譚現(xiàn)鋒，馬哲民，段隆臣，劉 肖，李 穎，郭明義，5

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；2.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地勘局第二地質(zhì)大隊），山東 濟寧 272000；3.山東省地熱清潔能源勘查開發(fā)工程研究中心，山東濟寧 272000；4.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026；5.自然資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室，吉林長春 130026）

0 引言

干熱巖是不含或僅含少量流體，溫度高于180 ℃，其熱能在當前技術經(jīng)濟條件下可以利用的巖體，干熱巖巖體可分為侵入巖、變質(zhì)巖和沉積巖等3 類巖體。在當前經(jīng)濟技術條件下，可從干熱巖中開采利用的熱能，稱為干熱巖型地熱資源，我國干熱巖型地熱資源從熱源成因可劃分為：高熱流花崗巖型、沉積盆地型、近代火山型、構造活動帶型等四類干熱巖型地熱資源［1-3］。未來干熱巖型地熱資源的開發(fā)應用主要取決于鉆井和人工儲層建造的費用，較低的單井鉆井成本和較高的儲層熱交換速率將大大降低增強型地熱系統(tǒng)的開發(fā)成本。干熱巖鉆探雖在國外起步相對較早，但耐高溫鉆具和鉆井技術、高溫鉆井液技術還不夠成熟，亦未形成成熟的鉆探技術體系。我國干熱巖鉆探起步較晚，主要是改良利用地礦和石油行業(yè)現(xiàn)有鉆探技術，尚未形成成熟的干熱巖高溫鉆井技術體系，嚴重制約了干熱巖勘探開發(fā)的發(fā)展。解決大口徑干熱巖鉆探的關鍵技術問題，對于快速準確地探明我國干熱巖分布與儲量、干熱巖資源的開發(fā)與利用意義重大［4-8］。

山東省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊分別于：2011 年實施了山東省利津縣干熱巖（DR1 井）調(diào)查，項目從物探定位選址、干熱巖概念模型建立、干熱巖鉆探、綜合物探測井、放射性測試分析評價、壓裂試驗、壓裂前與壓裂后的抽注水試驗和干熱巖型地熱資源量估算等方面做了大量的工作，是國內(nèi)第一個對干熱巖進行系統(tǒng)調(diào)查評價的項目，但采用的是轉盤回轉鉆進，鉆效低、能耗高；2015 年在福建省漳州市東南沿海實施了中國地質(zhì)調(diào)查局深部地熱HDR-1 干熱巖科學鉆探工程，井深4000.86 m，井底溫度109 ℃；2017 年在青海省共和縣恰卜恰鎮(zhèn)東南完成的GR1 干熱巖勘探井再次鉆獲溫度新高，井底溫度236 ℃，孔深3705.66 m，實現(xiàn)了我國干熱巖鉆井的新突破。結合利津干熱巖井鉆探經(jīng)驗，為了提高在高溫硬巖條件下的鉆進效率、縮短鉆井周期，在HDR-1 井干熱巖科學鉆探工程和GR1 干熱巖井的鉆探施工中均嘗試使用了“轉盤＋螺桿鉆具”復合鉆進工藝，結合中國地質(zhì)調(diào)查局研發(fā)的渦輪鉆具在高溫取心段首次測試應用了“轉盤＋渦輪鉆具”復合取心鉆進工藝，兩種復合鉆進工藝均取得了良好效果，為螺桿鉆具和渦輪鉆具的深入研究提供了寶貴的高溫 施 工 經(jīng)驗。DR1 井、HDR-1 井 和GR1 井 均 屬于高熱流花崗巖型干熱巖鉆井，將其作為本文案例對井下復合動力鉆進工藝在干熱巖鉆井中的應用進行論述。

