熱巖地熱開發(fā)鉆井技術(shù)

   干熱巖是指地層深處3000-10000m范圍內(nèi)普遍存在的沒有或僅有少量流體、致密不滲透的熱巖體，巖體溫度一般在150-650℃之間，呈干熱狀態(tài)，是一種清潔、可再生的綠色資源。全球干熱巖資源分布廣泛，蘊含熱能極高，麻省理工學院研究表明，僅開發(fā)地殼中2%的干熱巖資源儲量就能產(chǎn)生2.00×10^38J的能量?？茖W估算，我國干熱巖蘊含能量約為2.09×10^35J，和7.15×10^14t標準煤，若按2%的利用率計算，相當于我國年均能源消耗量的4400倍。干熱巖可用于發(fā)電和供暖等使用，一般采用井網(wǎng)壓裂和U型井等方式，通過注水井將高壓水注入干熱巖層，充分吸收地層熱量后，將高溫水和蒸汽通過生產(chǎn)井采出，經(jīng)過熱交換及地面循環(huán)裝置后，將冷卻水再次注入地下，如此循環(huán)流動，實現(xiàn)干熱巖的能量的開發(fā)。具有經(jīng)濟環(huán)保安全的特點，不產(chǎn)生二氧化碳、粉塵顆粒和污水等，干熱巖在我國具有巨大的開發(fā)利用前景。

目前，鉆井依舊是干熱巖地熱勘探開發(fā)的唯一手段，在鉆井過程中，高溫高壓的極端惡劣環(huán)境給井下工具和鉆井液體系提出嚴峻的考驗，我們分析干熱巖鉆井施工的地質(zhì)和工程特點，研究油氣鉆井技術(shù)的耐高溫性能，對于干熱巖鉆井技術(shù)方案優(yōu)選進行了有效探索。

1、干熱巖的地質(zhì)特點

干熱巖的熱量來源包括深部巖石放射性同位素蛻變而成熱源、深部巖石構(gòu)造運動斷裂錯動摩擦造成的殘余熱源以及地球內(nèi)部包括放射性富集帶以下至地核來源的傳導熱源。因此，在地殼較薄的地區(qū)容易發(fā)現(xiàn)干熱巖。干熱巖主要巖性為各種變質(zhì)巖和晶結(jié)巖。干熱巖的特點有三個方面：

（1）巖石硬度大，抗壓強度高。

（2）干熱巖地層溫度高，一般在150-650℃，地溫梯度每100米大于4.0℃。河北永明地質(zhì)工程機械有限公司生產(chǎn)的鉆機在青海地區(qū)施工超過3000米，該地區(qū)地溫梯度為每100米為6.8℃。

（3）巖石致密，空隙較小，滲透率低，基本不含流體，裂隙和斷層較為發(fā)育，采用井網(wǎng)方式開發(fā)。需要借助自然裂縫或人工壓裂來打開流動通道。D.Bachler 等研究發(fā)現(xiàn)，在注水開發(fā)過程中，隨著礦物質(zhì)的溶解、析出、運移和沉淀，干熱巖內(nèi)的孔隙度和滲透率不斷發(fā)生變化。開發(fā)初期，注水井附近孔隙度和滲透率不斷升高，生產(chǎn)井附近孔隙度和滲透率不斷降低，開發(fā)一段時間后逐漸達到平衡。

2、干熱巖鉆井技術(shù)難點

（1）鉆井溫度高，鉆井井下工具和鉆井液體系的性能和壽命受到很大限制。國內(nèi)外認為溫度在350℃以上的干熱巖儲層具有開發(fā)利用價值。尤其是測量儀器的精度和可靠性極易受到高溫的影響。而且定向螺桿的橡膠部件難以發(fā)揮密封作用，

（2）干熱巖鉆井深度大，巖石可鉆性差，對鉆機設(shè)備、鉆頭和輔助破巖工具提出更高的要求。

（3）地層發(fā)育裂隙和斷層，井漏現(xiàn)象較為嚴重。深井和超深井鉆穿多套壓力系統(tǒng)，更容易造成井漏。

（4）井壁圍巖穩(wěn)定性差。在鉆井過程中，井壁圍巖受到溫度場、滲流場和應力場的多場耦合作用，井壁破裂現(xiàn)象明顯，形成大量的裂紋，巖石強度明顯低，極易造成掉塊、卡鉆和憋鉆。同樣是埋深5000m的花崗巖，500℃環(huán)境下蠕變率是400℃的1.87倍，井眼發(fā)生縮頸的概率和程度加大，造成鉆頭被卡和套管擠毀等現(xiàn)象。