高溫巖體地熱鉆井施工關(guān)鍵技術(shù)研究

  地熱作為綠色、可再生資源，被世界各國確定為維系社會(huì )可持續發(fā)展的新“綠色能源”，在地熱豐富的國家已經(jīng)得到較好的開(kāi)發(fā)和利用。地熱資源可分為2 種類(lèi)型：天然熱水資源和高溫巖體地熱資源。高溫巖體地熱(HDR)是指溫度大于200 ℃的巖體中蘊藏的地熱資源，可以經(jīng)過(guò)人工開(kāi)采，從巖體中直接提取出熱水蒸氣而直接用于發(fā)電和熱水利用，是可再生的“綠色能源”。我國具有豐富的高溫巖體地熱資源，如西藏羊八井地區、云南騰沖地區、海南瓊北地區、臺灣及東南沿海地區、長(cháng)白山天池等地區。地熱資源的開(kāi)發(fā)利用對改善我國能源結構，保證能源安全具有重大戰略意義。

 

  高溫巖體地熱資源開(kāi)發(fā)的設想最早由美國人Morton Smith 領(lǐng)導的洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室的科學(xué)家小組于1970 年提出，基本思路為：將一個(gè)鉆孔鉆入高溫巖體，然后形成裂縫，再將另一個(gè)鉆孔鉆入裂縫，進(jìn)而從一個(gè)鉆孔注水，經(jīng)過(guò)裂隙加熱，從另一個(gè)鉆孔排出，用于發(fā)電或熱水利用。

 

  溫高壓條件下鉆井施工技術(shù)，即深鉆施工。目前，鉆井仍是勘探與開(kāi)發(fā)地熱資源的唯一手段。因此，深入細致地研究高溫高應力下的鉆井施工技術(shù)，對于人類(lèi)探索地球，開(kāi)發(fā)地球深部的能源與資源具有重要的科學(xué)與工程意義。

 

  2 高溫巖體地熱深鉆施工關(guān)鍵技術(shù)

 

  高溫巖體地熱鉆井施工與其他油氣鉆井施工有著(zhù)本質(zhì)的區別，其具有以下特點(diǎn)：(1) 高溫巖體地熱井的施工對象是火成巖或變質(zhì)巖，如花崗巖、片麻巖等，硬度較大，可鉆性極差，單軸抗壓強度一般在200 MPa 以上。高溫高壓下破巖技術(shù)有待提高。(2) 施工巖層的環(huán)境溫度較高，一般在250 ℃以上。國外普遍認為，溫度在350 ℃以上的地熱儲層，開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟性才較為明顯，日本曾鉆至500 ℃的高溫巖體地層。(3) 鉆井深度較大，一般為3 000～6000 m，有時(shí)達10 000 m。鉆井深度的增加，對鉆井工藝和設備提出了新的要求。(4) 井壁圍巖穩定性較差。由于在高溫高壓且深度較大的巖體中施工，鉆進(jìn)過(guò)程中高溫狀態(tài)井壁圍巖遇水極易產(chǎn)生熱破裂及井眼擴大，脫落下來(lái)的巖石極易造成卡鉆現象。投入運行后，鉆井圍巖發(fā)生流變變形，易造成“縮頸”，擠碎套管等現象。(5) 井漏現象比較嚴重，如西藏羊八井ZK201 井孔在鉆進(jìn)施工中，由于鉆經(jīng)的地層復雜，巖石堅硬，但裂縫、裂隙相當發(fā)育，斷層也比較多，鉆進(jìn)時(shí)，從井深十幾米幾乎一直漏到井底。

 

  同時(shí)，需要對高溫高壓下高強度巖體破碎理論與鉆井液技術(shù)開(kāi)展基礎研究。

 

  可見(jiàn)，保證高溫巖體地熱開(kāi)發(fā)深鉆施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)為：(1) 高溫巖體地熱開(kāi)采中鉆井圍巖的穩定性控制技術(shù)；(2) 高溫高壓下破巖技術(shù)；(3) 高溫高壓鉆井液技術(shù)。

 

