地热钻井技术的若干问题

1、地热钻井技术的若干问题文献标识码： A引言：目前，国际上对地热钻井技术予以高度重视。 同时对地热钻 井技术中的若干问题进行深入的了解是完成钻井工程施工的重 要保证， 有助于全国地热市场的兴旺。 这在一定程度上减少了开 发周期，钻探中的难题和风险投资负担，提高了钻井成功率，促 使我国地热直接利用的市场能得以持续的发展。一、地热钻井中所用设备及工艺方法 众所周知，地热井是 一个重要的地下工程， 其质量的好坏不仅影响地热资源的开发利 用，而且还对地域地下水资源造成严重的威胁。 从我国地热钻井 队伍来看，主要涉及地矿、煤田、石油等行业，同时还存在着一 部分个人钻机等， 其技术水平和施工质量参差不齐，

2、主要反映在 设备、钻井工艺方法及成井工艺等方面。1. 地热井施工选用钻机由于地热井在北方一般孔深多为 30004000m之间，为了安 全可靠的施工， 钻机选用宝鸡石油机械厂生产的 ZG-45 型，该钻 机可钻孔深达4500m左右。钻机整个配套均按石油钻井设施进 行，可拆性强，机械化程度较高，钻井过程中检测手段先进，同 时钻机的劳动强度也比石家庄煤机厂、 张家口探矿机械厂生产的 地热井钻机低很多。2. 地热井施工选用泥浆泵泥浆泵的选用好与坏， 直接关系到钻进效率的提高， 本着这 个原则选用的泥浆泵为青州石油机械厂生产的 3NB-1300 型，此 种泥浆泵由于功率大， 排量和压力也高， 正循环钻进

3、时尽可能减 少岩屑重复破碎。但在深层地热钻探中，要想提高钻井效率，必 须选择大泵量、高压力的泥浆泵。因为排量大、上返速度高、携 带岩屑能力强，井底较干净，减少了埋钻等井内事故。所以，钻 井效率提高当然就有了保证。3. 钻井工艺及主要技术方法 目前，虽然在工程钻探施工领域工艺和手段较多， 但大多数 在地热井施工还是以正循环泥浆钻进为主，曾在 2003 年推广应 用了气举反循环钻进技术，除在大口径煤矿瓦斯排放井采用外， 主要还是配备在深水井地热钻探施工方面， 充分发挥此种工艺钻 进的优越性， 据初步统计， 气举反循环比泥浆正循环钻进效率提 高12倍，钻探成本降低1/3，钻头寿命提高1倍，出水量增

4、大 3，具有不污染、不堵塞含水层、孔底干净、效率高、且不用 泥浆。二、高温岩体地热钻井的关键技术 高温岩体地热开发中首先需要解决的问题是高温高压条件 下钻井施工技术，即深钻施工。目前，钻井仍是勘探与开发地热 资源的唯一手段。 因此， 深入细致地研究高温高压下的钻井施工 技术，对于人类探索地球， 开发地球深部的能源与资源具有重要的科学与工程意义1. 高温岩体地热开采中钻井围岩的稳定性控制技术； 高温岩体地热深钻施工过程中或钻井投入使用后， 其井壁围 岩的稳定性受到多种因素的影响， 即温度一渗流场一应力场多场 耦合作用下， 钻井围岩的稳定性受到温度、 渗透压力及原岩应力 等多种因素的影响。因此，需

5、要从传热学、渗流力学、热弹性力 学、流变力学以及高温高压岩体力学出发， 考虑温度和水的渗透 作用下岩体力学特性， 以认识井壁围岩失稳的主要因素。 进而研 究注水井、 生产井及其两者之间的岩体， 即钻井所在区域围岩系 统的温度场、渗流场应力场、位移场的变化规律，为高温岩体钻 井围岩在施工过程中及钻井建成投入使用后井壁围岩的稳定性 提供理论支持， 找到合适的围岩加固技术， 提高钻井围岩的稳定 性。2. 抗高温钻头技术与提高钻速技术 定向钻进等需要采用井下动力钻具， 国内耐高温螺杆钻具可 以耐210C高温，基本适应地热定向钻井的需求。更高温度下的 钻进需要采用涡轮钻具， 该类钻具可以没有橡胶密封件，