1 轉盤（頂驅(qū)）+井下動力鉆具復合鉆進工藝

螺桿和渦輪這兩種井下動力鉆具，在石油鉆井中施工沉積巖地層全面鉆進中應用比較廣泛和相對成熟，在地礦系統(tǒng)中因地熱鉆井深度、成本和鉆機能力等因素并沒有被廣泛推廣應用，特別是在高溫、高研磨性、高地應力的火成巖和變質(zhì)巖地層中應用案例并不多。DR1 井鉆進采用了常規(guī)轉盤回轉鉆進，而HDR-1 和GR1 鉆井中為實現(xiàn)高效快速鉆進，在花崗巖常溫段和高溫段地層中均使用了“轉盤＋井下動力鉆具”復合動力鉆進工藝，其中全面鉆進采用的是“轉盤＋螺桿鉆具”復合鉆進工藝，取心鉆進首次測試應用了“轉盤＋渦輪鉆具”復合鉆進工藝。DR1、HDR-1、GR1 三個鉆井的基本情況如表1所示。

表1 鉆井基本情況Table 1 Basic drilling information

2 轉盤+螺桿鉆具井下復合鉆進工藝

螺桿鉆具，是一種以鉆井液為動力，把液體壓力能轉為機械能的容積式井下動力鉆具。

其優(yōu)點是：轉速低，適用于現(xiàn)有牙輪鉆頭；長度短（5～10 m），適合打定向井、水平井；壓降低（3～5 MPa），轉速不受輸出扭矩的影響，具有很好的過載能力，螺桿鉆具的壓降隨著載荷的變化而變化，因而可通過泵壓的變化檢測螺桿鉆具的工作情況。

缺點有：橡膠定子和轉子在高密度及鉆井液凈化差的條件下易磨損，隨著間隙的增大，轉速和扭矩下降；橡膠定子耐高溫性差，在高于125 ℃條件下易失效，橡膠存放時間長易發(fā)生老化，螺桿鉆具一般情況下只能存放2 年時間。

轉盤（頂驅(qū)）＋螺桿鉆具復合鉆進，是指通過轉盤（或頂驅(qū)）利用鉆桿柱和井底動力鉆具一起給鉆頭提供扭矩或沖擊來實現(xiàn)高效碎巖的一種鉆進工藝。螺桿鉆具作為井下動力鉆具，實現(xiàn)了轉盤＋螺桿鉆具的扭矩＋轉速雙疊加，增加了鉆頭扭矩和轉速，減少了鉆柱與套管的磨損和損壞并延長了鉆具的使用壽命，降低了能耗、提高了鉆進效率［9-15］。

2.1 干熱巖常溫段螺桿鉆具復合鉆進工藝

結合干熱巖鉆井現(xiàn)場泥漿的上返情況和溫度、鉆井過程中的綜合測井和臨近井的井溫情況，福建東南沿海HDR-1 井干熱巖科學鉆探工程200～4000 m 全井段和青海共和干熱巖資源勘查項目GR1 井1500～2500 m 均使用的常溫螺桿鉆具進行復合鉆進。

2.1.1干熱巖井常溫段復合鉆進鉆效

在干熱巖井常溫段鉆進中，各井鉆機性能與常規(guī)鉆進工藝及復合鉆進工藝均實現(xiàn)了較好的匹配，各井號不同井段、不同井徑、不同工況下鉆進與常規(guī)轉盤鉆進對比見表2。從表2 可以看出，相同井徑下轉盤＋螺桿鉆具復合鉆進效率遠高于常規(guī)轉盤鉆進效率，復合鉆進每百米純鉆進時間用時縮短了42%，平均機械鉆速增加了43%。

表2 不同井段、不同井徑、不同工況下鉆進與常規(guī)轉盤鉆進對比Table 2 Comparison with conventional rotary drilling at different well sections and diameters under different working conditions

2.1.2影響復合鉆效原因分析

干熱巖井下工況特性一般為：高溫、高壓、高應力和巖屑的高研磨性。結合普通螺桿鉆具使用對工況的要求，從理論角度分析，螺桿鉆具在井下失效情況一般可分為以下4 類：（1）機械失效，是指定子橡膠和馬達在超出設計壓力和變形極限的工況下工作而造成的失效。（2）疲勞失效，在外部載荷和巖屑高頻率脈沖研磨作用下定子橡膠易產(chǎn)生正常疲勞裂紋和間隙，裂紋和間隙擴展后，定子橡膠逐步發(fā)生脫落和間隙擴大造成疲勞失效。（3）化學失效，定子橡膠與鉆井液中的化學成分相接觸并產(chǎn)生化學反應，誘發(fā)橡膠收縮或膨脹致使其力學性能下降，最終導致定子化學失效。（4）熱滯后失效，定子橡膠在基體內(nèi)工作過程中，定子工作環(huán)境溫度超過定子橡膠額定溫度的一定時期內(nèi)，定子橡膠因高溫膨脹脆化，引起力學性能下降從而產(chǎn)生熱失效。