  3 高溫巖體地熱開(kāi)采中鉆井圍巖的穩定性控制技術(shù)3.1 高溫巖體地熱開(kāi)采中鉆井圍巖失穩主要因素高溫巖體地熱深鉆施工過(guò)程中或鉆井投入使用后，其井壁圍巖的穩定性受到多種因素的影響，即溫度場(chǎng)–滲流場(chǎng)–應力場(chǎng)多場(chǎng)耦合作用下，鉆井圍巖的穩定性受到溫度、滲透壓力及原巖應力等多種因素的影響。因此，需要從傳熱學(xué)、滲流力學(xué)、熱彈性力學(xué)、流變力學(xué)以及高溫高壓巖體力學(xué)出發(fā)，考慮溫度和水的滲透作用下巖體力學(xué)特性，以認識井壁圍巖失穩的主要因素。進(jìn)而研究注水井、生產(chǎn)井及其兩者之間巖體，即鉆井所在區域圍巖系統的溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應力場(chǎng)、位移場(chǎng)的變化規律，為高溫巖體鉆井圍巖在施工過(guò)程中及鉆井建成投入使用后井壁圍巖的穩定性提供理論支持，找到合適的圍巖加固技術(shù)，提高鉆井圍巖的穩定性。

 

  (1) 鉆井施工過(guò)程中鉆進(jìn)階段及裸井階段

 

  B. Haimson 等[5-6]的研究結果顯示，井壁圍巖失穩現象大部分發(fā)生在鉆井施工鉆進(jìn)過(guò)程及裸井階段。井孔的失穩造成的損失最為嚴重，主要有2 個(gè)方面的原因：

 

  ① 高溫遇鉆井液后井壁圍巖力學(xué)特性的變化

 

  由圖2[7-8]可知，花崗巖在遇到鉆井液或泥漿后，由于溫度迅速降低，井壁圍巖發(fā)生物理化學(xué)變化，力學(xué)特性發(fā)生變化。對比圖2[7-8]各全應力–應變曲線(xiàn)表明，600 ℃高溫狀態(tài)花崗巖遇水冷卻處理對其峰值應力、峰值應變、單軸抗壓強度及其抗拉強度有很大影響。單軸抗壓強度c σ 隨溫度T 的變化規律為σ c =149.31exp(?0.002 1T)；彈性模量E 隨溫度的升高呈負對數規律減小，其變化關(guān)系為E = ?3.228lnT +24.09 ；抗拉強度tσ 隨溫度的變化規律為tσ =18.123exp(?0.002 5T)。由于高溫狀態(tài)下花崗巖遇水產(chǎn)生熱沖擊作用，巖體內產(chǎn)生熱破裂現象，力學(xué)性能劣化，彈性模量、抗壓強度、抗拉強度隨溫度的升高而成減小的趨勢。

 

  ② 鉆進(jìn)過(guò)程中井壁圍巖的熱破裂現象

 

  筆者所在課題組進(jìn)行高溫巖體破巖機制試驗研

 

  究時(shí)取得的照片如圖3[9-10]所示，根據我國高溫巖體地熱開(kāi)發(fā)鉆井施工實(shí)際情況，利用水來(lái)進(jìn)行排渣，將巖體加載到4 000 m 埋深應力狀態(tài)(即100MPa)，然后以3～5 ℃/h 的升溫速度使巖體溫度逐漸升到500 ℃，保溫4 h 以上，進(jìn)行打鉆試驗。由圖3[9-10]可知，花崗巖中鉆井圍巖破裂現象明顯，形成很多裂縫，孔周?chē)鷰r石強度降低，形成塌孔現象。在鉆進(jìn)過(guò)程中，由于水、溫度及應力的共同作用，尤其是水的作用，鉆井圍巖產(chǎn)生熱破裂現象，使鉆井圍巖發(fā)生失穩。

 

  因此，高溫巖體地熱開(kāi)發(fā)深鉆施工中，由于鉆井液及鉆井泥漿的使用，在鉆進(jìn)過(guò)程中井壁圍巖極易產(chǎn)生熱破裂，從孔壁掉落下來(lái)，造成卡鉆，甚至造成鉆井圍巖失穩。

 

  (2) 鉆井建成投入使用階段

 

