深部地热能钻探施工若干问题的探讨

朱恒银，王强，刘兵

（安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽六安 237010）

0 引言

我国已进入了新的历史时期，地质勘探行业也发生了战略性的改变，国土自然资源系统针对行业特点提出了“三深一土”科技发展战略，地质勘探已从较单一的地质找矿向更广泛的自然资源和生态、绿色环保地质领域方向发展。尤其在新型能源勘探利用方面（如页岩气、干热岩、深层地热、煤层气、天然气水合物等）逐渐成为社会关注的焦点。国家十分重视，投入较大。钻探是地下新型能源的勘探与开发不可或缺的科学技术手段。因此，这给我们地质勘探行业带来了新的机遇。下面就深部地热能开发钻探施工方面的若干问题浅谈几点认识，供同仁们参考。

1 机遇与挑战浅析

1.1 深部地热能开发机遇与愿景

1.1.1 地热能资源储量丰富

地热能是一种新型清洁能源，在当今人们的环保意识日渐增强和石油、天然气、煤炭等化石能源可采储量减少且日趋紧缺的情况下，对地热资源的合理开发利用已愈来愈受人们的青睐。我国是地热资源相对丰富的国家，地热资源总量约占全球7.9%，可采储量相当于4626.5×108t标准煤。全国地热可采资源量为每年68×108m3，年产出热量约为5×104MWh。在地热利用规模上，近年来位居世界首位，并以每年10%的速度稳步增长，世界各国年产出热量比较如图1所示。

图1 世界各国年产出热量比较图Figure 1.Comparison of annual heat production among countries in the world

1.1.2 地热能资源分布广泛

图2 地热资源分布图Figure 2.Distribution map of geothermal resources

根据目前已探明的地热资源储备以及区域分布特点来看，我国中高温地热资源主要分布在西部及西南部地区（如藏、青、滇、川西等地）；中低温地热资源主要分布在华北、东北以及东部和东南沿海地区，如图2所示。我国近年来，同时加大了干热岩型地热资源的调查，如青海、广东、福建、山东和辽宁等地均发现了干热岩地热资源。

1.1.3 地热能的开发利用

地热能资源根据温度高低分为：高温地热、中温地热和低温地热。地热资源温度分级如表1所示。

表1 地热资源温度分级表Table 1 Temperature classification table of geothermal resources

根据地热能的温度高低进行合理的利用，主要有以下领域的应用：

（1）高、中温地热能：用于发电、烘干、工业制造方面利用。

图3 西藏羊八井地热电站Figure 3.The geothermal power station in Yangbajin，Tibet

图4 地热烘干海藻Figure 4.Geothermal drying of seaweed

（2）低温地热能：用于采暖、制冷、洗浴、医疗、温室培育、农业灌溉、养殖、种植等。

图5 地热供暖示意图Figure 5.Geothermal heating schematic

图6 地热洗浴Figure 6.Geothermal bath

图7 地热养殖Figure 7.Geothermal Breeding

图8 地热种植Figure 8.Geothermal planting

1.1.4 地热能的开发拉动了地勘业的发展

地热能是一种新型清洁、可再生能源，可降低大气层二氧化碳的排放，减少雾霾，对改善环境、减少污染具有重要的社会、经济意义和广阔的发展前景。“十三五”期间，据有关资料报道，国家在京津冀地区将投入数千亿元资金开发地热能，在西部及北部其他省份投资力度也逐年增大。众所周知，深部地热能的勘探开发是靠钻探工程来实现的，所以，深部地热能的开发给地勘行业也带来了新的机遇。

1.2 深部地热能勘探开发面临着众多挑战

深部地热能勘探开发虽给我们地勘行业带来了良好的机遇，但又面临着新的众多挑战，主要有以下几个方面：

1.2.1 市场的竞争对象的改变

国务院已取消了地质勘探行业的相关资质，去掉了行业的准入门槛，削弱了国有地勘单位的资质优势，这就意味着个体及民营企业均可进入地勘竞争市场。同时，石油勘探系统也纷纷进入地热能勘探市场。在这种形势下，地勘市场竞争对象有了较大变化，加剧了地勘深井钻探市场竞争的残酷性和激烈性。另外，地勘单位在大直径深井施工业绩方面较少，也给进入该市场竞争增加了难度。