6、 因此理 论上可以适应更高的地层温度。 针对常规钻头密封件中橡胶不能 抗高温，导致钻头寿命太低的问题， 采用金属密封代替橡胶密封， 可以提高抗温能力。为提高钻速，需要增加钻铤尺寸与数量，增 大钻压，使钻头产生高效率的体积破碎；采用高性能钻具接头， 特别是钻铤丝扣应有应力减轻槽；也可以在钻具中加装减震器，试验采用液力冲击器等技术。3. 井眼轨道监测与控制技术对于钻定向井与水平井来说， 由于地层温度太高， 仪器的抗 高温性能实现难度很大，即使在技术上可行，其成本也太高。采 用单点测斜是唯一可用的测斜方式。 在这种情况下， 需要发展与 单点测斜相适应的井眼轨道控制技术。 在满足高温地热定向井对 于井

7、眼轨道控制精度并不是太高的情况下， 采用单次测量取代连 续测量， 可以解决井眼轨迹测量与控制问题。 采用自浮式单点测 斜方式， 开泵将测斜仪器送到井底， 并保持循环到测斜结束后停 泵，可让测斜仪上浮。仪器采用保温筒结构，可提高仪器短时间 抗温能力，满足测量需要。4. 高温地热井成井与测试技术因为地热井大多是火成岩， 稳定性较好， 高温地热井通常采 用裸眼完井。 井口装置安装在表层套管上， 技术套管下完固井水 泥浆返到地面， 并采浮动结构， 防止采蒸汽时技术套管热胀冷缩 损坏井口。通过技术套管进行电测，完井不电测，直接进行生产 测试。5. 高温钻井的安全控制技术对于300C以上温度，国内外应用较

8、成功的是采用泡沫钻井 液体系，中国石油钻井工程技术研究院与长城钻探工程公司合 作，曾在肯尼亚成功钻出一口地热井，地层温度达 350C，证明 在地层温度达350C情况下泡沫钻井流体可适应高温要求。该井 钻井过程中交替采用了泡沫循环与注水冷却措施， 防止循环流体 过热导致液体汽化。 该技术每采用清水钻进一段时间后， 就打入 一段泡沫， 解决岩屑携带问题。 安排专人监测返出钻井液的流量 与温度，如果温度超过设定的警戒值，则立即关井，从环空与钻 具内同时入清水冷却。 安装完善的井口压力控制装置， 一旦发现 有蒸汽喷出，能立即关井。安装完备的节流与压管汇系统，能实 施节流排出蒸汽与返向灌入清水。 此技术

9、要求泡沫可以 回收利用，需准备一个较大的水池，将返出泡沫灌入池中，待泡 沫自行消泡后可以重复使用。 泡沫必须能抗高温， 必须有适中的 自行消泡时间井场，必须准备空气压缩机、增压机等设备。三、地热钻进技术中应该注意的若干问题1. 钻井设备的选择 钻井设备的选择要考虑足够的附加系数， 设备功率要尽可能 大。一方面可减少因设备能力问题造成的井内事故， 另一方面可 提高钻井效率， 减少施工作业时间， 降低钻具对斜井段套管的磨 损。2. 定向造斜位置的选择在极硬地层结构中造斜， 要尽可能选择岩石较软、 可钻性较 好的井段， 提高造斜的工作效率和造斜成功率； 在特软和易坍塌 的煤系地层井段，尽可能不使用螺

10、杆钻具进行造斜和扭方位施 工，防止钻具长时间不动造成粘附卡钻事故。3. 增斜钻具参数的选择在造斜达到一定程度且方位稳定后， 应尽可能使用转盘动力 增斜钻进，提高工作效率。要选择质量好的钻铤和钻头，以适应 硬地层中的大钻压、 大负荷工作状态。 增斜钻进稳定器磨损极为 严重，要选择高耐磨的稳定器，并且要及时检查和更换，防止稳 定器直径减小影响增斜效果； 钻进参数的选择要符合增斜钻进参 数的要求，防止参数不当造成增斜困难甚至产生降斜。4. 钻井液体系的选择钻进极硬地层应选择高润滑性的钻井液， 防止地层对钻具的 过度磨损及负荷太大造成井内事故； 钻进煤系地层要及时改变钻 井液体系，使用抗煤污染、防塌、防卡的钻井液，防止煤系地层 坍塌及粘附卡钻的发生；热储目的层钻进应选择对水层污染小、 有利于洗井且能有效携带岩屑的无固相钻井液。5. 预防钻探事故在复杂基岩地层中钻探定向井， 要加强控制和防止各类钻探 事故的发生。 定期检查保养和使用好地面钻井设备。 控制好钻进 参数。