  高溫巖體裸眼井建成后，立即下套管防止井壁坍塌，然后在鉆井圍巖與套管之間注入耐高溫水泥漿進(jìn)行固井，并運用巨型水力壓裂法建造人工儲留層，隨后高溫巖體地熱井便投入使用，井孔結構受力示意圖如圖4 所示。

 

  高溫巖體地熱井建成投入使用后，在溫度場(chǎng)–滲流場(chǎng)–應力場(chǎng)耦合作用下，井壁圍巖系統隨時(shí)間發(fā)生流變變形，井孔直徑逐漸縮小，擠壓套管，很容易將套管擠毀或形成“縮頸”現象，這是鉆井建成投入使用后井壁圍巖失穩的主要因素。

 

  3.2 高溫高壓下鉆井圍巖流變特性

 

  為深入研究高溫高壓下鉆井圍巖的流變特性及流變機制，以指導高溫巖體地熱開(kāi)采中鉆井圍巖的穩定性維護及鉆井過(guò)程中卡鉆、擠毀套管等問(wèn)題，確定鉆井圍巖的變形破壞規律和穩定性準則，郤保平等[13]進(jìn)行了高溫高壓下花崗巖中鉆井穩定性試驗研究。

 

  (1) 不同埋深壓力下鉆井圍巖蠕變率與溫度關(guān)系由圖5 可知：同一埋深壓力下，隨著(zhù)溫度的升高，花崗巖中鉆井圍巖的蠕變率逐漸增大，溫度在400℃以下時(shí)，鉆井圍巖的蠕變率變化不大，維持在10－6 h－1 數量級；當溫度達到500 ℃以上時(shí)，鉆井圍巖的蠕變率增大，數量級變?yōu)?0－5 h－1；溫度在400 ℃～500 ℃時(shí)，鉆井圍巖的蠕變率在數量級上發(fā)生明顯的變化。隨著(zhù)埋深的增大，鉆井圍巖的蠕變率逐漸增大，埋深為2 000，3 000，4 000 m 時(shí)，蠕變率雖有增大但并不明顯，當埋深達到5 000 m時(shí)，鉆井圍巖的蠕變率明顯增大，在600 ℃時(shí)，5 000 m埋深的鉆井圍巖的蠕變率是4 000 m 埋深的1.88 倍，6 000 m 埋深的是4 000 m 埋深的2.84 倍，且數量級為10－5 h－1，5 000 m 埋深以上時(shí)鉆井圍巖的蠕變率明顯增大。

 

  因此，高溫靜水應力下，花崗巖中鉆井圍巖的蠕變特性存在溫度閾值。由上述分析可知，相同埋深靜水應力下，鉆井圍巖蠕變的溫度閾值為400 ℃～500 ℃。

 

  (2) 不同溫度下鉆井圍巖蠕變率與埋深關(guān)系由圖6 可知，同一溫度下，隨埋深的增加，即加載應力增大，花崗巖中鉆井圍巖的蠕變率逐漸增大，埋深小于4 000 m 時(shí)，其蠕變率變化不明顯，數量級保持在10－6 h－1；埋深大于5 000 m 時(shí)，鉆井圍巖的蠕變率迅速增大，數量級變?yōu)?0－5 h－1；當埋深達到4 000～5 000 m 時(shí)，花崗巖中鉆井圍巖的蠕變率在數量級上發(fā)生明顯的變化。比較埋深5 000 m 時(shí)鉆井圍巖的蠕變率大小，500 ℃時(shí)，蠕變率由400 ℃時(shí)的9.036 2×10－6 h－1 變?yōu)?.686 0×10－5 h－1，后者是前者的1.87 倍。

 

  因此，高溫靜水應力下，鉆井圍巖蠕變存在應力閾值。相同溫度下，鉆井圍巖的蠕變應力閾值為4 000～5 000 m 埋深，即加載應力100～125 MPa。

 

  (3) 高溫高壓下鉆井圍巖的流變破壞

 