1.2.2 钻探设备能力和功能的改变

地勘单位原有的“小而轻”的地质岩心钻探设备已不能满足深部地热钻探“大而深”的设备需求。

1.2.3 技术与人才结构需求的改变

由于新时代赋予地勘行业的新使命、新任务，现有的地勘单位技术人员知识面及专业结构不适应新形势的需求，例如，大直径深井钻探施工经验少，对新型的机械化、智能化程度较高的钻探设备操作不熟练，缺乏大型的装备现场安装、电路、电器、自动化操作控制系统的调试、故障排除与维修等专业技术人员和工匠，与石油勘探系统相比有较大差距，尤其大直径深井钻探专业技术结构（如机械、工艺、钻井液、事故预防与分析、固井等）配置不规范，缺少人才。

1.2.4 现场管理方法模式的改变

大直径深井地热钻探施工，钻孔深度一般均大于2000m，甚至达到5000m以深，单井施工费用可达数百万元至数千万元，钻探的工作内容与地质找矿钻孔相比有较大区别，钻探施工风险增大。所以地勘单位以往粗放型、以包代管的现场管理方法、模式已不适应大直径深井地热钻探施工需求。

总之，深部地热能资源勘探还面临着诸多方面难题，需要进一步探索与研究。

2 钻探关键设备的选择及优化配置

深部地热能资源钻探主要是以“深、大、尖”（即钻孔深、口径大、设备技术精良）为特色。钻探设备是保证钻孔施工的必要条件，如何优化选择和配置深部钻探设备是直接影响钻探质量、安全、效率及工艺方法的重要因素。

2.1 关键设备的选择原则

钻探设备通常是指钻机、泥浆泵、钻塔（井架）、泥浆固控四大系统，如图9所示。

图9 钻探设备四大系统Figure 9.four major systems of drilling equipment

根据深部地热能资源钻探特点，对钻探关键设备的选择基本原则有以下几点：

2.1.1 钻机的选择

大直径深井钻探钻机选择应提倡“大马拉小车”的理念。钻机能力在满足相应井深、井径的前提下，必须留有余地。钻机的提升能力和扭矩应增加1.3～1.5 倍，不提倡“小马拉大车”超负荷来创造井深纪录的做法。避免钻进过程中井内发生异常时，因钻机能力不足，无法及时处理而造成井内重大事故。

钻机的类型优先选择大通径（φ≥500mm）转盘钻机或转盘+顶驱钻机。钻机要求有较宽的调速范围、钻机参数显示和安全控制系统。

2.1.2 泥浆泵的选择

泥浆泵的选择应根据钻井深度，环状间隙（井径和钻具级配）、冲洗液上返流速等要素来确定。同时也要考虑施工中采用的工艺方法，如潜孔锤钻进、孔底液动马达（螺杆钻、涡轮钻）钻进等对泥浆泵的特殊要求。深部地热钻探多采用高压力、大排量钻进工艺，以提高上返流速和有效携带岩屑。一般选择流量在1000～2000L/min 变量范围，额定泵压：3000m 以内井深应大于20MPa，5000m 以内井深应大于35MPa 的泥浆泵。钻进冲洗液上返流速应大于0.4m/s。

2.1.3 钻塔的选择

深部地热勘探目前钻塔类型主要有：A 型、K 型、KZ型三种，如图10所示。A型钻塔一般适应于3000m以浅钻井，3000m以深钻井需选择K型、KZ型钻塔，钻塔基本参数选择如表2所示。

图10 三种类型的钻塔Figure 10.three types of drilling towers

表2 深部地热勘探钻塔基本参数选择表Table 2 Selection of basic parameters of drilling Tower for Deep Geothermal Exploration

