中国干热岩开发与钻井关键技术

张所邦, 宋 鸿, 陈 兵, 韩 朝

(1.湖北省地质局 第七地质大队,湖北 宜昌 443100; 2.湖北鄂西地质基础工程公司,湖北 宜昌 443100;3.湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

中国干热岩开发与钻井关键技术

张所邦1, 宋 鸿2, 陈 兵3, 韩 朝2

(1.湖北省地质局 第七地质大队,湖北 宜昌 443100; 2.湖北鄂西地质基础工程公司,湖北 宜昌 443100;3.湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

干热岩是一种绿色清洁能源,具有巨大的研究和开发潜力,简述国内外干热岩研究进展情况,阐明中国干热岩研究工作的重要性和所处的阶段,同时,根据干热岩钻进技术与普通地质钻探或水文地质钻探之间存在较大差异性的特点,就干热岩钻进关键技术进行了系统阐述。

干热岩;增强型地热系统(EGS);钻进技术;压裂改造技术

近年来,随着化石类能源开发利用所带来的资源与环境问题日益严峻,探索可再生且无污染新能源的开发与利用备受人们期待。本文系统地阐述了中国干热岩的分布状况及其赋存条件,国内外干热岩的研究开发现状,分析了中国干热岩勘探开发中所遇到的技术瓶颈问题,如岩层可钻性差、目的层高温高压、钻进深度大、钻井改造压裂难等一系列问题。围绕这些问题,笔者通过系统的研究,提出了精心设计钻井结构,优选钻具组合与钻头选型,引进抗高温钻井液与压裂技术,进一步论证了干热岩钻进等关键性技术。

1 干热岩与增强型地热系统

1.1 干热岩

干热岩(HDR)是指一般温度>150 ℃,埋深数千米,内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体[1],并以热能的方式赋存在深部热岩体中。其热量来源由两部分组成:一部分为由地幔向地表传导的热量;另一部分为地壳表层(10 km)岩体中铀U、钍Th、钾K放射性衰变产生的热量[2]。

干热岩是可再生资源,全球储量丰富,分布广泛,可以广泛应用于发电、供热,不存在氮氧化物和二氧化碳排放,是最具环保性能的未来清洁能源。

1.2 增强型地热系统

干热岩的开采技术主要基于增强型地热系统(EGS)的建立。增强型地热系统是采用人工形成地热储层的方法,从低渗透性岩体中经济地采出深层地热能的人工地热系统[3-4]。

图1 干热岩地热发电系统示意图[4]Fig.1 Schematic diagram of HDR geothermal power generation system

EGS项目一般包括发电系统和热交换系统。热交换系统由注入井、生产井和干热岩储层组成。水通过井筒注入地下干热岩体,渗透进入热储层的裂缝并吸收地热能量,完成在干热岩体内的热交换,循环水经过交换后变为高温的水蒸气流,通过生产井涌至地表,高温高压的水蒸气流驱动涡轮机产生电能。按照热储层构建需要的不同,同一个EGS项目,一般有1个注入井,生产井可以由多个钻井组成,根据热交换方式的不同,注入井和生产井可以是竖井和定向井或分支井。

1.3 干热岩开发进展

自1974年美国在新墨西哥州芬顿山成功进行干热岩开采和发电实验以来,截至2013年12月底,全球已有11个国家开展了47个EGS项目的研究,其中法国苏茨(Soultz)1.5 MW的EGS实验电站已经运行了20年[4-5];德国兰道(Landau)和因斯海姆(Insheim)分别建立了3 MW和5 MW增强型热电站[5];澳大利亚库珀(Cooper)盆地热电站成功开发[3]等,都为干热岩的开发应用提供了宝贵的经验。但是,在干热岩的开发实验中,受物探手段、钻探技术、热储层建立、热交换技术等条件的制约,成功开发的干热岩示范基地却并不普遍,失败的项目也有很多。

