高温油气工程技术在干热岩领域的适用性分析

2021-04-01曹继飞

西部探矿工程 2021年9期

曹继飞，盖瑜

(1.胜利石油工程公司钻井工艺研究院，山东东营257000；2.胜利油田勘探开发研究院，山东东营257000)

干热岩是指一种没有水或蒸汽（或是含少量水而不能流动）、埋藏于距地表3~10km的地层深处、温度150℃~650℃的热岩体。干热岩是一种特殊的地热资源，具有分布广泛、清洁环保、热能储量巨大的特点。我国3~10km深度干热岩地热资源总量相当于860×1012t标准煤，国家要求积极开展干热岩发电试验，建立2~3个干热岩勘查开发示范基地，形成相关技术序列、孵化相关企业、积累建设经验、条件成熟推广应用。

干热岩资源开发最早于1973年在美国芬顿山展开，美、法、德、日、澳等国家已建立了25个试验性质的增强型地热系统工程（欧洲15项、美国6项、澳大利亚2项、日本2项），但仍未实现规模化、商业化运行[1-3]。干热岩地层主要岩性为各种变质岩和结晶岩，与常规油气盆地的地层相比，岩石硬度大、抗压强度高、一般在200MPa以上，地层温度一般在150℃以上；干热岩开发过程中高温、坚硬地层给工程技术的应用提出较高的要求。近年来油气资源开发工程技术的逐渐向超深、高温地层发展，相关工程技术已相对成熟，因此研究探讨高温油气工程技术在干热岩领域的适用性，对于推动干热岩资源的开发具有重要意义。

1 我国干热岩资源分布现状

根据地壳结构和成因机制，我国干热岩资源主要分为高放射产热型、沉积盆地型、近代火山型及强烈构造带型四种。

（1）高放射产热型干热岩。我国东南沿海地区分布着诸多中生代的酸性花岗岩，这类地层具有高放射性产热的特点，如果盖层条件良好，则可能发育干热岩储热构造。当前以广东、江西、海南及福建等地区的资源分布较多，这类资源的形成和分布与法国的苏尔士盆地、大洋洲的库珀盆地类似，具有较好的开发价值。

（2）沉积型干热岩资源。沉积型干热岩的形成与油气资源较为类似，其主要的储热层分布在下部地层，且上部有较好的基岩盖层，能够有效阻止热量的散失。这类干热岩资源的地表热值不高，但下部基岩体覆盖的热储层温度可以达到150℃以上，且通常与水热型的资源共存，目前主要分布在我国的陕西、东北、青海部分地区。

（3）近代火山型干热岩。近代火山型干热岩主要与火山活动有关，在形成过程中底部有岩浆的作用，从而形成了良好的储热构造。目前世界上多个干热岩试验开发区都属于这类资源。我国的云南、东北长白山等地广泛分布着近代火山型干热岩，其在地表具有显著的水热现象。

（4）强烈构造带型干热岩。我国青藏高原由于受到亚欧板块和印度洋板块的共同作用，其挤压、抬升现象明显，形成了诸多的强烈构造断裂带。断裂带形成过程中受地质运动、底部岩浆作用的影响，发育良好的热储层，部分甚至埋藏在较浅的地层，如已投入开发的羊八井构造。

2 干热岩资源开发工程技术需求

干热岩资源的开发目前有两井模式、三井模式、五井模式等，其主要原理是基于增强型地热系统概念；在区块热资源开发方案的制定过程中，部署注入井和开采井，通过对注入井热储地层的改造形成较为良好的水流动通道，然后封闭井筒注入低温水，低温水经过热储层的热量交换后从开采井中抽出进行发电和综合利用等。从干热岩开发的原理来看，其关键是建立井筒通道和热储构造，对工程技术的需求主要包括钻井、完井、测录井及压裂技术等[4-7]。

2017年，我国青海共和盆地实施的GR1干热岩勘探孔，在地下3705m处探获温度达236℃的干热岩，是我国首次发现200℃以上大规模可利用干热岩资源。但从前期钻探情况来看存在着诸多技术难题，如机械钻速小于2m/h，钻头损耗大、抗高温钻井液、水泥浆用量大、成本高；热应力—天然裂缝—注入水耦合下裂缝的扩展机制不明确，裂缝连通效果差，难以预测裂缝空间展布，因此开展高温油气工程技术在干热岩领域的使用性分析尤为迫切。

3 高温油气工程技术在干热岩领域的适用性

由于钻探目的不同，干热岩井与油气井在钻探设备的选择、井身结构、完井方式等方面存在着较大的差异。针对干热岩开发工程技术需求及技术难点，对已有成熟的高温油气工程技术进行适用性评价，以推动干热岩资源的开发[8-10]。

3.1 复杂结构井技术适用性评价

复杂结构井技术在石油天然气行业的发展较为迅速，从最初的定向井、水平井发展到大型丛式井组、大位移井、长水平段水平井；随着配套工具、仪器尤其是旋转导向系统的发展和进步，复杂结构井技术越来越成熟。与干热岩钻井相比，石油行业复杂结构井技术的要求更为严格，其对轨迹、靶点等井筒质量要求较高。干热岩开发钻井对复杂结构井技术的需求主要表现为常规定向井、连通井等，其井眼轨道的设计、轨迹控制方法与石油钻井一致，如何实现低成本复杂结构井技术的应用较为关键。