钻塔的配套设备（如：天车、游动滑车、大钩、吊环、吊钳等）承载能力应与钻塔额定负荷相匹配。

2.1.4 泥浆固相控制系统的选择

深部地热勘探井口径大，一般采用局部取心和全面钻进，岩屑量大，对泥浆性能要求和有害固相含量控制和净化较严格，钻探泥浆性能的优劣是钻井施工成败的关键。

图11 整体组装式泥浆固控系统Figure 11.Integral assembly mud solid control system

泥浆固控系统配套设备主要有：振动筛、旋流除砂器、除泥器、离心机等。泥浆固控系统有：整体组装式和模块组合式（如图11 和图12 所示）。井深3000m以浅的钻井，建议选择模块组合式较方便，易搬迁、造价低。井深大于3000m 的钻井，有条件的单位，可选择整体组装式。固控系统处理能力应根据泥浆泵输送排量而选择。

图12 模块组合式泥浆固控系统Figure 12.Modular combined mud solid control system

泥浆固控循环系统作业流程，如图13所示。

图13 泥浆循环及固控系统示意图Figure 13.Schematic diagram of mud circulation and solid control system

2.1.5 关键附属设备

深部地热能勘探施工设备除上述四大件外，钻杆拧卸和井口防喷设备是不可缺少的关键附属设备。

钻杆拧卸设备：一般选用液气拧管钳，拧管扭矩最大为100kN·m，适应拧管直径范围，即可满足日常地热钻探拧管要求。

井口防喷设备：根据井深、含气、液层压力、井口套管和钻杆（或主杆）直径等因素，选择井口防喷器的规格。防喷器压力级别共五级，即14MPa、21MPa、35MPa、70MPa、105MPa。防喷器作业方式有手动式和自动液压式两种，如图14 所示。中低温地热钻探，一般可以选择14～21MPa 手动作业防喷器；高温地热钻探应选择35MPa以上的自动液压式防喷器。

图14 闸板防喷器Figure 14.Gate blowout preventer

2.2 关键设备优化配置

深部地热勘探钻探设备一次性投入较大，一般需要千万元以上，所以设备的优化配置很重要。应以“满足施工需要、功能先进适用、配置合理、利用率高”为原则，主要从以下几方面考虑：

2.2.1 设备功能的先进性

深部地热钻探设备投入大，在购置设备时须慎重，在设备选型上要有前瞻性，机械化、自动化、智能化程度相对要高，能保持在一定年限内的先进性，不会淘汰。设备配置尽量考虑能满足多工艺钻进方法的需要。

2.2.2 设备主件具有模块化结构形式

设备模块化结构，可便于拆卸搬迁，设备主件可以互换与组合。如钻机升降系统有互换性，能调节升降能力；钻进驱动形式（转盘、顶驱和转盘+顶驱），可根据施工需要进行选择及配置。

2.2.3 钻塔优选直升及高度可调试

钻塔配置要考虑场地的局限性，宜优选液压直升式结构，塔高根据设计井深安装时可调节，如设计3000m 井深，塔高可调节为27m；大于3000m 井深，塔高可调节为31m 或41m。塔座高亦可配置2～3 层可调式，如分别为2m、3m、4m 层高单件，根据需要进行组合。

2.2.4 钻探设备优选电动直驱式

钻探主要设备驱动应优选交流或直流变频电机直接驱动，以减少电能消耗，便于设备自动控制及工作参数信息采集。

3 钻探工艺技术拓展创新

深部地热钻探钻进不同于地质岩心钻探，其特点是：钻井深、口径大、地温高、地层多变、钻井结构复杂、工艺流程繁琐。如何提高钻探效率和质量，实现安全钻进，是钻探技术探索和研究永恒的主题。下面就地热钻探工艺拓展与创新方面略谈几点认识。

3.1 钻进技术方法

3.1.1 采用多工艺钻进技术

改变单一常规的回转钻进方法，在同一钻井，不同地层及井段选择不同的钻进工艺技术，如浅井段（1000m以浅）较软地层及超大口径中，可采用全孔反循环或者潜孔锤+回转同径钻进，以减少扩井工序，提高钻进效率，降低井斜率。

