闫家-干热岩勘探技术-20180711

闫家-干热岩勘探技术-20180711.pptx汇报内容1.2.3.4.干热岩概述干热岩高温钻探工艺耐高温关键器具高温钻探技术展望1.干热岩概述1.1

干热岩定义

干热岩是一种新兴的地热能源，是指一般大于200摄氏度、深埋数千米、内部不存在流体或存在少量地下流体的高温岩体。

地壳中干热岩所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍，是一种前景广阔的绿色环保、可再生能源之一。1.干热岩概述1.2干热岩开发研究现状美国，1970年首次提出利用干热岩发电，1977年完成第一口干热岩井，井深4500m，井温330℃。日本，1985年开始干热岩钻探，1991年完成第一口干热岩井，井深1800m，井温250℃；1992年完成第二口井，井深2200m，井温250℃；Kakkonda（肘折地区）的干热岩探井（WD-1井），井深3729m，井温超过500℃。

德国和法国于1986年联合在苏尔士开展岩体热能利用项目，完成干热岩井GPK2，1987~1997年，井深3900m，井温165℃；1998～2008年，GPK2加深至5000m，井温200℃。1.干热岩概述1.2干热岩开发研究现状澳大利亚，2003年完成第一口注水井，在库珀（Cooper）盆地4500m深处，探测到270℃高温。肯尼亚，OW-41井完井井深井深3000m，井温达320℃。韩国，浦项干热岩项目，地层以凝灰岩、火山灰岩、角砾岩、花岗岩为主，岩性复杂等。

我国，2012年启动了“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”项目；干热岩资源调查主要在松辽盆地、东南沿海、青海共和及贵德、四川康定等地区，青海已进行了多口干热岩井施工，其中青海共和GR1井，井深3705m，井温达236℃。1.干热岩概述1.3干热岩开发过程从地表向干热岩层打一井眼（注入井）封闭孔眼，高压注入冷水干热岩层形成大致呈面状的人工热储构造注入井周边合理位置，钻几口竖直井，贯通人工热储构造，用以回收高温水、汽的生产井形成的高温蒸汽可以用于地热发电和综合利用，使用后的温水又通过注入井回到干热岩中，从而达到循环利用的目的。1.干热岩概述1.4关键技术难点干热岩高温高压钻井仪器器具耐高与密封井下动力钻具与长寿命钻头耐高温钻井液1.2.3.4.干热岩概述干热岩高温钻探工艺耐高温关键器具高温钻探技术展望汇报内容2.干热岩高温钻探工艺2.1一种干热岩高温钻探新工艺

设计构想了水平井压裂热交换模式，与垂直井压裂相比，水平井进行水力压裂，可以极大的扩大压裂面积、增大热交换面积，是直井无法相比的。最明显的优势在于通过微地震监测出压裂的位置和形状后，可以将出水井的水平段最大限度的在裂隙网中钻进穿行，为后期的出水量和水温提供可靠的保证。2.干热岩高温钻探工艺

以3000m左右埋深的干热岩开采为例，确定了合适的钻井参数，设计了合理的井身结构，对钻井设备仪器的选用、钻头的选型、泥浆体系都做了详细设计；并制定钻井施工方案，从钻具组合、井身质量要求、钻井施工工序、垂直井和水平井段的钻井技术措施进行详细描述；还提出了施工注意事项。形成了一套完整的有指导意义操作性强的干热岩高温钻井工艺。2.2干热岩水平井开采井身结构2.干热岩高温钻探工艺2.3钻井参数与钻具组合优选序号钻井井段（m）钻头尺寸(mm)套管尺寸(mm)套管规格套管厚度(mm)套管下深(m)水泥返高一开0～500311.1244.5J558.94498地表二开500～2610215.9177.8P11010.172605地表三开2610～2910152.4裸眼完井序号井段类型钻具组合备注一开垂直井段φ311.1牙轮+φ159钻铤×9根+φ127加重钻杆×15根+φ127斜坡钻杆+方钻杆常规钻具组合二开垂直井段φ215.9牙轮+φ159钻铤×9根+φ127加重钻杆×15根+φ127斜坡钻杆+方钻杆上部低温井段φ215.9PDC+LZ172（0.75°）螺杆钻具+φ159无磁钻铤+φ159钻铤×3根+φ127加重钻杆×9根+φ127斜坡钻杆+方钻杆复合钻进组合定向增斜井段φ215.9PDC+LZ172（1.5°）螺杆钻具+MWD+φ159无磁钻铤+φ159钻铤×3根+随钻震击器（QY159A）+φ127加重钻杆×9根+φ127斜坡钻杆+方钻杆潜孔锤备用φ215.9PDC+涡轮钻具（178）+MWD+φ159无磁钻铤+φ159钻铤×4根+随钻震击器（QY159A）+φ127加重钻杆×9根+φ127斜坡钻杆+方钻杆高温钻具组合三开水平井段φ152.4PDC+LZ127（1.0°）螺杆钻具+MWD+φ89无磁加重钻杆×1根+随钻震击器（QY121A）+φ89加重钻杆×6根+φ89斜坡钻杆+方钻杆潜孔锤备用φ152.4PDC+涡轮钻具（127/140）+MWD+φ89无磁加重钻杆×1根+随钻震击器（QY121A）+φ89加重钻杆×6根+φ89斜坡钻杆+方钻杆高温钻具组合2.干热岩高温钻探工艺2.4干热岩研究已有工作基础

