局温地热并技术在国内外研究的现状

  在研究高温地热井牙轮掉齿机理之前,先来看下高温地热井钻井技术的发展及其常用的钻井工艺,为高温地热井中牙轮掉齿因素分析提供依据。

 

  1904年,意大利人在拉德瑞罗地热田建立世界上第一座地热发电站,虽然功率较小,但是开辟了地热发电的先河,到1916年意大利的地热发电设备已达1.2><104KW。1973年第一次石油危机以后,世界上掀起了一股地热发电热,各国专家均参与到研究地热资源的幵发技术中,并开展生产试验研究。二十世纪中叶,美国俄亥俄州立大学教授CarlNielsen研发地源热栗技术取得成功,使得地热开采技术取得重大突破,1970年美国人Morton Smith最早提出高温岩体地热资源开发的设想,并开展验证试验。后来由于石油天然气产业的迅速发展,地热开发速度逐渐降低,然而2011年日本海喊引发的核泄漏问题,让清洁能源重新回到大众视线之内。

 

  到2010年,美国地热发电能力达到3093兆瓦,成为世界上最大的地热发电生产国。

 

  美国是世界上地热井钻探技术最先进的国家[91,也拥有最多的地热井钻机制造商和承包商。据统计,1995-1999年美国共钻进48 口地热井,其中40 口井是低于100°C的地热井。美国的地热资源勘探主要釆用石油钻井技术施工地热井,近几年在地热勘探方面开发了系列技术及设备,包括硬地层破岩钻头、高温测量、数据无限遥测、小口径钻井技术,地热钻井研究等[“】。

 

  曰本利用地热资源进行发电方面B有多年历史,对于高温地层的钻进技术的研究也获得很多成果["],着重对地热井钻头的寿命问题开展实验,并研制试验台进行相关钻进及破碎的现场实验和相关的性能实验,强有力的推动了高温地热井钻进技术的前进新西兰在幵发6个地热田过程中,最大钻井深度3000m,其中泥装液和水作为循环介质仅在200m以内的浅地层中使用,下部则全部采用空气速钻井技术。使用牙轮钻头钻进一般硬度的地层,而采用金刚石钻头钻进坚硬岩层。

 

  我国从上世纪90年代后期至今,幵始将石油钻完井工艺与地热开釆结合,优选钻头和机械参数引进近平衡钻井和完井液概念,有针对性的使用了细分散、不分散低固相聚合物泥衆、抗高温泥装,提高了钻井效率,缩短了建井周期。中石油长城钻探工程公司在肯尼亚OLKARIA地区经过近3年的研究和实践,研发了高温定向钻井、井筒降温、钻头选型、空气泡沫钻井液等高温地热井钻井技术,现场应用取得了显著效果.

 

  由于高温地热井独特的地质条件以及钻进环境,使得常规钻井技术在应用于高温钻井中遇到很多问题,比如地层严重漏失,钻具磨损严重,卡钻事故频繁,钻井速度慢,钻井周期较长。为了适应高温地热井的工作要求,就必须改进常规石油钻井技术,使得所用的材料和设备,不仅需要满足地质条件要求,还能够承受高达30(rc的高温。通过多年的钻井经验与研究,目前国内外的高温地热井钻井已经形成了有别于常规钻井的新技术,这些技术在现场应用都得到了肯定,为高温地热井的深入勘探与幵发奠定基础。

 

  (1)空气泡沫钻井液技术根据地热井的特点,地热井钻井液必须具有以下两个要求:泥菜密度较低,携砂能力强;钻井液和处理剂抗温能力高1161,一般要求达到20(rc以上。为此,研发了空气泡沫钻井液:在清水中加入适量的发泡剂作为泡沫基液,并根据井深和地层漏失状况在泡沫基液中充入一定量的空气,保持泡沫质量系数0.55左右。泡沫钻井液的最大优点是低密度、高點度。泡沫是由紧密而细小,且有坚固薄膜的气泡组成"71,具有较强的表面點度和强度,因而具有良好的防漏堵漏作用和保持井眼清洁的作用。在形成泡沫的基液中由于高温地热井独特的地质条件以及钻进环境,使得常规钻井技术在应用于高温钻井中遇到很多问题,比如地层严重漏失,钻具磨损严重,卡钻事故频繁,钻井速度慢,钻井周期较长"5】。为了适应高温地热井的工作要求,就必须改进常规石油钻井技术,使得所用的材料和设备,不仅需要满足地质条件要求,还能够承受高达30(rc的高温。通过多年的钻井经验与研究,目前国内外的高温地热井钻井已经形成了有别于常规钻井的新技术,这些技术在现场应用都得到了肯定,为高温地热井的深入勘探与幵发奠定基础。

 

  (1)空气泡沫钻井液技术根据地热井的特点,地热井钻井液必须具有以下两个要求:泥菜密度较低,携砂能力强;钻井液和处理剂抗温能力高1161,一般要求达到20(rc以上。为此,研发了空气泡沫钻井液:在清水中加入适量的发泡剂作为泡沫基液,并根据井深和地层漏失状况在泡沫基液中充入一定量的空气,保持泡沫质量系数0.55左右。泡沫钻井液的最大优点是低密度、高點度。泡沫是由紧密而细小,且有坚固薄膜的气泡组成"71,具有较强的表面點度和强度,因而具有良好的防漏堵漏作用和保持井眼清洁的作用。在形成泡沫的基液中加入高温保护剂HT-1,能提高发泡剂的高温能力,高温极限从180 °C提高到240 °C,满足了现场高温施工的要求81。

 

  (2)钻具防磨损技术在地热钻井过程中,井漏非常严重,钻井液无法返回地面,钻具磨损严重,为此,设计了专用的钻杆保径接头、新型滚子扶正器等辅助钻井工具,大大降低了钻具的损坏程度。

 

  (3)井筒降温盲钻技术肯尼亚OLKARIA是一个火山喷发岩沉积的幵放性隆起构造地区,存在大量熔洞,钻井液完全漏失1191,为此采用了井筒降温盲钻技术,用清水加一定量的发泡剂代替钻井液进行钻井作业。在盲钻过程中使用以下方法测试井眼是否需要清洗:刚幵始盲钻时,先钻3?4 m,上提钻具,停止泡沫流体的注入,静止5min左右,再次下入钻具,测试井底是否有沉砂。如果没有沉砂则开粟继续往下钻进;如果有沉砂,则当钻头接近井底时,开粟栗入高點度钻井液清洁井眼,然后再进行井筒降温盲钻