3.1.2 应用液动孔底马达钻进技术

利用地热钻探口径大的条件，应用液动孔底马达（螺杆钻、涡轮钻）钻进技术，尤其在3000m 以深的钻井中钻进，优势更为突出，可降低钻机动力消耗和地表噪音，钻杆柱不回转，钻杆磨损少，避免井内断钻杆事故。

3.1.3 拓展绳索取心技术的应用

图15 大直径孔底加压绳索取心钻具Figure 15.Pressure rope coring drilling tool at the bottom of a large diameter hole

深井地热钻探是以无岩心全面钻进为主，一般情况下，只要求间断取心或目的层连续取心，钻井取心率只占钻进工作量的5%～10%之间。大口径深井钻探，虽然取心工作量少，但取心难度大，3000m井深每取一回次岩心一般需要2～3个台班，提下钻劳动强度大，工作效率低。目前小口径地质岩心钻探绳索取心技术已应用十分广泛。可是在大口径中绳索取心技术尚不成熟，处于摸索研究阶段。安徽省地质矿产勘查局313 地质队研发出深井大口径（φ152mm～φ 216mm）系列绳索取心钻具，如图15 所示示（图(a)、(b)实质是一整体，图(b)的右端与图(a)左端是相连的），成功地在页岩气参数井中应用，取得了良好的效果。研发了φ216mm以上口径的绳索取心和全面钻进孔底互换钻具，可应用于深井大口径钻探中，为不提钻井内间断取心和全面钻进互换技术提供了一种新方法。

3.2 钻探泥浆技术

常言道：泥浆是钻探的“血液”，说明泥浆技术在钻探中的重要性。深部地热钻探由于在高温、高压条件下钻进，往往使泥浆中的各种组分发生降解，处理剂失去原有作用功能，导致泥浆絮凝、固化、胶体率和粘度下降，滤失量增大，流变性丧失。如何保持泥浆性能，满足地热钻探要求，应加强以下几个方面研究和新技术的推广应用。

3.2.1 优选研发耐高温、低污染泥浆材料

推广使用凹凸棒土、海泡石等耐高温材料替代普通黏土粉；优选腐殖酸类、聚丙烯酸类、磺化多元共聚物类、水解聚丙腈铵盐类等作为泥浆处理剂。这些处理剂抗温能力可达200℃以上且具有无毒性，对环境污染小的优点。要进一步研发大于300℃以上的泥浆材料。

3.2.2 推广应用压力平衡钻探技术

在中低温地热井钻探中，推广低密度（0.0012～0.85g/cm3）欠平衡压力钻进技术，如采用空气、泡沫泥浆、充气泥浆等来进行钻进。该方法具有可减少泥浆对含水储热层的封闭作用，有利于增加地下流体产能，提高钻进效率，缩短后期洗井时间等优点。

在高温地热井钻探中，推广应用高密度、耐高温泥浆技术，平衡高温情况下气体和地层压力，以防止井喷和保持井壁的稳定性。

3.3 地热开采井增产技术方法

深部地热开采井日产热能量，是衡量成井质量与成果的重要指标。增加地热能开采产量，目前主要应用技术有：水力压裂，多分支及水平对接，地下水回灌等技术。

上述技术其原理主要是在开发井中的地热能含水层位、高温储热层位（干热岩段）中，用人工强制措施以扩大采热地层断面；疏通松散、破碎带层位裂隙通道；补给地下水热交换水源，保持原有地下水位等；以增加开采井的产量。

4 结束语

深部地热能资源勘探开发是国家战略，对于地勘行业而言，机遇与挑战并存。我们必须正视存在的问题和困难，在新的历史时期，应加速技术人才的培养与交流；调整专业技术结构；开展大直径深部钻探关键技术创新；积极推广应用新技术、新方法；提高设备自动化、智能化水平和施工能力；强化规范施工管理，提高综合管理人员管理素质和水平。抓住机遇，迎接挑战，强力推动深部地热钻探技术的快速发展。