关于高温岩体地热钻井施工关键技术的探讨

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摘要：高温岩体地热钻井技术面对的最大的问题是（1）钻井对象较为坚硬（2）钻井环境高温高压（3）钻井深度较深。由此导致的问题是易于出现井漏现象、破岩的方式难于选择、卡钻粘钻现象等。针对这些问题的技术就是地热钻井过程中的关键技术，掌握这些关键技术对地热资源的开采极为重要。本文将从问题入手，就地热钻井施工中的关键技术进行探讨。

关键词：高温岩体；地热钻井；问题；关键技术；研究

一、地热钻井的意义

首先，从地热资源的特点来看，地热资源含量丰富，绿色无污染，可再生，相较于风能来说又具有较大稳定性，是十分具有优越性的能源。单就我国而言，我国的地热资源相当丰富，每年的浅层地热能的资源量相当于95亿吨标准煤，而当前每年可利用的量相当于是3.5亿吨标准煤，常规地热能的资源量相当于8530亿吨标准煤，现每年可利用相当于6.4亿吨标准煤。增强型地热能的资源量更相当于860万亿吨标准煤。

地热资源具有巨大的优越性，而目前用于开采地热资源的技术手段却是唯一的――地热钻井技术。因此，地热钻井技术的意义之重大不言而喻，如何针对钻井施工过程中的关键问题提出地热钻井的关键技术并不断将之完善就成了当前地热资源开采过程中至关重要的一个环节。本文将从地热钻井的特性和遇到的相关问题展开来研究地热钻井技术的关键技术。

二、地热钻井的特性

高温岩层地热钻井技术有其自身的特殊性，主要表现为三方面：

（1） 特殊的地质（硬度大）：地热钻井工程通常的施工对象是像花岗岩、片麻岩一样具有较大的硬度的岩层环境，因而在施工过程中岩层的可钻性极差，一般其单轴抗压强度在 200 MPa 以上，所以，如何在高温高压下破岩是钻井工程面临的第一个关键问题。

（2） 特殊的施工环境（温度高）：高温岩层钻井工程的环境温度一般在 250 ℃以上，但是一般认为发掘温度在 350 ℃以上的地热储层才能给开采公司带来较为明显的经济价值，也就是说钻井工程面临的通常是350摄氏度以上的温度 。

（3） 较深的钻井深度：地热钻井深度较大，一般在3000m以上，有时可以达到 10 000 m，这增加钻井的难度，无论在工艺上，还是设备上，要求都要有所提高

由于高温岩层地热钻井工程要面临上述高温高压以及较深的钻井深度的特殊施工特点。所以在技术上通常发生以下问题：

（1） 钻头的使用寿命问题：由于钻井的条件非常苛刻（高温高压且钻井深度大）；在高温状态下钻井，高温的井壁遇水时极易产生热破裂及井眼扩大，这样脱落下来的岩石很容易卡钻导致现象；泥浆的漏失同时容易导致埋钻现象等。这些因素通常导致钻头使用寿命大为缩短。

（2） 井漏现象比较严重：由于地热钻井面临的特殊地质，导致在钻井过程中极易发生井漏现象。

（3）如何掌握破岩技术：随着钻井深度的增加，温度会随之增加，从而使得岩石的性质有所改变，使得破岩的难度增加。

三、关键技术的探讨

（一）钻头使用寿命的延长

首先在钻头的选择上面，采用哪种型号的钻头在保证其钻井效果的同时又能保证其使用寿命是一个值得研究的问题，一般来说，复合片式金刚石钻井效果最好，但是使用寿命欠佳，因而如何提高其使用寿命是目前面临的一个关键技术。

其次在钻井工艺的提高上面，（1）要控制井内温度， 如配合使用泥浆冷却装置；（2）防喷器的配合使用以防止水及热蒸汽迅速喷涌造成岩石脱落；（3）钻井新技术的推广应用：如气举反循环钻进技术、空气与气体钻井技术；（4）围岩稳定性的控制：确定围岩的流变特性及流变机制，了解高温高压下钻井围岩变形破坏规律与失稳临界条件以便于在施工过程中防止埋钻卡钻现象。

（二）钻井液的设计及维护

钻井液主要作用是携带和悬浮岩屑、稳定井壁和平衡地层压力、冷却和钻头及传递水动力。高温岩层钻井工程中温度很高，因而对高温钻井液的要求也相对要高的多，除了要求它能保持井眼的稳定性和能够有效携带岩屑外，还必须具有良好的抗高温性能。因此在配置钻井液时要精确计算钻井液的密度，有效平衡地应力与热应力，同时要将高温滤失量控制在一定范围内，减小液体向井壁岩石的渗透从而保证证井壁的稳定性。

与此同时，在施工过程中要做好对钻井液性能的维护工作，钻井液密度的设计走低限以降低失水，保护产层。

（三）高温高压下破岩技术

钻井过程中采用的破岩技术主要为以下3种：

（1）冲击破岩技术：一般用于脆性坚硬岩石，被广泛应用于矿山开采、隧道掘进和国防建设等工程领域。但是在钻井过程中随着温度的增加，岩石的物理性质发生了变化，实践证明在高温情况下冲击破岩技术在速度上不具备优势。

（2）切削破岩技术：与冲击破岩技术相比，更加使用于高温下强度有所降低的岩层。

（3）冲击切削复合破岩技术：同时利用切削破岩和冲击凿岩 2 种方式达到破碎岩石的目的，能够有效提高钻井效率，降低成本。

三种破岩技术在不同的温度下具备各自的优势，因而高温地热钻井工程中要注意针对不同的温度环境选择合适的破岩技术。

四、 结束语

在地热资源的开采利用中，离不开地热井钻探技术，而了解和解决地热钻井技术中的关键问题，掌握地热开采过程中的关键技术是我们完成地热钻井工程的重要保证。上文我们评述了几种地热开采中的关键技术，像高温高压下的破岩技术、钻井液的设计技术和对钻头使用寿命的提高问题等。

当然，除此之外，还有许多问题有待于我们去解决，如地温空调用水井组的设计、钻井效率的提高、环境的保护和各种污染的防止等。

总而言之，地热钻井工程的成功离不开：（1）钻井设备的选择，（2）钻井参数的确定，（3）钻井工艺的设计及完善，（4）施工操作的规范等。

我们希望通过对钻井关键技术的研究能够有利于地热资源的开发，提高地热资源的利用率，相信未来地热资源在能源使用中占据的比例会越来越大，对人类的贡献也会越来越大。

参考文献：

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