex 和Gerald公司的空氣錘,國內對液動沖擊器的研究較多,中國石化、吉林大學等均進行了液動沖擊器的研究。
井下動力鉆具是定向井鉆井的必備工具,是提高鉆井效率的重要工具之一。目前最常用的井下動力鉆具有渦輪鉆具、螺桿鉆具。高溫螺桿鉆具的耐溫能力通常不高于180 ℃,且在高溫環(huán)境下性能不穩(wěn)定、使用壽命短。渦輪鉆具有耐高溫、轉速高等優(yōu)點,適用于火山巖地層。
由于干熱巖儲層巖石硬度極大,國內外主要采用低轉速、可承受高鉆壓的牙輪鉆頭鉆進,但在高溫、高鉆壓情況下,牙輪鉆頭軸承的使用壽命相對較短,造成起下鉆頻繁,導致鉆井成本升高。沖擊器在油氣井鉆井中被廣泛應用,但對于超硬地層需要優(yōu)化鉆進參數。井下動力鉆具因耐溫性能低限制了其在高溫干熱巖地熱資源開發(fā)中的應用。因此,需要開展鉆井參數優(yōu)化研究,開發(fā)與“超高溫鉆頭+井下動力鉆具”配套的提速提效工具。
高精度描述技術主要通過分析測錄井資料獲得儲層物性參數、力學參數及地質特征,以指導鉆井作業(yè)、評價熱儲層特性。
利用測井資料可以獲得油氣層孔隙結構及物性、巖石力學參數、裂縫發(fā)育程度以及地應力特性等。目前,國外已用隨鉆成像測井取代了全部電纜測井項目,實現(xiàn)了多參數測井(電阻率、伽馬、密度、中子、聲波、井斜、方位、振動、地震和遠探測電阻率等)和地層評價,且隨鉆成像測井儀的最高額定工作溫度已達到200 ℃。
錄井是油氣開發(fā)過程中獲取地層原始資料最直接的方式,可指導鉆井作業(yè),判定地層特性,但資料的質量會影響判斷結果。Schlumberger和Geolog等公司利用高精度流量計和監(jiān)測軟件監(jiān)測井涌井漏,指導鉆井作業(yè),降低鉆井風險。Schlumberger和Halliburton等公司開發(fā)了隨鉆地下實驗室,其額定工作溫度為204 ℃,能夠在井下采樣、識別評價地層特性和流體性質,實現(xiàn)地層流體的隨鉆分析。
開發(fā)干熱巖地熱資源需要分析評價儲層的地質特征、巖石力學參數、巖石熱力學參數以及儲層的熱容、導熱系數等,現(xiàn)有石油測錄井儀器可滿足干熱巖儲層特性描述和評價需要,但在超高溫環(huán)境下大多數測錄井儀器的耐溫性能不足。
增大儲層接觸面積是提高油氣資源開發(fā)效率的一種重要技術手段,水平井、分支井等復雜結構井較直井在高效低成本開發(fā)油氣資源方面具有更大的優(yōu)勢。目前,水平井鉆井技術在油氣開發(fā)中廣泛應用,最大水垂比可達10.5,最大測深15 000.00 m,最長水平位移11 569.00 m,水平段最長11 475.00 m,最大垂深為7 971.40 m;分支井技術的關鍵在于完井工具,目前可實現(xiàn)1~6級完井,且配套工具實現(xiàn)了模塊化。
目前,干熱巖開發(fā)案例中多采用直井或定向井,由于受隨鉆測量儀器額定工作溫度的限制,通常使用單點測斜儀進行定向,限制了鉆井效率,加之干熱巖儲層巖石硬度超高,進一步增大了定向難度,限制了定向井、水平井及分支井在干熱巖地熱資源開發(fā)中的應用。因此,需要進行高溫硬地層井眼軌跡控制技術研究。
通過適應性分析得知,油氣鉆井技術在干熱巖地熱資源開發(fā)中應用受限的主要因素為地層超硬、井下溫度超高以及低成本鉆井工具及工作流體。因此,需要研發(fā)耐超高溫的低成本鉆井工具、隨鉆測量儀器及耐高溫低密度鉆井液及水泥漿,同時提高井下鉆具組合的配套性能,主要研究耐300 ℃以上高溫的長壽命高效鉆頭、鉆井提速工具、井下隨鉆測量儀器以及鉆井液和水泥漿,為干熱巖地熱資源規(guī)模高效開發(fā)做好技術儲備。
1)鑒于干熱巖地熱資源儲藏具有溫度超高、硬度高、非均質性強和能量密度低的特點,勘探開發(fā)干熱巖地熱資源時,在移植常規(guī)油氣鉆井技術的基礎上,需重點研發(fā)耐300 ℃以上高溫的長壽命高效鉆頭、鉆井提速工具、井下隨鉆測量儀器以及鉆井液和水泥漿,同時提高井下鉆具組合的配套性能,為干熱巖地熱資源規(guī)模高效開發(fā)提供技術支撐。
2)針對干熱巖鉆井實踐中出現(xiàn)的復雜情況,加大反循環(huán)鉆井和膨脹管技術的移植實踐力度,研究干熱巖鉆井地質環(huán)境精細描述技術,配套干熱巖地熱鉆井井控技術,優(yōu)化干熱巖地層惡性漏失堵漏技術,研發(fā)干熱巖井安全高效快速成井技術,降低干熱巖井鉆井復雜故障的發(fā)生概率,提高干熱巖井成井效率,降低其開發(fā)成本。
3)積極擁抱“數字革命”,按照“高起點、高標準”的原則,促進智能化干熱巖井鉆井技術的發(fā)展,取準取全各干熱巖地熱區(qū)塊的地層特性數據、鉆井作業(yè)數據、井下故障數據、測錄井數據和熱儲評價數據等,建立完善的干熱巖地熱數據庫,利用“學習曲線”“人工學習”等大數據、人工智能技術提高成井效率,為后期高效改造儲層提供依據,實現(xiàn)干熱巖地熱資源的高效經濟開采。