  鉆井圍巖在高溫靜水應力下，花崗巖體最終發(fā)生破壞的應力條件為5 000～6 000 m 埋深靜水應力(125～150 MPa)，溫度條件為500 ℃～600 ℃，其破壞形式為壓裂破壞、壓剪破壞或兩者相結合。

 

  3.3 高溫高壓下鉆井圍巖變形破壞規律與失穩臨界條件(1) 4 000 m埋深及400 ℃溫度范圍內鉆井圍巖的變形規律由圖7 可知，鉆井圍巖在未達到流變應力閾值和溫度閾值時(shí)，鉆井圍巖蠕變變形量達到某一值后趨于穩定狀態(tài)，鉆井變形較小。相同埋深靜水應力和溫度下，隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)，孔壁位移量逐漸增大，鉆井直徑逐漸縮小，即4 000 m 埋深靜水應力及400 ℃溫度范圍內，隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)，花崗巖中鉆井孔徑逐漸縮小，鉆井處于收縮狀態(tài)。4 000 m 埋深靜水應力及400 ℃溫度范圍內，對于直徑為40mm 的鉆井，孔壁最大位移量為1.88 mm，即最大蠕變應變?yōu)?.88%。

 

  (2) 4 000～5 000 m 埋深，400 ℃～500 ℃時(shí)鉆井圍巖的變形規律由圖8 可知，鉆井圍巖在達到流變應力閾值和溫度閾值時(shí)，鉆井圍巖表現為強流變性，孔壁位移具有逐漸增大的趨勢，鉆井蠕變變形趨于非穩定狀態(tài)。4 000～5 000 m 埋深靜水應力，400 ℃～500 ℃時(shí)，隨著(zhù)時(shí)間的推移，鉆井圍巖在距孔壁較遠的部位表現為黏彈性變形，距孔壁較近的部位發(fā)生塑性變形，同時(shí)在蠕變壓力的影響下，早已熱破裂形成小塊狀的巖石顆粒從孔壁脫落下來(lái)，孔徑有擴大的趨勢。這些脫落下來(lái)的顆粒對觀(guān)測有影響，所以這一階段鉆井變形曲線(xiàn)呈波浪形。當達到5 000 m 埋深靜水應力，500 ℃時(shí)，鉆井直徑由40 mm 縮減為30mm，鉆井孔壁最大蠕變變形量達到5 mm，即最大蠕變應變?yōu)?%。

 

  (3) 高溫高壓下鉆井圍巖變形破壞失穩臨界條件通過(guò)對6 000 m 埋深靜水應力以?xún)龋?00 ℃以?xún)然◢弾r中鉆井變形規律及鉆井破壞的試驗研究與理論分析[14-15]可知：隨著(zhù)溫度的升高和埋深的增大，高溫高壓下鉆井圍巖的變形表現為明顯的不同階段：4 000 m 埋深及400 ℃以?xún)鹊?a href="http://m.keyinmall.com/t/恒溫.html" >恒溫恒壓下，鉆井圍巖變形表現為明顯的黏彈性變形階段，鉆井圍巖處于穩定狀態(tài)，不發(fā)生破壞；4 000～5 000 m 埋深時(shí)，溫度為400 ℃～500 ℃時(shí)的恒溫恒壓下，鉆井圍巖變形表現為黏彈–塑性變形階段，圍巖有破壞的趨勢，孔徑開(kāi)始增大；5 000 m 埋深及500 ℃以上時(shí)，鉆井圍巖在熱力耦合作用下產(chǎn)生破裂，在蠕變壓力的作用下，鉆井圍巖塑性區的塊裂狀圍巖顆粒逐漸從井壁脫落下來(lái)，孔徑增大，鉆井圍巖開(kāi)始發(fā)生破壞，逐漸失穩。因此，高溫高壓下花崗巖中鉆井圍巖變形破壞失穩臨界條件為4 000～5 000 m埋深靜水應力，400 ℃～500 ℃。

 

  4 高溫高壓下破巖技術(shù)

 

  高溫巖體地熱鉆井施工的機械破巖方式主要有3 種：沖擊破巖、切削破巖、沖擊–切削復合破巖。

 