由于干热岩资源被认为是属于“取之不尽,用之不竭”的清洁能源,这项技术的研究和应用被全球多个国家列为重要的能源开发战略计划。当前,干热岩开发技术正处于由研发到成熟的关键时期,据预测,未来10年EGS技术将趋于成熟。

图2 法国苏茨1.5 MW增强型地热实验电站[5]Fig.2 1.5 MW enhanced geothermal power plant in French Soultz

2 中国干热岩的研究与应用

2.1 中国干热岩分布

据地质科学院水环所王贵玲等对中国大陆3.0～10.0 km深处的干热岩储量估算,干热岩资源基数为2.5×1025J,相当于860万亿t标准煤,是中国2014年能源消耗总量的4 040倍;位于深度3.5～7.5 km之间,温度介于150～250 ℃的干热岩资源量约为6.3×1024J,按2%的可开采资源量计算,相当于2014年中国能源消耗的1 006倍。

据2015年7月在西宁召开的“干热岩勘探开发技术专家研讨会”上获悉,中国干热岩资源分布情况见图3、4*王贵玲,干热岩——未来清洁新能源，干热岩勘探开发技术研讨会,2015年7月。。

2.2 中国干热岩的研究现状

中国自1993年开始,相继有地震、能源和地质等系统的科研机构,在不同领域关注和研究中国干热岩的资源分布和潜力评估等工作。

2012年,国家“863”项目“干热岩热能开发与综合利用技术”启动,开启了中国专门针对干热岩的实际性研究工作。

2013年,中国地质调查局出台了《全国干热岩勘查与开发示范实施方案(2013—2030)》,这是第一个规范和指导中国干热岩勘查与开发工作实施的方案。

图3 陆区5.5 km深温度分布图(℃)❶Fig.3 Temperature distribution map of 5.5 km deep area in land area(℃)

图4 陆区7.5 km深温度分布图(℃)*王贵玲,干热岩——未来清洁新能源，干热岩勘探开发技术研讨会,2015年7月。Fig.4 Temperature distribution map of 7.5 km deep area in land area(℃)

2014年,中国地质调查局与青海省共同组织开展了青海德贵盆地、共和盆地干热岩勘查工作,其中共和盆地钻孔孔底(3 000 m)温度181 ℃,德贵盆地钻孔孔底(3 001 m)温度151 ℃,实现了中国干热岩勘查的开门红。

2015年5月21日,由中国地质调查局承担的中国第一个干热岩科学钻探项目经过勘查选址定位后,在福建漳州开钻,至此中国干热岩综合性开发与研究工作正式开始。

2.3 干热岩在区域供暖中的应用

中国已完成的干热岩钻井大多在黄河以北地区,主要用于区域供暖,地热能的提取方法与浅层地温能的利用方式相似,即在钻孔中安装一种密闭的金属换热器,直接从地下2 000 m处取热,并通过专业设备向地面建筑物供热。如陕西省于2013年成功实现干热岩地热能的商业应用,并于2015年底正式启动了国内首个干热岩供热PPT项目。

3 干热岩钻进技术

地质钻探是获取地下干热岩资源的唯一手段,中国干热岩钻探工作还在起步阶段,但是,中国地质岩心钻探、油气钻探和大陆科学钻探均处于世界领先水平,已经建立了一整套成熟的钻进技术,因此在干热岩钻进技术的研究与应用中,可以结合已有的钻进技术和特点,选择针对干热岩特性的钻进技术方法。共和盆地和贵德盆地的干热岩钻进技术的成功,就是在总结和优化各种钻进技术的基础上取得的。