2.2 干熱巖井高溫段螺桿鉆具復合鉆進工藝

在青海共和GR1 井鉆進施工至2100 m 以后（后期該段測溫溫度122 ℃），螺桿鉆具工作環(huán)境溫度逐漸達到其額定要求溫度，由于鉆井液對螺桿鉆具和孔底的冷卻降溫，仍可使螺桿鉆具正常鉆進，但使用壽命和鉆進效率逐步降低，隨著繼續(xù)鉆進和深度及溫度的增加，造成螺桿定子橡膠受高溫影響逐步加速老化。鉆進至井深2500 m 時（后期該段測溫溫度146 ℃），在下鉆鉆進很短的時間內(nèi)鉆井機械鉆速瞬時下降，隨后在鉆井液中發(fā)現(xiàn)有橡膠碎塊隨鉆井液返出孔口，提鉆檢查發(fā)現(xiàn)定子橡膠磨損掉塊脫落，軸承損壞，螺桿鉆具已然報廢無法正常鉆進。

2.2.1高溫下螺桿鉆具失效分析

根據(jù)GR1 井場在2100～2500 m、2500～3700 m井段螺桿鉆具使用情況和現(xiàn)場實際工況分析，螺桿鉆具失效情況主要分為疲勞失效和熱滯后失效，具體原因：（1）橡膠本身的耐溫級別低，如傳統(tǒng)的丁腈橡膠或羧基丁腈橡膠，在高溫下迅速老化失效。（2）結合現(xiàn)場工況新的螺桿鉆具應合理控制過盈量數(shù)值。正常情況下，新的螺桿鉆具的轉子和定子橡膠襯套之間是正常的過盈配合，使用中由于鉆井液中含有高研磨性巖屑造成轉子與定子的磨損逐漸由過盈配合發(fā)展到出現(xiàn)間隙，間隙大到一定程度螺桿鉆具的扭矩和轉速明顯降低，使其不能繼續(xù)使用，極大地影響了鉆井的機械鉆速。如果過盈量大則密封性能好，但轉子與定子間的傳動摩擦加大，從而造成橡膠傳動摩擦生熱增加；因橡膠是粘彈性材料，工作過程中定子橡膠受鉆井液壓力和轉子反作用力的交變應力的影響也會產(chǎn)生部分熱量，在工作過程中這些能量將被泥漿帶走。若過盈量過大，帶走熱量的速度低于生熱速度，就會在橡膠內(nèi)發(fā)生熱量滯留，形成遲滯熱。遲滯熱的形成進一步升髙了橡膠的溫度，造成定子橡膠進一步膨脹，使定子內(nèi)徑縮小，過盈量進一步增大，形成惡性循環(huán)，導致定子橡膠加速磨損失效。（3）定子外殼與橡膠之間的粘接劑強度會因高溫的影響而逐漸降低，當橡膠的粘結強度低于所受力時易出現(xiàn)粘連脫落，出現(xiàn)橡膠脫落失效。

2.2.2高溫螺桿鉆具的優(yōu)化與應用

為滿足GR1 井高溫井段鉆井的需求，與螺桿鉆具生產(chǎn)廠家德州聯(lián)合石油科技股份有限公司對耐高溫螺桿馬達從抗高溫、抗疲勞、耐研磨等方面對橡膠材料上進行優(yōu)選和改進，并優(yōu)化調(diào)整了定子與轉子間的配合間隙。在青海共和GR1 井現(xiàn)場應用了2 種型號為7LZ127 和7LZ127×7.0-3XSF 的耐高溫螺桿鉆具替代普通螺桿鉆具進行鉆進施工。

