在研究高溫地熱井牙輪掉齒機理之前,先來看下高溫地熱井鉆井技術(shù)的發(fā)展及其常用的鉆井工藝,為高溫地熱井中牙輪掉齒因素分析提供依據(jù)。

 

  1904年,意大利人在拉德瑞羅地熱田建立世界上第一座地熱發(fā)電站,雖然功率較小,但是開辟了地熱發(fā)電的先河,到1916年意大利的地熱發(fā)電設(shè)備已達1.2><104KW。1973年第一次石油危機以后,世界上掀起了一股地熱發(fā)電熱,各國專家均參與到研究地熱資源的幵發(fā)技術(shù)中,并開展生產(chǎn)試驗研究。二十世紀中葉,美國俄亥俄州立大學教授CarlNielsen研發(fā)地源熱栗技術(shù)取得成功,使得地熱開采技術(shù)取得重大突破,1970年美國人Morton Smith最早提出高溫巖體地熱資源開發(fā)的設(shè)想,并開展驗證試驗。后來由于石油天然氣產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,地熱開發(fā)速度逐漸降低,然而2011年日本海喊引發(fā)的核泄漏問題,讓清潔能源重新回到大眾視線之內(nèi)。

 

  到2010年,美國地熱發(fā)電能力達到3093兆瓦,成為世界上最大的地熱發(fā)電生產(chǎn)國。

 

  美國是世界上地熱井鉆探技術(shù)最先進的國家[91,也擁有最多的地熱井鉆機制造商和承包商。據(jù)統(tǒng)計,1995-1999年美國共鉆進48 口地熱井,其中40 口井是低于100°C的地熱井。美國的地熱資源勘探主要釆用石油鉆井技術(shù)施工地熱井,近幾年在地熱勘探方面開發(fā)了系列技術(shù)及設(shè)備,包括硬地層破巖鉆頭、高溫測量、數(shù)據(jù)無限遙測、小口徑鉆井技術(shù),地熱鉆井研究等[“】。

 

  曰本利用地熱資源進行發(fā)電方面B有多年歷史,對于高溫地層的鉆進技術(shù)的研究也獲得很多成果["],著重對地熱井鉆頭的壽命問題開展實驗,并研制試驗臺進行相關(guān)鉆進及破碎的現(xiàn)場實驗和相關(guān)的性能實驗,強有力的推動了高溫地熱井鉆進技術(shù)的前進新西蘭在幵發(fā)6個地熱田過程中,最大鉆井深度3000m,其中泥裝液和水作為循環(huán)介質(zhì)僅在200m以內(nèi)的淺地層中使用,下部則全部采用空氣速鉆井技術(shù)。使用牙輪鉆頭鉆進一般硬度的地層,而采用金剛石鉆頭鉆進堅硬巖層。

 

  我國從上世紀90年代后期至今,幵始將石油鉆完井工藝與地熱開釆結(jié)合,優(yōu)選鉆頭和機械參數(shù)引進近平衡鉆井和完井液概念,有針對性的使用了細分散、不分散低固相聚合物泥衆(zhòng)、抗高溫泥裝,提高了鉆井效率,縮短了建井周期。中石油長城鉆探工程公司在肯尼亞OLKARIA地區(qū)經(jīng)過近3年的研究和實踐,研發(fā)了高溫定向鉆井、井筒降溫、鉆頭選型、空氣泡沫鉆井液等高溫地熱井鉆井技術(shù),現(xiàn)場應用取得了顯著效果.

 

  由于高溫地熱井獨特的地質(zhì)條件以及鉆進環(huán)境,使得常規(guī)鉆井技術(shù)在應用于高溫鉆井中遇到很多問題,比如地層嚴重漏失,鉆具磨損嚴重,卡鉆事故頻繁,鉆井速度慢,鉆井周期較長。為了適應高溫地熱井的工作要求,就必須改進常規(guī)石油鉆井技術(shù),使得所用的材料和設(shè)備,不僅需要滿足地質(zhì)條件要求,還能夠承受高達30(rc的高溫。通過多年的鉆井經(jīng)驗與研究,目前國內(nèi)外的高溫地熱井鉆井已經(jīng)形成了有別于常規(guī)鉆井的新技術(shù),這些技術(shù)在現(xiàn)場應用都得到了肯定,為高溫地熱井的深入勘探與幵發(fā)奠定基礎(chǔ)。