3.1 干热岩地层钻进技术特点

(1) 干热岩地层为片麻岩或花岗岩,硬度大,研磨性高,可钻性差,单轴抗压强度达到200 MPa以上[6]。

(2) 钻进岩层温度高,一般在150～250 ℃。

(3) 钻进深度大,一般在3 000 m以上,中国内陆多在5 000 m左右才能获得较高的地温,井底形成高温高压。

(4) 井壁围岩稳定性差。由于在高温高压且深度较大的岩体中钻进,钻进过程中,井壁围岩在高温高压的情况下遇到低温冲洗液时极易产生热破裂及井壁坍塌扩径。

(5) 有的钻井裂隙和断层较为发育,容易产生严重的井漏现象。

(6) 上覆地层的不同特点也是影响钻井技术的重要因素。

3.2 钻井结构特点

钻井结构要满足钻井设计目的层位,以及确保井壁安全与下放技术套管的需要,复杂地层钻进必须留有余量。

(1) 贵德县扎仓沟高温地带干热岩勘查项目。设计为直井,钻井深度3 000 m,终孔直径Φ152 mm,目的层位为断裂破碎带,套管完井,主要地层情况如下:

① 第四系(Q),土黄色、深灰色冲、积洪砂砾石。砾石主要为灰白色花岗闪长岩。在沟中有出露,厚度约50 m。

② 三叠系(T),灰色、深灰色砂岩,板岩。与花岗岩、花岗闪长岩侵入体互层,未完整揭露。

③ 侵入岩体(γ),岩性主要为花岗岩、花岗闪长岩。

钻井结构设计如表1。

(2) 福建漳州中国干热岩科学钻探干热1孔。位于漳州龙海东四乡,设计为直井,井深4 000 m,终孔直径Φ152 mm,套管完井。钻井中要求分段采取岩样。其中0～1 000 m,平均每200 m取心1次,每回次进尺不低于3 m;1 000～4 000 m,平均每钻进100 m取心1次,每回次进尺不低于3 m。地层情况见图5。

表1 贵德县扎仓沟高温地带干热岩勘查钻井结构设计表Table 1 Drilling structure designs for HDR survey in high temperature area in Zhacanggou,Guide County

图5 干热1孔地层构造图❶Fig.5 Stratigraphic structure map of HDR drilling NO.11.第四纪;2.侏罗纪火山岩;3.花岗岩;4.低阻高导体;5.断裂带。

钻井结构设计如表2。

表2 干热岩科学钻探干热1孔钻井结构设计表Table 2 Drilling structure designs for HDR drilling NO.1

表层套管或导管主要作用是钻穿覆盖层,坐落于基岩上,进行全孔壁水泥封固,孔口预留高度0.5 m左右用于连接井控设备。技术套管主要作用是进行层位分割,确保目的层位的高温水在控制的空间内进行循环,减少循环水的渗流和热量损耗。干热岩目的层是进行热量传导和交换的高温岩层,钻井过程中采用裸眼钻进,为后续的井内设施安装提供空间。

3.3 钻进技术

3.3.1 钻头选择

(1) 由于覆盖层较为软弱,硬度较低,一般采用PDC钻头,PDC钻头适合于软—中硬地层;

(2) 进入基岩,地层硬度增高,一般选用三牙轮钻头;

(3) 干热岩层位全面钻进时,钻头要适应高温高压环境,应选用滑动轴承金属密封牙轮钻头,如江汉油田的HJ系列牙轮钻头;

(4) 需要进行钻进取心地层,宜采用PDC取心钻头或金刚石取心钻头。大直径坚硬岩层的取心技术已经成熟,在松科2井中,采用大直径双卡簧金刚石取心钻头,Φ311 mm钻孔直径中一次取心长度达到30 m,岩心采取率达到97%以上。

3.3.2 钻具组合

上覆地层采用普通回转钻进方法,转盘回转,钻铤加压。钻具组合一般为:取心钻头+取心钻具+扶正器+钻铤+扶正器+钻杆,或钻头+扶正器+钻铤+扶正器+钻杆。增加扶正器的分布密度可以有效约束孔内管柱的屈曲行为,减少孔内事故的发生。