從不同井段、不同工況下、不同耐溫螺桿鉆具在GR1 孔中的使用情況（表3）看，單根平均純鉆進時間和平均鉆速基本持平，說明對螺桿鉆具橡膠材料的優(yōu)選和鉆具的改進是成功的。從干熱巖機械鉆速對比曲線（圖1）看，無論是普通螺桿鉆具復合鉆進還是耐高溫螺桿鉆具復合鉆進的機械鉆速，均遠遠高于單純的轉盤鉆進機械鉆速，說明復合鉆進工藝在干熱巖鉆井中的應用是成功的。

圖1 干熱巖機械鉆速對比曲線（1500～4000 m）Fig.1 Comparison of mechanical drilling speed in hot dry rock (1500～4000m)

表3 不同井段、不同工況下螺桿鉆具使用情況（1500～3700 m）Table 3 Application of the PDM drill at different well sections under different working conditions (1500～3700m)

2.2.3螺桿鉆具、鉆頭與干熱巖地層的適配性

高熱流值花崗巖型干熱巖地層一般具有高溫、高壓、高地應力、高研磨性的特性，螺桿鉆具、牙輪鉆頭和取心鉆頭與干熱巖地層的適配性選型和配型是井下復合鉆進工藝能否克服以上特性實現(xiàn)快速高效鉆進的關鍵因素。

從不同型號鉆頭使用情況統(tǒng)計表（表4）可以看出，井下動力復合鉆進效率要遠高于常規(guī)鉆進效率。但是在現(xiàn)場鉆進過程中因過多的考慮鉆機性能和成本因素，牙輪鉆頭的選型和與螺桿鉆具的適配性仍需要進一步優(yōu)化，主要存在以下問題：（1）因花崗巖地層的高研磨性，牙輪鉆頭的保徑和使用壽命問題。（2）因孔底高溫，牙輪鉆頭的耐高溫問題。（3）因采用螺桿鉆具復合鉆進工藝，牙輪鉆頭在高速旋轉下的適配性問題。（4）因干熱巖賦存地層存在高溫、高壓、高硬度和高地應力，牙輪鉆頭在以上工況下的高效快速碎巖問題。只有將以上問題解決并進一步提高與鉆機性能的匹配性，才能發(fā)揮各個環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，才能實現(xiàn)干熱巖鉆井的高效鉆進［16］。

表4 不同型號鉆頭在花崗巖地層使用情況統(tǒng)計Table 4 Usage of different types of drill bits used in granite formation

3 轉盤+渦輪鉆具復合取心鉆進工藝

渦輪鉆具是將鉆井液的動能轉換成機械能的一種孔底動力機具。

渦輪鉆具的優(yōu)點是：渦輪鉆具轉速高（400 r/min 以上），較適合于TSP 鉆頭、金剛石鉆頭；渦輪鉆具定子與轉子因沒有橡膠件，故使用壽命長、耐高溫和高壓，適用于高溫高壓井。

缺點是：渦輪鉆具轉速較高，與現(xiàn)有牙輪鉆頭不匹配。單節(jié)渦輪鉆具扭矩小，為了提高扭矩，只有采用多節(jié)組裝的復式渦輪鉆具，使得鉆具總長度較大，不利于井眼軌跡控制；復式渦輪鉆具壓降大，特別是在高泥漿密度條件下壓降更大。轉速與輸出扭矩呈負相關，過載會導致鉆具不轉。

渦輪鉆復合鉆進工藝在高溫石油鉆井中應用比較常見，國產(chǎn)渦輪鉆具在高溫干熱巖取心鉆進應用尚屬首次［11］。中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術研究所和北京探礦工程研究所課題組研制的?127 mm 渦輪鉆具分別在福建漳州HDR-1 井和青海共和GR1 井進行了國內(nèi)首次干熱巖高溫鉆井現(xiàn)場測試應用。主要驗證了KT-140 型取心鉆具與渦輪鉆具的適配性；驗證了金剛石鉆頭與渦輪鉆具的匹配性；現(xiàn)場測試了小直徑渦輪鉆具高溫井況下的工作特性；初步探索了小直徑渦輪鉆具合適的鉆進參數(shù)；是井底回轉驅(qū)動取心鉆頭深孔高溫取心鉆進工藝的首次嘗試，為渦輪鉆具的深入研究提供了寶貴經(jīng)驗，也將為我國干熱巖科學鉆探與深部地熱資源勘探提供新的技術支撐。