 

  (1)空氣泡沫鉆井液技術(shù)根據(jù)地熱井的特點,地熱井鉆井液必須具有以下兩個要求:泥菜密度較低,攜砂能力強;鉆井液和處理劑抗溫能力高1161,一般要求達到20(rc以上。為此,研發(fā)了空氣泡沫鉆井液:在清水中加入適量的發(fā)泡劑作為泡沫基液,并根據(jù)井深和地層漏失狀況在泡沫基液中充入一定量的空氣,保持泡沫質(zhì)量系數(shù)0.55左右。泡沫鉆井液的最大優(yōu)點是低密度、高點度。泡沫是由緊密而細小,且有堅固薄膜的氣泡組成"71,具有較強的表面點度和強度,因而具有良好的防漏堵漏作用和保持井眼清潔的作用。在形成泡沫的基液中由于高溫地熱井獨特的地質(zhì)條件以及鉆進環(huán)境,使得常規(guī)鉆井技術(shù)在應用于高溫鉆井中遇到很多問題,比如地層嚴重漏失,鉆具磨損嚴重,卡鉆事故頻繁,鉆井速度慢,鉆井周期較長"5】。為了適應高溫地熱井的工作要求,就必須改進常規(guī)石油鉆井技術(shù),使得所用的材料和設(shè)備,不僅需要滿足地質(zhì)條件要求,還能夠承受高達30(rc的高溫。通過多年的鉆井經(jīng)驗與研究,目前國內(nèi)外的高溫地熱井鉆井已經(jīng)形成了有別于常規(guī)鉆井的新技術(shù),這些技術(shù)在現(xiàn)場應用都得到了肯定,為高溫地熱井的深入勘探與幵發(fā)奠定基礎(chǔ)。

 

  (1)空氣泡沫鉆井液技術(shù)根據(jù)地熱井的特點,地熱井鉆井液必須具有以下兩個要求:泥菜密度較低,攜砂能力強;鉆井液和處理劑抗溫能力高1161,一般要求達到20(rc以上。為此,研發(fā)了空氣泡沫鉆井液:在清水中加入適量的發(fā)泡劑作為泡沫基液,并根據(jù)井深和地層漏失狀況在泡沫基液中充入一定量的空氣,保持泡沫質(zhì)量系數(shù)0.55左右。泡沫鉆井液的最大優(yōu)點是低密度、高點度。泡沫是由緊密而細小,且有堅固薄膜的氣泡組成"71,具有較強的表面點度和強度,因而具有良好的防漏堵漏作用和保持井眼清潔的作用。在形成泡沫的基液中加入高溫保護劑HT-1,能提高發(fā)泡劑的高溫能力,高溫極限從180 °C提高到240 °C,滿足了現(xiàn)場高溫施工的要求81。

 

  (2)鉆具防磨損技術(shù)在地熱鉆井過程中,井漏非常嚴重,鉆井液無法返回地面,鉆具磨損嚴重,為此,設(shè)計了專用的鉆桿保徑接頭、新型滾子扶正器等輔助鉆井工具,大大降低了鉆具的損壞程度。

 

  (3)井筒降溫盲鉆技術(shù)肯尼亞OLKARIA是一個火山噴發(fā)巖沉積的幵放性隆起構(gòu)造地區(qū),存在大量熔洞,鉆井液完全漏失1191,為此采用了井筒降溫盲鉆技術(shù),用清水加一定量的發(fā)泡劑代替鉆井液進行鉆井作業(yè)。在盲鉆過程中使用以下方法測試井眼是否需要清洗:剛幵始盲鉆時,先鉆3?4 m,上提鉆具,停止泡沫流體的注入,靜止5min左右,再次下入鉆具,測試井底是否有沉砂。如果沒有沉砂則開粟繼續(xù)往下鉆進;如果有沉砂,則當鉆頭接近井底時,開粟栗入高點度鉆井液清潔井眼,然后再進行井筒降溫盲鉆