进入坚硬完整花岗岩、片麻岩地层,可采用普通牙轮钻头回转钻进和复合钻进方法。普通回转牙轮钻进能够实现进尺,但进尺速度慢,效率较低,应优先选用孔底动力冲击回转复合钻进技术,即液动螺杆马达+液动潜孔锤+高速牙轮钻头组合,能够克服岩石硬度高、研磨性强的特点,实现快速碎岩(见图6)*谭现峰,大口径深部资源钻探关键技术,干热岩勘探开发技术研讨会,2015年7月。。

图6 钻具组合*谭现峰,大口径深部资源钻探关键技术,干热岩勘探开发技术研讨会,2015年7月。Fig.6 Drilling tools combination

干热岩层位钻进时,由于存在孔壁高温岩石与钻进循环液之间的热交换,孔壁岩石冷却过程中产生应力变化,极易造成孔壁失稳,产生坍塌扩径情况,因此,要求钻进中保持钻压平稳、波动小,尽可能减少钻具对孔壁的扰动,应优先选用孔底螺杆马达+高速牙轮钻头组合。

3.3.3 高温护壁钻井液

一开和二开钻进采用一般钻井液护壁,随着井内温度的升高,逐渐转换为抗高温钻井液。

由于干热岩大都为变质岩或结晶岩类岩体,基本不涉及水敏性地层,因此,干热岩井钻井液重点考虑其抗温性能。油气钻井通常采用油基钻井液以适应高温高压下的钻进工作,随着环保标准的进一步提高,油基钻井液的排放处理和对地下水体的污染问题,已经逐步减少了应用规模。中石化研究的抗高温聚磺钻井液的应用,解决了环保处理和高温稳定性、高温流变性问题,抗温能力达到200～250 ℃,是近年广泛使用的油气钻井液。在贵德ZR1井和漳州干热1井干热岩钻进中的应用取得了很好的效果。

贵德ZR1井中钻井液的现场配比(每立方米加量)为:50 kg膨润土+1～3 kg聚丙烯酸钾(KPAM)+25 kg抗高温抗盐降黏降失水剂+10～30 kg磺化褐煤(MSC)+10～30 kg磺化酚醛树脂(SMP)+20 kg磺化沥青(FT-1)+重晶石、高粘堵漏剂、液体润滑剂。泥浆性能指标为:密度1.05～1.20 g/cm3,漏斗粘度30～50 S,API滤失量<5 mL/30 min,HTHP滤失量15 mL/30 min,泥饼厚度(API)<0.3 mm,泥皮厚度(HTHP)<2.0 mm,塑性粘度10～15 mPa·S,动切力3～8 Pa,静切力(初/终)2～15 Pa,pH值为9。

漳州干热1井泥浆设计配比(每立方米加量)为:PAC141包被剂1～10 kg,PAC高聚阴离子纤维素降失水剂1～6 kg,SMP磺甲基酚醛树脂5～15 kg,SPNH磺化褐煤树脂5～15 kg,烧碱3～5 kg,乳化沥青10～20 kg,磺化沥青10～20 kg,固体润滑剂10～20 kg,重晶石和堵漏材料视需要而定。泥浆性能指标为:密度1.18～1.2,粘度50～70 S,API滤失量<8,泥饼厚度0.5 mm,pH值7.5～9,静切力其初切力2～4 Pa、终切力5～8 Pa,塑性粘度12～20 mPa·S,动切力5～12 Pa,含沙量<0.2%。

3.3.4 钻进技术参数

PDC钻头推荐钻进技术参数如表3。

表3 PDC钻头钻进技术参数推荐表Table 3 Drilling technical parameters limited by PDC bit

牙轮钻头推荐钻进技术参数如表4。

表4 牙轮钻头钻进技术参数推荐表Table 4 Drilling technical parameters limited by roller bit

当采用螺杆马达钻具钻进时,转盘转速不宜>60 r/min,否则将降低马达使用寿命;泥浆流量要按照螺杆马达推荐的最大和最小值控制,如果流量过大,转子会超速运转,定子和转子会出现提前损坏,若果流量过小,马达将停止运转;泥浆泵输出时的压力也是螺杆马达工作的重要参数,应将泵压和钻具两端的压降控制在推荐范围内,通常采用在地面根据压力表控制压力,根据流量计控制泵的流量,就可以控制井下钻具的扭矩和转速。

