深部地热钻探钻井工艺研究

地热是一种清洁、可再生的能源,深部地热能的开发对于实现低碳经济、应对气候变化具有极其重要的意义。地热能的开发需要深部地热钻探技术的支持, 而深部地热钻探钻井工艺的研究是深部地热能开发的关键技术之一。

我国开发利用地热资源已有50余年,共有数百个城市满足开发地热能的条件。刘伟莉等对干热岩地热能钻井开发过程中容易遇到的多种问题进行详细分析,提出了适用于我国的干热岩钻井技术;申云飞等率先在工程中使用了分段水力压裂工艺,结果表明,该钻井工艺可以使山区缺水地区的地热井出水量提高3倍;宋继伟等对贵州喀斯特地貌的地热钻探技术进行研究,解决了螺杆钻井和气动钻井技术在喀斯特地区应用困难的问题;李勇等同样针对贵州岩溶发达,地热钻井施工难度大的问题进行研究,分析了硫化沥青的护壁机理,提出了适合贵州地质的钻井液配方;马晓东以水热型地热能钻井为研究对象,通过对地质条件、断层特征、含水层分布特点的分析,选出了最优的钻井位置。

现有的研究中,钻井的手段单一,效率较低;因此,本文以我国某典型地热资源含量丰富的山区为研究对象,开展了地热能钻井技术研究,提出新的钻井施工工艺,提高施工效率,为类似工程提供技术支撑。

1工程概况

本文以我国某一地热资源蕴含量丰富的山区作为试验场地。该区域储能岩层主要有两种类型:裂隙岩溶型和裂隙型,其中前者的地热能储藏深度变化较大, 顶板埋深范围为350~2100m,底板埋深范围为1300~ 5000m,该岩层中地质构造变化较大,钻井容易吸水膨胀,导致成井难度大;后者地层较为简单,主要为第四系和新近系。该区域具体的地层分类情况如表1所示。

2气举反循环钻井工艺

在我国,地热钻探钻井的深度通常为1000~4000m, 在裂隙、岩溶等地质构造较为复杂的地层中,传统的钻井技术成井的难度较大,所耗费的资源也较多,在遇到漏失地层时还容易发生卡钻、埋钻等事故。而气举反循环钻井工艺可有效解决上述问题。该工艺是将压缩过的气动通过特定管道输送到钻孔内部并使之与钻井液充分混合,从而使钻井液的比重降低。此时的钻井液在钻井工具的内外液面处形成了压力差,钻井液就可以沿钻杆返回地面,然后在地面沉淀池中除去钻井液中的固体之后使其再次流入钻井内,以此形成一个反循环。

沉没系数的大小将直接决定着钻井内外液面压力差的形成,因此,选择一个适宜的沉没系数,对建立循环至关重要。在其他条件允许的情况下,沉没系数越大越好,通常情况下不应小于0.5。其计算方法按下式进行：

式中:hd——液面以上的钻杆长度;

        hs——液面以下的钻杆长度。

气举反循环钻井工艺并不适用于水敏性地层和漏失严重的地层。当钻探区域地层主要为水敏性较强的岩土体时,钻井过程中产生的泥土容易聚集在钻杆内部且不易排出井外,此时容易造成通道堵塞;在漏失严重的地层中,钻井液的损失会有大幅度的上升,导致钻渣难以排出,从而导致坍塌、卡钻、埋钻等危险情况的发生。气举反循环钻井工艺应用过程中常见的问题及解决办法如表2所示。

3气动潜孔锤钻井工艺

试验场地中,0~25m地层范围内岩土体的水敏性较强,钻井过程中产生的钻渣难以排出井外;在地热能的主要开采地层中(300m以下),地质构造比较发育, 地质破碎现象也较为明显,对循环的建立有不利影响。因此,本文采用气动潜孔锤联合气举反循环工艺, 首先使用气动潜孔锤,利用高压空气在岩体进行成孔操作,该方法能够有效降低浅层钻井中反循环钻井的应用难度,当钻井深度达到240m左右时换用气举反循环钻井工艺,具体的联合钻井流程如表3所示。

3.1气动潜孔锤钻井效果

为了能够将钻渣带到井外,气动的流速需要保持在15~25m/s范围内,钻井过程中的进风量计算方法为:

Q≥47K1K 2(D2-d 2)v(2) 式中:Q——进风量(m/min);

K1——钻孔深度修正系数;

K2——出水量修正系数;

D——钻孔直径,m; d——钻杆直径,m; v——气动流速,m/s。

试验过程中,随着钻孔深度的增加,在气动压缩机功率恒定的情况下,气动流速会呈现衰减现象。钻孔中实际的气动流速值如表4所示。

图1为气动潜孔锤钻井过程中钻进速度与钻进深

度之间的关系曲线,从图中可以看出,在0~100m深度内,钻进的平均速度为2.04m/h;在100~240m深度范围内,钻进的平均速度为1.38m/h,整体的钻进速度较为可观。和常规钻井施工技术相比,该技术的钻进效率提升了2倍。但随着深度的增加,岩石更加坚硬,所以钻进速度会逐渐下降,在深度达到230m附近时,钻井的经济效益下降明显。

3.2气举反循环钻井效果

本试验中气举反循环钻井共分为三个阶段,第一阶段为240~300m深度范围,第二阶段为300~700m深度范围,第三阶段为700~1200m深度范围。

图2展示了第一阶段和第三阶段钻井速度与钻井深度间的关系曲线。从图中可以看出,在采用气举反循环钻井技术后,第一阶段的平均钻进速度为0.59m/h, 整个过程中钻速的变化较平缓,变化幅度也较小。在第三阶段的平均钻进速度为0.63m/h,与第一阶段的平均速度较为接近,但第三阶段的变化幅度较为明显,稳定性较差。

同时,根据第二阶段每个钻头的使用时间和钻进距离统计出钻进速度与钻头使用时间之间的关系,如图3所示。从图中可以看出,初期钻进速度较低,但整体上呈现出逐渐上升的趋势,直到钻头无法使用。在钻头可使用时间段内,钻速共经历了四个阶段:上升、 达到峰值、保持稳定、下降。其中最经济的时间段在0~ 80h内。

4结论

本文介绍了气举反循环钻井工艺及其常见问题和解决办法,并以某典型地热资源含量丰富的山区为研究对象,对气动潜孔锤和气举反循环钻井工艺的钻井效果进行了研究,得到以下结论:

(1)对于质地较为坚硬和钻井过程中漏失情况较为严重的地层,气动潜孔钻井工艺均能够有效应对,且钻进速度也能够保持在1m/h以上;但在钻进深度超过 200m之后,钻进速度下降较快,经济性能也开始降低。

(2)气举反循环钻井工艺适用于深孔钻井和复杂地层漏失的情况,能够弥补气动潜孔锤钻井工艺的不足。在地层较为坚硬的情况下,钻头的使用时间为80~ 100h,平均钻进速度为0.5~0.8m/h,是常规钻进工艺钻速的1.5~3倍,实际效果相对较好。

(3)气动潜孔锤联合气举反循环钻井工艺适用于浅层钻井地层坚硬或破碎分布较广、钻孔深度较大且漏失较多的工程中,两者能够优势互补,使整个钻井的钻进过程保持在较高的施工效率。