3.2 随钻测控技术适用性评价

当前高温油气随钻测控技术已经能够满足175℃以下地层的钻进，国外如斯伦贝谢、哈里伯顿等多家油服公司研发的200℃高温仪器还未在现场推广应用。由于干热岩开发过程中需要使用定向井、连通井等多种井型，尤其是连通井在钻进后期连通、对接过程中需要长时间保证仪器处于可靠状态，特高温条件下现有仪器的密封件和电子元件损坏的几率较高。

从经济性方面来看，目前油气高温随钻测控仪器的使用价格特别高，在干热岩开发中使用的经济性还有待验证，现场实施过程中可使用MWD仪器完成上部井段的调控，在高温井段使用电子多点投测的方式满足轨迹测控的要求。

3.3 钻井液技术适用性评价

抗高温钻井液方面，国外普遍采用耐高温水基、泡沫钻井液钻进，应用最高温度371℃。国内西南石油工程公司、成都理工大学研制了一种抗温260℃的水基钻井液，通过高温护胶剂、配合高温降滤失剂和封堵剂等提高抗温性能。中石油长城钻探公司根据肯尼亚高温地热井地层特点，研发了抗高温泡沫钻井液（耐温300℃）；中石化泡沫钻井技术在鄂尔多斯大牛地、川东北、新疆探区等多个地区应用，其中HF203井的泡沫钻进井段最长、元坝22井创国内气体泡沫钻井日进尺及日均钻速最高纪录。总体来看目前干热岩钻井过程中钻井液体系的选择和使用可以参考油气行业，但由于其低成本要求在处理剂选用上应和油气行业进行区别。

3.4 固完井技术适用性评价

干热岩的热储层为变质岩，常用裸眼完井的方式，但是技术套管的固井质量直接关系到后期生产井的使用寿命。目前油气行业高温固完井方面，哈里伯顿公司研发的高温缓凝剂与硼酸复配，适用温度达到316℃；斯伦贝谢公司研发的缓凝剂适用温度达到232℃，高温降失水剂适用温度达到260℃。国内方面，中石油研发的抗高温外加剂及水泥浆体系耐温200℃；中石化研发的抗高温水泥浆体系耐温220℃，在南方海相、新疆探区成功应用。总的来看，抗高温水泥浆是实现干热岩井筒完整的重要保证，现用工作液体系中部分重要的处理剂还需进口，要实现干热岩的低成本高效开发，必须要进行水泥浆体系的优化改进。

3.5 油气破岩工具适用性评价

干热岩开发过程中极为坚硬、高温地层对破岩工具的要求较高，常规钻头及工具的使用寿命和使用效果都会受到限制。目前国内外钻头研发公司研制了多款超硬地层钻头，如贝克休斯公司开发的先锋高温牙轮钻头、史密斯公司开发的Kaldera牙轮钻头在国外高温地热井中得到应用；ReedHycalog公司的超硬热稳定PDC钻头可钻穿抗压强度280MPa的硬地层，但在高温环境下的性能还有待应用论证。国内方面，已具备了完善的牙轮钻头、PDC钻头及孕镶钻头研发及生产体系，但高温地热现场应用仍以牙轮钻头为主，孕镶钻头因其价格较高难以推广应用。总体来看，在干热岩超硬高温地层钻进过程中可以选用当前高温油气破岩先进钻头。

高效破岩辅助工具方面，近年来改进应用的旋冲工具、扭冲工具等因其无橡胶部件、纯机械结构，因此可以用于高温环境，通过优选、优配钻头，可大幅度提高钻速和进尺。

3.6 石油测录井技术适用性评价

干热岩领域测录井和油气领域测录井过程相似，但由于井身结构、完井方式、井场环境等方面存在着一些差异，测录井设备趋向体积小、重量轻、配置灵活，将电脑、采集系统、绞车控制器三合一体，使之更集成化，人性化。油气测井中典型的高温五参数吸汽剖面测试技术是根据稠油注汽井监测特点开发的一项高温测试技术，主要用于测量稠油注汽井管柱及油层任意点的蒸汽温度、压力、流量等参数，该技术可以用于干热岩开发测试。

3.7 石油增产技术适用性评价

干热岩开发主要选择有天然裂缝，相对容易形成体积裂缝的地层。水力压裂已经是干热岩资源开发的一项重要技术措施。压裂液起着携带支撑剂、传递地面压力以及产生新生裂缝的作用；当前油气行业对压裂液抗温能力的要求日益提高，已开发出240℃压裂液体系。从工艺技术上来看干热岩开发目前主要采用清水压裂，根据不同地质情况和钻完井情况可选择酸化解堵来降低地面施工压力、盐加重提高压裂液静水柱压力等辅助工艺措施。

总的来看，高温油气工程技术在干热岩开发中具有较强适用性，但应用成本相对较高，有待进一步优化以满足干热岩低成本开发的要求。先进钻井技术如高温碎裂钻井技术、激光钻井技术、等离子钻井技术和化学腐蚀钻井技术等还处于研发阶段，没有进行商业应用；其中任何一种技术开发成功，都能够引起干热岩钻井实践的重大变化，大幅度降低钻井成本。