  地熱鉆井中隨著(zhù)鉆井深度的增加，巖石溫度逐漸升高，導致巖石的性質(zhì)發(fā)生變化。研究高溫高壓條件下以上幾種破巖方式的破巖效率隨著(zhù)溫度升高的變化規律，以及不同的溫度下哪種破巖方式能取得更佳效果具有重要的工程意義，因此，筆者所在課題組開(kāi)展了大量的試驗研究工作[16-18]。

 

  4.1 高溫高壓下沖擊破巖

 

  沖擊破巖技術(shù)一般用于脆性堅硬巖石，被廣泛應用于礦山開(kāi)采、隧道掘進(jìn)和國防建設等工程領(lǐng)域。

 

  地熱鉆井施工中，隨著(zhù)被鉆巖石溫度的升高，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，沖擊破巖方式能否更有效地在高溫高壓下破碎巖石，提高鉆進(jìn)速度和鉆井效率是研究者關(guān)心的問(wèn)題，為此進(jìn)行了一系列高溫高壓下沖擊破巖試驗。

 

  (1) 鑿巖速度隨溫度及鑿巖參數的變化規律

 

  由圖9 可知，鑿巖參數一定時(shí)，鑿巖速度隨著(zhù)巖體溫度的升高逐漸增大；溫度相同時(shí)，增大鉆壓，沖擊鑿巖速度隨著(zhù)沖擊功率的增加而增大；溫度相同時(shí)，增大沖擊功率，鑿巖速度隨著(zhù)鉆壓的加大而增大。

 

  (2) 單位破巖能耗隨溫度及鑿巖參數的變化規律由圖10 可見(jiàn)，單位破巖能耗隨著(zhù)溫度的升高而減?。簻囟葟氖覝厣?50 ℃時(shí)，破巖能耗降幅約為30.0%；從室溫升到300 ℃時(shí)，降幅約為42.7%；從室溫升到500 ℃時(shí)，降幅約為53.2%。相同沖擊功率下，破巖能耗隨著(zhù)鉆壓的增大而減小，與室溫下的規律一致；相同鉆壓和溫度下，破巖能耗隨著(zhù)沖擊功率的增加而增大。分析其原因為：隨著(zhù)溫度的升高，熱破裂加劇，巖石強度不斷下降，壓頭每次沖擊巖石的破碎坑體積逐漸增大，單位破巖能耗逐漸降低。

 

  (3) 不同溫度下鑿巖效率比較

 

  通過(guò)計算不同溫度下7 種鑿巖參數組合下的平均鑿巖速度，可比較相同溫度下的平均沖擊鑿巖速度。由圖11 可知，溫度從室溫升到150 ℃時(shí)，鑿巖速度增長(cháng)率最大(約51.0%)，破巖能耗降幅最大(約22.0%)；從150 ℃升到300 ℃時(shí)，鑿巖速度增幅極小。因此，對于花崗巖等堅硬巖石，在溫度不超過(guò)150 ℃的低溫范圍內，隨巖石溫度升高沖擊鑿巖方式能有效的提高鑿巖速度、降低破巖能耗。

 

  綜上所述，在較高溫度下，由于巖石呈現出一定的塑性特征，熱破裂裂隙不利于沖擊波能量的傳遞，盡管破巖能耗有所降低，沖擊破巖方式在提高鉆井速度上沒(méi)有任何優(yōu)勢，高溫下采用沖擊破巖方式不能提高鑿巖速度，影響施工進(jìn)度。

 

  4.2 高溫高壓下切削破巖

 

  (1) 切削速度隨溫度、鉆壓、轉速的變化規律

 

  由圖12 可知，相同鉆壓下，切削速度隨著(zhù)被鉆巖石溫度的升高而逐漸增大；在相同溫度與轉速下，切削速度隨著(zhù)鉆壓的增加而明顯增大。

 

  (2) 單位破巖能耗與溫度、鉆壓、轉速的關(guān)系

 

  由圖13 可見(jiàn)，鉆壓相同時(shí)，切削速度隨著(zhù)轉速的升高而增大；轉速相同時(shí)，切削速度隨著(zhù)鉆壓的增大而增大。在轉速從15 rpm 增加到30 rpm 時(shí)，3種鉆壓的切削速度平均增幅約為60%；從30 rpm 增加到50 rpm 時(shí)，切削速度平均增幅約為20%。