3.1 干熱巖渦輪鉆具復合取心鉆進工藝參數(shù)

HDR-1 井與GR1 井現(xiàn)場測試?127 mm 渦輪鉆具工作排量為12～15 L/s，現(xiàn)場泥漿泵使用?160 mm 缸套，實際排量約20 L/s，大于渦輪鉆具工作排量。現(xiàn)場出于節(jié)約時間的考慮，決定拆除泥漿泵一個缸，使泵的理論排量在13 L/s 左右，以匹配渦輪鉆具的工作排量。

3.2 取心鉆具組合

干熱巖鉆井渦輪取心鉆具組合：?127 mm 渦輪鉆具＋KT140 取心鉆具＋?152 mm 孕鑲金剛石鉆頭入井試驗。

3.3 取心鉆進參數(shù)組合試驗

恒排量試驗：泥漿泵排量12 L/s（15 L/s）的情況下，鉆壓從5 kN 開始，以3 kN 為梯度，逐步提高至渦輪鉆制動，觀察并記錄泵量、泵壓、扭矩、機械鉆速等工程參數(shù)。

恒鉆壓試驗：以最優(yōu)機械鉆速為標準，選定恒鉆壓試驗的基本鉆壓值。在保持該鉆壓不變的情況下，以0.5 L/s 的梯度增加泥漿泵排量，觀察并記錄泵量、泵壓、扭矩、機械鉆速等工程參數(shù)。

由于現(xiàn)場條件所限，泥漿泵排量不能無級改變，原定恒鉆壓變排量試驗未能實施。但在恒排量的情況下，鉆壓從0～40 kN，渦輪鉆具從空載到制動，做了充分的鉆進試驗，圓滿完成了?127 mm 渦輪鉆具＋KT140 取心鉆具＋?152 mm 新型孕鑲金剛石鉆頭入井試驗的任務，與常規(guī)取心鉆進工藝相比在同等工況下平均機械鉆速提高了47.6%～50%（表5），發(fā)揮了渦輪鉆具高轉速的性能［17-18］。

表5 渦輪復合取心鉆進與普通取心鉆進對比Table 5 Comparison of the compound turbo-core drill with the conventional core drill

4 耐高溫鉆井液的應用

干熱巖地層高溫段主要為花崗巖，地層穩(wěn)定，對鉆井液影響主要表現(xiàn)為高溫條件下的流變性和濾失量變化。針對施工過程中地層情況及井內(nèi)問題，高溫鉆井液性能重點關注對破碎地層的膠結能力、懸浮攜帶能力以及良好的流動性能。重點研發(fā)應用了耐高溫防塌聚合物鉆井液體系和硅酸鹽復合成膜技術的鉆井液，在230 ℃高溫循環(huán)條件下，鉆井液能保持穩(wěn)定的性能參數(shù)，確保了螺桿鉆具和渦輪鉆具能發(fā)揮最大效能。

4.1 耐高溫聚合物防塌鉆井液

青海共和GR1 井1500 m 套管以深鉆遇多段破碎地層，特別是2600～2800 m、3000～3300 m 井段，地層破碎嚴重且含有蝕變花崗巖，其中蝕變的花崗巖強度低、易分散，施工過程中井壁破碎、坍塌、掉塊嚴重，鉆進至3361 m 處發(fā)生掉塊卡鉆。為確?？變?nèi)穩(wěn)定，在高溫段使用了新研制的耐高溫聚合物防塌鉆井液體系進行施工，具體的配方為：水＋4%鈉膨潤土＋2%HPS＋0.5%高溫增粘劑（GDP）＋2%降失水劑（GJA）＋4%高溫封堵劑（GPA-220）＋1%高溫保護劑（GHTS）＋2%～5%消泡劑＋2%～5%包被劑。通過對鉆井液的粘度、失水量和防塌護壁等性能進行調(diào)整，鉆井液在井底溫度高達236 ℃的GR1 井內(nèi)循環(huán)性能穩(wěn)定，具有優(yōu)良的抗高溫流變性，懸浮、攜帶、降溫能力強，高溫條件下護壁效果顯著，大大降低了孔內(nèi)事故的發(fā)生率，具體性能參數(shù)見表6。

