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热岩地热开发钻井技术

热岩地热开发钻井技术

   干热岩是指地层深处3000-10000m范围内普遍存在的没有或仅有少量流体、致密不渗透的热岩体,岩体温度一般在150-650℃之间,呈干热状态,是一种清洁、可再生的绿色资源。全球干热岩资源分布广泛,蕴含热能极高,麻省理工学院研究表明,仅开发地壳中2%的干热岩资源储量就能产生2.00×10^38J的能量。科学估算,我国干热岩蕴含能量约为2.09×10^35J,和7.15×10^14t标准煤,若按2%的利用率计算,相当于我国年均能源消耗量的4400倍。干热岩可用于发电和供暖等使用,一般采用井网压裂和U型井等方式,通过注水井将高压水注入干热岩层,充分吸收地层热量后,将高温水和蒸汽通过生产井采出,经过热交换及地面循环装置后,将冷却水再次注入地下,如此循环流动,实现干热岩的能量的开发。具有经济环保安全的特点,不产生二氧化碳、粉尘颗粒和污水等,干热岩在我国具有巨大的开发利用前景。

目前,钻井依旧是干热岩地热勘探开发的手段,在钻井过程中,高温高压的极端恶劣环境给井下工具和钻井液体系提出严峻的考验,我们分析干热岩钻井施工的地质和工程特点,研究油气钻井技术的耐高温性能,对于干热岩钻井技术方案优选进行了有效探索。

1、干热岩的地质特点

干热岩的热量来源包括深部岩石放射性同位素蜕变而成热源、深部岩石构造运动断裂错动摩擦造成的残余热源以及地球内部包括放射性富集带以下至地核来源的传导热源。因此,在地壳较薄的地区容易发现干热岩。干热岩主要岩性为各种变质岩和晶结岩。干热岩的特点有三个方面:

(1)岩石硬度大,抗压强度高。

(2)干热岩地层温度高,一般在150-650℃,地温梯度每100米大于4.0℃。河北永明地质工程机械有限公司生产的钻机在青海地区施工超过3000米,该地区地温梯度为每100米为6.8℃。

(3)岩石致密,空隙较小,渗透率低,基本不含流体,裂隙和断层较为发育,采用井网方式开发。需要借助自然裂缝或人工压裂来打开流动通道。D.Bachler 等研究发现,在注水开发过程中,随着矿物质的溶解、析出、运移和沉淀,干热岩内的孔隙度和渗透率不断发生变化。开发初期,注水井附近孔隙度和渗透率不断升高,生产井附近孔隙度和渗透率不断降低,开发一段时间后逐渐达到平衡。

2、干热岩钻井技术难点

1)钻井温度高,钻井井下工具和钻井液体系的性能和寿命受到很大限制。国内外认为温度在350℃以上的干热岩储层具有开发利用价值。尤其是测量仪器的精度和可靠性极易受到高温的影响。而且定向螺杆的橡胶部件难以发挥密封作用,

2)干热岩钻井深度大,岩石可钻性差,对钻机设备、钻头和辅助破岩工具提出更高的要求。

3)地层发育裂隙和断层,井漏现象较为严重。深井和超深井钻穿多套压力系统,更容易造成井漏。

4)井壁围岩稳定性差。在钻井过程中,井壁围岩受到温度场、渗流场和应力场的多场耦合作用,井壁破裂现象明显,形成大量的裂纹,岩石强度明显低,极易造成掉块、卡钻和憋钻。同样是埋深5000m的花岗岩,500℃环境下蠕变率是400℃的1.87倍,井眼发生缩颈的概率和程度加大,造成钻头被卡和套管挤毁等现象。


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