3.3.5 下套管

下套管是干热岩钻进中非常重要的工作内容。

选用石油系列套管,下放前要认真清洗丝扣,严格按照要求进行二次通径。套管串的一般结构为:浮鞋+厚壁套管(1～3根)+浮箍+厚壁套管+薄壁套管+厚壁套管(1根)+联顶节。为保证下放顺利和固井质量,下放前要进行通井和划眼,每根套管安装套管扶正器。套管上扣扭矩必须控制在最大扭矩和最小扭矩之间,如表5所示。

表5 套管上扣扭矩选择表[7]Table 5 Torque wrench moment selection of cashing

3.3.6 固井

固井质量的好坏最终决定着钻井的成败,固井作业程序包括:洗井—注隔离液—注水泥浆液—替钻井液—套管试压—固水泥帽—侯凝—声波检测。

干热岩固井的关键技术在于高温下水泥浆固井液的稠化时间要满足固井作业时间要求,通常以水泥浆稠化度达到40BC时为极限可泵时间,因此水泥固井液配方应在模拟井内温度和压力的环境下进行实验,如果稠化时间短,则应加入一定比例的缓凝剂。

作业时间计算用下式:

T=T1+T2+T3

式中:T1为配置和注水泥浆时间,min;T2为开档销顶胶塞的时间,取1～3 min;T3为替钻井液(含碰压)时间,min。

一般水泥固井液选用普通硅酸盐水泥,充分搅拌,水灰比≤0.5,密度为1.90 g/cm3,每袋水泥配浆量为37.92 L,水泥浆液密度不宜低于1.85 g/cm3。

采用固井车连续作业,避免中途停止,管内注速不低于1.2 m/s,连续活动套管,每分钟2～3次,活动距离2～3 m。

整个固井过程要做到套管居中、井内环空液柱压力压稳、洗井液替净、套管和环空密封。

4 井控

井控的主要目的:一是防止干热岩钻进施工中发生高温水和水蒸气喷涌;二是为钻井改造提供保障;三是为干热岩井的后期商业开发和利用提供条件。

井控设备主要由井口防喷器组、防喷器控制系统、井控管汇、钻具内防喷工具和井控仪表组成。钻具内防喷工具包括止回阀、旋塞阀、旁通阀。

干热岩地层一般为上覆地层和花岗岩地层,可不考虑硫化氢危害(特殊地层除外),当表层套管和技术套管安装完成,固井水泥浆强度达到设计要求后,在套管上部安装连接法兰,固定防喷器。防喷器选用双闸板组合防喷器(图7)。

图7 双闸板组合防喷器[8]Fig.7 Double ram type composite preventer

井控设备安装完成后要进行压力测试,掌握套压和立压的变化情况,检查井控设备的运行状态,发生井喷要严格按照关井作业规定程序进行关井。井控操作人员要经过专业的培训和实战演练,工作人员要穿戴防高温工作服。

5 洗井

洗井的目的是将井内泥浆替出,对井壁泥皮进行清理。

完井后保持冲洗液的正常循环,逐渐调整降低注入泥浆比重,直至更换为清水,孔内返出清水为止。注入0.8%六偏磷酸钠溶液浸泡24 h,用清水冲孔或压风机进行空气洗井。

洗净结束后应及时下入筛管,确保井内畅通和安全。

6 钻井压裂改造技术

大体积压裂可以有效形成人工热储层,并人为造成热储层内裂隙的发育、网络的贯通。

通常注入井压裂采用清水、盐水或压裂液在进行大排量压裂时,高温岩体与冷水接触后突然冷却会产生裂隙,在大排量高压作用下,干热岩形成大的裂缝并不断延伸,随着低温水的不断注入,裂缝不断增加、扩大,并相互连通,最终形成一个人工干热岩热储构造。然后,在距注入井合理的位置处(600～900 m)钻一口或几口井(生产井),贯通人工热储构造,用来采出高温水、汽。生产时,注入水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换,产生温度高达150～300 ℃的高温高压水或水汽混合物,用于地热发电和综合利用。