 

  (3) 不同溫度下切削效率比較

 

  由圖14 可知，由于高溫下巖石內部發(fā)生熱破裂，隨著(zhù)裂隙的發(fā)展，巖石抗壓和抗剪切強度急劇降低，切削速度隨著(zhù)花崗巖溫度升高大致成線(xiàn)性增長(cháng)趨勢，尤其在溫度達到500 ℃后，切削速度增幅很大，破巖能耗隨著(zhù)溫度升高逐漸降低。

 

  綜上所述，隨著(zhù)溫度的升高，堅硬巖石的熱破裂現象加劇，強度降低，切削破巖方式可取得較好的破巖效果。

 

  4.3 高溫高壓下沖擊–切削復合破巖

 

  沖擊–切削復合破巖是同時(shí)利用切削破巖和沖擊鑿巖2 種方式達到破碎巖石的目的。沖擊–切削鉆井技術(shù)能夠有效提高鉆進(jìn)速度，降低鉆井成本，提高井身質(zhì)量，減少鉆具損壞，消除巖屑壓持效應。

 

  (1) 溫度、沖擊–切削參數對鉆進(jìn)速度的影響

 

  由圖15 可知，3 種不同沖擊功率下，鉆進(jìn)速度隨著(zhù)溫度的升高而增大：溫度從20 ℃升到150 ℃時(shí)，鉆進(jìn)速度平均增幅約為35%；溫度從20 ℃升到300 ℃時(shí)，鉆進(jìn)速度平均增幅約為48%。在相同溫度下，鉆進(jìn)速度隨著(zhù)沖擊功率的增大而增大：室溫時(shí)，13 W 的鉆進(jìn)速度比6 W 的大約14.5%；150 ℃時(shí)，13 W 的鉆進(jìn)速度比6 W 的大約10.7%；300℃時(shí)，13 W 的鉆進(jìn)速度比6 W 的大約20%，與室溫時(shí)的變化規律一致。在高溫條件下，鉆進(jìn)速度隨著(zhù)沖擊功率的增大而增大。在150 ℃和300 ℃時(shí)，沖擊功率從9 W 變化為13W 時(shí)，鉆進(jìn)速度的增長(cháng)率變大，分析原因為：較大的沖擊功率對應著(zhù)較大的沖擊頻率，在沖擊頻率增大后，沖擊回轉角度變小，沖切破碎深度隨著(zhù)沖切間距的減小而增大，巖石能充分破碎甚至重復破碎，所以鉆速增長(cháng)率變大。

 

  (2) 高溫下鉆進(jìn)速度與鉆進(jìn)參數的關(guān)系

 

  由300 ℃高溫下鉆進(jìn)參數(鉆壓、沖擊功率、轉速)對鉆進(jìn)速度的影響規律可知：300 ℃高溫下，鉆進(jìn)速度隨著(zhù)轉速、沖擊功率、鉆壓的增大而增大，與常溫下的變化規律一致。

 

  (3) 單位破巖能耗與溫度及鉆進(jìn)參數的關(guān)系

 

  由圖16 可知，單位破巖能耗隨著(zhù)溫度升高而減小。同一溫度下，單位破巖能耗隨著(zhù)沖擊功率的增大而減小，這是因為沖擊功率與沖擊頻率成正比，與沖擊回轉角度成反比，沖擊功率較大時(shí)，回轉角度較小，巖石破碎充分，扭矩做功小。300 ℃時(shí)，沖擊功率9 W 的破巖能耗比6 W 的小約7.8%，13 W的破巖能耗比6 W 的小約19.3%?？梢钥闯?，隨著(zhù)沖擊功率增大，破巖能耗減小的逐漸增大，說(shuō)明在13 W 沖擊功率下沒(méi)有發(fā)生明顯的重復破碎情況。

 

  4.4 高溫高壓下3 種破巖方式的比較

 