2014年～2016年，中国地质调查局勘探技术研究所承担了国土资源公益性行业项目“干热岩高温关键器具及工艺研究”，完成了“干热岩钻探工艺及涡轮钻研究”，并由北京探矿工程研究所、中国地质调查局探矿工艺研究所分别协助完成“干热岩耐高温钻井液技术研究”、“干热岩地层钻孔测斜技术的研究”两个课题。所获成果在黑龙江省松科二井及青海共和干热岩GR1井进行了入井实验检验。1.2.3.4.干热岩概述干热岩高温钻探工艺耐高温关键器具高温钻探技术展望汇报内容3.耐高温关键器具3.1涡轮钻具北京探矿工程研究所与中国地质调查局探矿工艺研究所分别对“耐高温钻井液”、“干热岩地层钻孔测斜技术”分别做汇报，下面主要对涡轮钻具进行介绍。涡轮钻具是一种井底液动马达，涡轮壳体里装有多级成对的涡轮定子和转子。当钻井液沿钻具进入定子后，定子使钻井液一定的方向和速度进入转子，转子就将钻井液的具有能量转变为涡轮轴的转动机械能。3.耐高温关键器具3.2涡轮钻具的特点优点：

1、具有高速大扭矩的软特性，无横向振动，机械钻速高；2、全金属的涡轮钻具耐高温，适宜于深井和高温环境下作业；3、对油基钻井液不敏感，能适应在高密度的钻井液中工作。弱点：

1、输出转速超过了牙轮钻头的最佳额定工作转速范围（100-270r/min）；2、压降消耗大，功率低相对较低；3、复式涡轮钻具的装配和调整麻烦。3.耐高温关键器具3.3涡轮钻具的研制涡轮钻具性能的优劣直接由涡轮定、转子叶栅设计水平决定，而使用寿命的长短决定于配套支承节中轴承的使用时间。叶片工作原理等同于飞机机翼的原理，利用液流在叶片两面产生的压差来使转子发生转动。3.耐高温关键器具3.3涡轮钻具的研制涡轮定、转子叶栅设计过程涉及力学、几何学、水力学等多学科，同时还需结合部分经验公式，不定因数诸多；完成叶栅设计后，还需进行10级定、转子输出性能的台架测试；定、转子输出性能满足设计要求后，再进行整机组装并进行整机的台架测试，最后进行入井实钻试验。计算过程现已实现程序化。3.耐高温关键器具3.4涡轮钻配套PDC轴承研制自主设计并完成了新结构PDC推力轴承试制与应用，涡轮钻具使用寿命大大提升。常规推力球轴承失效影响寿命PDC轴承研制3.耐高温关键器具3.5涡轮钻具性能试验、整机试制采用先进的3D打印技术，利用PLC、工程ABS塑料材质打印10级涡轮定、转子样品进行输出性能试验，缩短涡轮叶栅设计周期。3D打印试制3.耐高温关键器具3.5涡轮钻具性能试验、整机试制10级涡轮副测试整机性能测试整机组装入井试验涡轮铸造3.耐高温关键器具3.6涡轮钻具野外取心钻进试验A）勘探所Φ127涡轮取心试验B）勘探所Φ140涡轮取心试验C）勘探所Φ178涡轮取心试验在福建漳州地热科学钻探1井2812~2968m井段、青海共和干热岩GR1井2156~2276m井段，黑龙江省安达松科2井5208~7100m井段，进行取心钻进试验，验证了涡轮钻具耐241℃高温，可实现快速钻进。3.耐高温关键器具3.7已完成的系列涡轮钻具涡轮钻具结构与性能参数规格型号涡轮外径

（mm）开次/试验井段(m）排量

（/L/s)泥浆密度

/g/cm³转速

（rpm)工作扭矩

（N·m)制动扭矩

（N·m)压降（Mpa)整机长度

（m）最大钻压

（Kn)KWL108Φ108四开5858～5860m8～101.1～1.2720～1500392～934417～995＜10.56.2135KWL127Φ127五开6975～698010.5～121.1～1.3584～1321520～1080650～1320＜8.37.8245KWL140Φ140五开5890～710212.5～151.1～1.3480～1154467～1192849～1890＜8.08.2150KWL178Φ178四开5028～589018～221.1～1.3570～1240948～19201216～3140＜6.89.1275KWL194Φ194四开5863～587020～251.1～1.4450～10151076～24651630～4108＜7.39.15803.耐高温关键器具3.8井下动力钻具整机试验台台架功能涡轮钻10级涡轮副性能测试涡轮钻整机性能测试螺杆钻马达副测试螺杆钻整机性能测试轴向加载功能3.耐高温关键器具3.8井下动力钻具整机试验台台架性能参数最大加载扭矩：20000N•m转速测试范围：0~2500转/分入口压力测试范围：0~10MPa出口压力测试范围：0~1MPa循环流量测试范围：5~25l/s测试钻具规格：ϕ60~168mm3.耐高温关键器具3.9耐高温PDC钻头的研制PDC钻头优点：适应在在高温环境下钻进；与涡轮钻或螺杆钻具配合进行复合钻井；用于井斜和方位控制；有较高的抗冲蚀以及抗冲击能力；没有活动件，可以减