为增加干热岩内裂隙和毛细管道的延伸长度,国外采用注入酸或碱的方法,溶解花岗岩中的方解石等成分,以扩大通道面积和范围。

作业现场要配备足够容量的蓄水池,压裂结束后,井内压裂液将返排出地表,或吸收足够的热量转化为水蒸气喷出,从而形成新的井喷。

近年来,随着国内页岩气开采技术的不断完善,钻井压裂改造技术也由引进到发展,当前,压裂设备和技术都能够满足钻井改造需要,并且已经形成了专门的研究机构和专业规范的施工作业团队。

7 结语

中国干热岩研究和勘探工作虽然起步不久,但是以国家绿色清洁能源开发战略作强大的后盾,由专业研究机构作为技术支撑,各项工作已经有计划有步骤地展开了。同时,也要清醒地认识到自身的不足,诸如技术基础和理论尚未突破,干热岩的成功应用示范还没有建立,钻井深度仅限于直井4 000 m以内,沉积地层干热岩的开发利用还没有开始等等。

中国干热岩分布广泛,储量巨大,未来的发展需要更多的能源作为支撑,无论在工业化还是民用领域都有良好的前景,同时这项工作也为广大地质工作者提供了更加广阔的舞台。

[1] 陆川,王贵玲.干热岩研究现状与展望[J].科技导报,2015,33(19):13-21.

[2] 刘志远.干热岩资源开发及深部热提取技术[J].科技导报,2015,33(19):3.

[3] 曾义金.干热岩热能开发技术进展与思考[J].石油钻探技术,2015,43(2):1-7.

[4] 冉恒谦,冯起赠.我国干热岩勘查的有关技术问题[J].探矿工程,2011(3):3-8.

[5] 汪集旸,龚宇烈,陆振能,等.从欧洲地热发展看我国地热开发利用问题[J].新能源进展,2013,1(1):1-6.

[6] 赵福森,张凯.青海贵德ZR1干热岩井钻进工艺研究[J].探矿工程,2016,43(2):18-23.

[7] 龙芝辉,张锦宏.钻井工程[M].北京:中国石化出版社,2012.

[8] 王新纯.钻井施工工艺技术[M].北京:石油工业出版社,2005.

(责任编辑：陈姣霞)

The Development and Key Drilling Technology of Hot Dry Rock in China

ZHANG Suobang1, SONG Hong2, CHEN Bing3, HAN Zhao2
(1.SeventhGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Yichang,Hubei443100; 2.HubeiExiGeologicalFoundationEngineeringCo.,LTD,Yichang,Hubei443100; 3.EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiangyang,Hubei441002)

Hot dry rock(HDR)is green clean energy which has huge research and development potential.According to the research progress of hot dry rock at home and abroad,the anthours clarified the importance of research work and the stage of HDR in China.in the meantime,the key drilling technology of HDR has been expounded systematically based on the great difference between HDR drilling technology and general geological drilling or hydrogeological drilling.

hot dry rock(HDR); enhanced geothermal systems(EGS); drilling technology; fracturing reformation technology

2016-05-17;改回日期:2016-07-20

张所邦(1966-),男,高级工程师,探矿工程专业,从事地质钻探工作。E-mail:570208054@qq.com

TD87

A

1671-1211(2017)02-0202-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.017

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0825.016.html 数字出版日期:2017-03-14 08:25