  花崗巖屬于脆性堅硬巖石，質(zhì)地堅硬密實(shí)，在常溫下抗壓強度大，可鉆性級別高，用沖擊鑿巖方式破巖能取得較好的效果。隨著(zhù)溫度升高到150 ℃，由于巖石強度隨溫度升高而有所下降，每次沖擊的破碎坑增大，沖擊鑿巖速度大幅提高(約50%)，單位破巖能耗隨溫度升高而減小。隨著(zhù)巖石溫度繼續升高，巖石在熱應力作用下發(fā)生較強的熱破裂，隨著(zhù)裂紋的增多，巖石強度急劇下降。這時(shí)卻因為過(guò)多的裂隙減緩了沖擊能量的傳播，并且花崗巖在高溫高壓下表現為延性和塑性材料特征，沖擊破碎塊體積隨著(zhù)巖石塑性增大而減小，這2 個(gè)因素導致在高溫下沖擊鑿巖速度不再增大。由上述分析可知：

 

  沖擊鑿巖方式適用于溫度不超過(guò)150 ℃的硬脆性巖石中。切削破巖方式適用于高溫巖體(300 ℃以上)鉆井中，需要使用耐高溫鉆頭，保證良好的排渣冷卻效果。由圖17 可知，切削破巖速度隨著(zhù)溫度的升高線(xiàn)性增大，破巖能耗隨著(zhù)溫度升高而降低。在高溫下，切削巖石能取得良好的效果。切削破巖的參數組合模式除了高轉速–低鉆壓外，還有低轉速–高鉆壓，甚至中轉速–中鉆壓。在地熱井鉆井中鉆井參數的選擇主要根據地層溫度、施工要求和設備情況來(lái)確定：溫度在300 ℃左右的巖層可以先選擇低轉速–高鉆壓鉆井參數模式；隨著(zhù)鉆井深度的增加，溫度不斷升高，可以逐漸過(guò)渡到中轉速–中鉆壓和高轉速–低鉆壓鉆井參數模式。

 

  沖擊–切削復合破巖方式兼有沖擊鑿巖、切削破巖的長(cháng)處，適合于硬質(zhì)巖層與破碎巖層。巖石硬度太大，牙輪齒不能有效吃入巖石，其剪切破巖的效果受到限制；如果巖石在高溫下表現出塑性特征，則沖擊效果會(huì )大打折扣。所以堅硬巖石溫度在150 ℃～300 ℃范圍時(shí)，采用沖擊–切削復合破巖方式能取得較好的效果。沖擊–切削復合破巖速度隨著(zhù)溫度的升高線(xiàn)性增大，單位破能耗隨著(zhù)溫度升高而減小。

 

  在實(shí)際工程中要根據以上結論的趨勢結合具體情況確定最佳破巖方式。

 

  5 高溫高壓鉆井液技術(shù)

 

  鉆井液是深井鉆井成敗的關(guān)鍵因素之一，鉆井過(guò)程中，鉆井液的作用主要是攜帶和懸浮巖屑、穩定井壁和平衡地層壓力、冷卻和潤滑鉆頭及傳遞水動(dòng)力。高溫巖體地熱井對所用的鉆井液要求更高，高溫鉆井液除要能保持井眼的穩定性和有效攜帶巖屑外，還必須具有良好的抗高溫性能。

 

  5.1 高溫巖體地熱鉆井高溫處理劑

 

  (1) 抗高溫降黏劑

 

  磺甲基單寧(SMT)，簡(jiǎn)稱(chēng)磺化單寧，適于在各種水基鉆井液中作降黏劑，在鹽水和飽和鹽水鉆井液中仍能保持一定的降黏能力，抗鈣可達1 000mg/L，抗溫可達180 ℃～200 ℃。其添加量一般在1%以下，使用的pH 值范圍為9～11。

 

  磺甲基栲膠(SMK)，簡(jiǎn)稱(chēng)磺化栲膠，抗溫可達180 ℃。其降黏性能與SMT 相似，可任選一種使用。

 

  磺化苯乙烯馬來(lái)酸酐共聚物(SSMA)是一種抗溫可達230 ℃的稀釋劑。該產(chǎn)品在美國某些行業(yè)領(lǐng)域應用比較廣泛，國內也有應用，但成本較高。

 

