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1、热岩钻探和相关关键技术研究,地质工程论文干热岩资源是一种储量宏大、无污染、可再生的清洁能源,初步估算中国埋深310 km范围内的干热岩资源量相当于860万亿t标准煤,按2%的可开采资源量计算,相当于中国当前能源消耗总量的5200倍1,实现干热岩资源开发利用可有效改善中国能源构造,促进经济发展。世界上很多国家都在开展干热岩资源研究工作,部分国家已经建立加强型地热系统EGS,实现了干热岩资源的开发利用2.中国地热资源利用历史悠久,1975年西藏羊八井钻成中国第一口湿蒸汽井,同时建立了中国大陆上第一台兆瓦级地热发电机组,进入了工业性发电阶段,创始了世界中温浅层热储资源发电的先列。当前中国已经将干热岩
2、资源开发利用提上日程,国土资源部、中国地质调查局也将其列为重点发展方向,然而中国的干热岩资源开发利用工作尚属起步阶段,相关理论、技术、方式方法略显缺乏。 国际上普遍采用建立EGS的方式方法开采干热岩资源,即采用钻井的方式方法钻一口井作为注水井,钻一口或多口井作为生产井,采用水力压裂技术压通生产井和注入井构成循环系统,从注水井注入冷水,利用生产井开采蒸汽用于发电3,4. 可见,怎样钻开储层构成EGS系统是干热岩资源开发的关键。与石油和浅层地热钻探不同,干热岩地层上部通常为沉积岩盖层,下部储层为火山岩,地层温度高通常高于200、岩性复杂、可钻性差,钻探、压裂难度极大。中国在干热岩钻探和水力压裂方面
3、经历体验缺乏,开展干热岩钻探和相关关键技术研究对推动中国干热岩资源开发利用具有重要意义。 1 高温钻井液技术 干热岩地层特点是埋藏深,温度为150650。在开发干热岩经过中,钻井液起着至关重要的作用,井内钻井液将长期处于高温环境。恶劣环境对钻井液性能造成极其严重的毁坏,直接影响孔壁稳定、携岩能力、施工安全及施工成本等;干热岩钻井经过中还可能碰到大量低压力地层,钻井液漏失严重。因而怎样保证高温环境下钻井液性能的稳定是干热岩钻探必需解决的问题,也是国内外钻井液技术研究的热门和重点。 1.1 高温钻井液关键问题 1抗高温问题。高温作用下,钻井液的黏土颗粒膨润土分散度加强,温度越高,分散性越强,进而引
4、起钻井液增稠,流动性较差,高温高压HTHP失水量增加。高温一方面会使有机处理剂分子链发生断裂,降低高分子处理剂的相对分子质量,使其失去原有的特性,同时降低处理剂的亲水性,减弱其抗污染能力,可能会导致泥浆性能恶化;另一方面会使处理剂分子中不饱和键和活性基团之间发生各种反响,发生高温交联,使得整个泥浆体系变成凝胶,失去流动性5. 2低压地层井壁稳定。干热岩体钻遇变质岩或结晶岩,会有大量破碎地层,易发生坍塌、掉块等孔壁不稳定现象。 3堵漏问题。钻井液漏失问题在国外干热岩钻探施工中比拟常见,国内针对高温堵漏材料的研究较少。 当前国内研究的高温钻井液抗温性能不超过250,对抗高温的处理剂及体系研究还很少
5、,干热岩估计孔底温度会达150650,面临着超高温问题,有待开展耐高温钻井液技术研究,主要有下面几个方面:1高温处理剂的研制,包括抗高温降滤失剂、高温增黏剂、高温润滑剂、高温堵漏剂及高温保卫剂;2高温钻井液体系的研究,包括高温高密度钻井液体系、高温泡沫钻井液体系、高温油基钻井液体系等;3高温检测仪器的研究,包括高温高压流变仪、高温高压失水仪、高温高压页岩膨胀量测定仪、高温堵漏仪、高温润滑仪等;4高温钻井液地表冷却系统研究,例如冷却塔、冷冻房等。 1.2 干热岩耐高温钻井液体系室内研究 通过室内实验在优选大量的高温造浆材料及高温处理剂的基础上,重点针对抗高温钻井液体系-高温保卫剂进行研究,构成了
6、由抗高温复合造浆材料、高温降滤失剂、高温增黏剂、高温保卫剂等组成的抗260高温的钻井液配方质量分数:3% 钠基膨润土+2% 抗盐黏土+4% 磺化褐煤+4%磺化褐煤树脂+4% 高温降失水剂1型+4% 高温降失水剂2型+1.5% 高温降黏剂+1% 高温增黏剂+1% 高温保卫剂,性能如表1所示。【1】 由实验结果表 1能够看出,该耐高温钻井液体系抗260高温,流变性能好,能够知足钻井液长时间高温循环的要求。 2 高温井下钻具 干热岩地层通常为火山岩,温度通常高于200,地层岩石研磨性强、可钻性差,对井下钻具的耐温能力、工作性能要求较高。 2.1 耐高温涡轮钻具 井下动力钻具是提高钻井效率的重要工具之
7、一,当前最常用的井下动力钻具有涡轮钻具、螺杆钻具、液动冲击器等。螺杆钻具耐温能力通常不高于150,高温螺杆钻具耐温能力通常不高于180,且在高温环境下螺杆钻具表现出性能不稳定、工作寿命短等问题。液动冲击器能够有效提高钻速,然而现有的液动冲击器工作寿命普遍较短,且受钻井液性能和固相含量影响较大。 涡轮钻具具有耐高温、转速高、工作寿命长等优点,合适火山岩地层钻进6.国外干热岩高温钻探通常采用高温涡轮钻具配合金刚石钻头进行复合钻进,钻探效率明显提高7. 北京探矿工程研究所研制了 127规格涡轮钻具,涡轮节采用独立悬挂构造,涡轮叶片为不锈钢精致细密铸造图1,能够有效提高涡轮叶片寿命和水力效率;采用独立
8、轴承节构造,轴承为金刚石止推轴承图2;整套钻具采用全金属构造,无橡胶元件,钻具耐温性能大幅提高。该规格涡轮钻具外径为127 mm,匹配井径为152 mm,工作转速为10001400 r/min,工作压降为7.510.0 MPa,制动扭矩为13001740 N m,工作排量为1416 L/s. 2.2 钻头优选及设计 1钻头选型技术。钻头选型技术当前已广泛应用于石油钻井经过中,当前常用的钻头选型方式方法是通过声波测井曲线预测地层的岩性特征和可钻性,通过对国内各区块钻头使用情况的调研,建立钻头参数数据库,进而进行地层与钻头的匹配和选型。应用计算机软件建立地层岩性预测模型和钻头数据库系统,应用该系统能够对地层岩石的岩性和可钻性进行预测,进而进行钻头优选8,9.