表6 耐高溫聚合物鉆井液性能參數(shù)Table 6 Performance parameters of high-temperature resistant polymer drilling fluid

4.2 耐高溫硅酸鹽復合成膜鉆井液

為確保在更高循環(huán)溫度下鉆井液更穩(wěn)定，又進一步研制了基于硅酸鹽復合成膜技術的耐高溫鉆井液體系。該體系在240 ℃高溫條件下體系流變性能穩(wěn)定、動切力合理，失水量低（240 ℃老化后API 濾失量為5.6 mL/30 min，200 ℃高溫高壓濾失量為14 mL/30 min），且具有良好的抑制性和封堵能力，對在復雜易掉塊地層高溫鉆進作業(yè)提供了技術保障。其配方為：清水＋3%鈉基膨潤土＋3%SPNH＋1%Ca-CO3＋0.2%DSP-1＋0.2%Drisical-D＋2%SO-1＋2%FT-99＋0.2 mol/L CK＋0.5%（質(zhì)量比）LS-1＋重晶石。具體性能參數(shù)如表7 所示。

表7 耐高溫高密度成膜鉆井液體系的性能參數(shù)Table 7 Performance parameters of the high-temperature resistant high-density film-forming drilling fluid system

5 結論與建議

（1）雖然鉆機能力存在不足，但通過在福建漳州HDR-1 井和青海共和GR1 井應用螺桿鉆具復合鉆進工藝和渦輪鉆具取心復合鉆進工藝，仍可看出復合鉆進工藝的機械鉆速在高溫下仍明顯高于常規(guī)轉盤鉆進，且耐高溫螺桿鉆具在高溫條件下的工作性能與常規(guī)螺桿鉆具在低溫條件下的工作性能相近，大幅縮短了鉆井周期、提高了鉆效。同時，由于采用復合鉆進方法，鉆柱受力和傳動工況得到了改善，減少了鉆柱的磨損和事故發(fā)生率，地面動力負荷也相對減小，節(jié)省了用電成本。在今后干熱巖鉆井施工中鉆機型號應提高一個檔，以便鉆機充分發(fā)揮其綜合效能，使綜合能耗和孔內(nèi)卡鉆事故進一步降低，使鉆進速度、質(zhì)量和效益進一步提高。

（2）螺桿鉆具的轉子在定子型腔內(nèi)作平面行星運動，產(chǎn)生離心慣性力造成鉆具的橫向振動，易導致鉆井井眼軌跡不規(guī)則、能耗增加。而渦輪鉆具的轉子作定軸轉動不會引起離心慣性力和橫向振動，可獲得高質(zhì)量的井眼軌跡，特別是在取心鉆進中易于保證取心質(zhì)量、提高取心速度和取心率。

（3）要進一步加速耐高溫等壁厚螺桿鉆具、耐高溫橡膠和使用螺桿鉆具施工干熱巖水平定向鉆進工藝的研究，提高螺桿鉆具抗高溫、抗疲勞、耐磨損、長壽命的性能。在渦輪與螺桿鉆具同時發(fā)展的基礎上，加大國產(chǎn)渦輪鉆具的開發(fā)力度，加強渦輪鉆具軸承等易損件使用壽命的研究，提高鉆具使用壽命，以滿足高溫鉆井技術不斷發(fā)展的需求，降低鉆井綜合成本。進一步完善干熱巖渦輪鉆具和螺桿鉆具復合鉆進工藝，開發(fā)渦輪鉆具和螺桿鉆具的配套工具，改善鉆井條件，降低復合鉆具制造成本，以提高復合鉆進工藝的綜合經(jīng)濟效益和推廣應用。

（4）要加大井下動力鉆具、耐高溫牙輪鉆頭和取心鉆頭與干熱巖地層的適配性研究，解決鉆頭在高溫、高壓、高地應力、高研磨性地層中的保徑和快速碎巖問題。要進一步加大對綠色環(huán)保、高溫穩(wěn)定性好、攜屑能力強、高溫漏失地層隨鉆堵漏適應性強和施工成本低的鉆井液體系的研究，解決好干熱巖鉆井“血液”的問題。