高温地热发电钻井技术难点

 高温地热发电需要解决钻井超高温的钻井技术问题，世界钻井承包商协会（IADC）将150℃以上地层温度钻井称为高温钻井，将175℃以上地层温度钻井称为超高温钻井，将220℃以上地层温度钻井称为极高温钻井（图1），深层高温地热钻井的地层温度显然远高于极高温钻井。

 

  极高的地层温度以及地层可能大量产水给钻井技术带来了许多挑战。

 

  高温井控问题

 

  地热开发必须在能产出大量超高温度热水的地区钻井，才能获得高的发电能力。地层裂缝发育是这类地区的典型特点，钻井时往往要钻遇裂缝发育带，这种情况下高温热蒸汽会喷出。当发生井漏时，上部钻井液返出速度变慢，地层对循环流体加热作用增强，可能导致上部循环流体汽化喷出。而当发生地下热水涌向井筒的情况时，如果循环冷却液体量没有足够大，会导致循环流体汽化喷出。地下热蒸汽一旦喷出，不仅生产难以进行，还可能危及井队员工安全。

 

  高温钻井液问题

 

  常规钻井液中蒙脱石在150℃以上温度范围内，进入地层后会形成一种低标号的水泥，蒙脱石颗粒随时间增长继续固化，造成地层裂缝堵塞，完井后没有产水能力[5]。因此常规钻井液体系不适合于高温地热钻井。高温地热钻井时，由于不能使用蒙脱土，使携带岩屑、井筒降温等难度增大。

  高温固井与成井问题

 

  高温将导致埋入井内套管产生较大的热应力，同时管材强度下降，如图2所示（中国石油管材研究院）。对于固井施工来说，高温导致固井水泥的浆凝固时间难以控制，并可能导致固井失败。固井后，水泥石在高温的情况下强度持续衰退，随着生产的进行，套管不断产生热胀冷缩，伴随着管柱的震动，水泥会逐渐粉化。而套管也会在高温情况下产生强度衰退，使得套管难以达到设计的性能[6]，产生大量的套管损坏问题[7]。

 

  高温钻井工具、仪器问题

 

  由于聚晶金刚石（PDC）钻头切削齿还不能适应坚硬的火成岩地层，因此高温地热井钻井深部只能使用牙轮钻头。而牙轮钻头受密封件耐高温性能的影响，在超高温条件下寿命极低。钻井常用的工具仪器耐温也有限，常规螺杆等井下工具中橡胶件耐高温通常仅120℃，不适合使用于高温地热钻井的环境。

 

  高温井眼轨道测量与控制问题

 

  高效开发地热资源需要采用定向井技术，井眼轨道测量非常关键。轨道测量需要用到的随钻测量（MWD）等仪器的电子元件耐高温极限为175℃，这显然不适应干热岩钻井的需要。在泡沫钻井条件下，由于泡沫的隔热能力，采用单点测斜方式，可以满足测斜仪器下入与工作要求。但对于钻井液钻井可能就难以满足要求。

 

  高温条件下破岩效率问题

 

  由于高温地热钻井一般钻遇的都是极硬的火成岩，地层硬度级别高，面临可钻性差、对钻压敏感、没有足够钻压时钻速极慢的问题。目前，PDC钻头以及涡轮钻具配金刚石钻头在该类地层提速并没有取得突破，提高速度难度大。另外高温地层钻进时跳钻严重，对钻具损害大。