  (2) 抗高溫降濾失劑

 

  磺甲基褐煤(SMC)，簡(jiǎn)稱(chēng)磺化褐煤，既是抗高溫降黏劑，同時(shí)又是抗高溫降濾失劑，具有一定的抗鹽、抗鈣能力，抗溫可達200 ℃～220 ℃，一般用量為3%～5%。

 

  磺甲苯酚醛樹(shù)脂，簡(jiǎn)稱(chēng)磺化酚醛樹(shù)脂，分1 型(SMP–1)和2 型(SMP–2)產(chǎn)品。在200 ℃～220 ℃，甚至更高溫度下，不會(huì )發(fā)生明顯降解，并且抗鹽析能力強。

 

  國內常用的抗高溫降濾失劑還有磺化木質(zhì)素磺甲基酚醛樹(shù)脂(SLSP)、水解聚丙烯腈(HPAN)、酚醛樹(shù)脂與腐殖酸的縮合物(SPNH)以及丙烯酸與丙烯酰胺共聚物(PAC 系列)等。

 

  (3) 常用抗高溫鉆井液體系

 

  磺化鉆井液和聚磺鉆井液是最典型的高溫鉆井液體系，磺化鉆井液是以SMC，SMP–1，SMT 和SMK 等處理劑中的一種或多種為基礎配制而成的鉆井液，其主要特點(diǎn)是熱穩定性好，在高溫高壓下可保持良好的流變性和較低的濾失量，抗鹽能力較強，泥餅致密且可壓縮性好，并具有良好的防塌、防卡性能。

 

  聚磺鉆井液是將聚合物鉆井液和磺化鉆井液結合在一起而形成的一類(lèi)抗高溫鉆井液體系。聚合物鉆井液在提高鉆速、抑制地層造漿和提高井壁穩定性等方面確有十分突出的優(yōu)點(diǎn)，聚磺鉆井液既保留了聚合物鉆井液的優(yōu)點(diǎn)，又對其在高溫高壓下的泥餅質(zhì)量和流變性進(jìn)行了改進(jìn)，從而有利于深井鉆速的提高和井壁的穩定。該類(lèi)鉆井液的抗溫能力可達200 ℃～250 ℃，抗鹽可至飽和。

 

  5.2 高溫鉆井液配方的試驗研究

 

  通過(guò)趙金昌[10]的試驗研究表明：磺化酚醛樹(shù)脂SMP–2 和高溫抗鹽降失水劑SPC 的配合使用下，添加3%～5%的黏土穩定劑YL 和2%～4%的磺化瀝青FT–1，鹽水鉆井液具有較好的高溫穩定性，濾失量控制在18 mL 以?xún)?，達到了高溫地熱鉆井的要求。

 

  5.3 鉆井液的性能對井壁圍巖穩定性的影響

 

  (1) 鉆井液引起的溫度擾動(dòng)對井壁圍巖穩定的影響鉆井液從井口到井底的過(guò)程中，雖然被逐漸加熱，但其溫度始終低于目的層的溫度。在實(shí)際地層條件下，鉆井過(guò)程中井壁地層受到鉆井液的冷卻作用，由于井壁巖石各種礦物熱脹冷縮性質(zhì)不一致，拉伸熱應力還會(huì )導致井壁產(chǎn)生微裂紋。所以，冷卻產(chǎn)生的拉伸熱應力一方面使井壁周向應力和軸向應力降低，另一方面產(chǎn)生微裂紋，從而導致破裂壓力降低。

 

  (2) 鉆井液對井壁圍巖穩定性影響的應對措施

 

  在配置鉆井液的同時(shí)要精確計算鉆井液的密度，有效平衡地應力與熱應力。高溫濾失量必須控制在一定范圍內，減小液體向井壁巖石的滲透，保證井壁的穩定性。

 

  6 結 論

 

  根據我國高溫巖體地熱資源賦存的地質(zhì)特征，在試驗研究、理論分析和數值模擬研究的基礎上，研究了我國高溫巖體地熱開(kāi)采深鉆施工的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，得到以下主要結論：

 

  (1) 根據我國高溫巖體地熱資源賦存的地質(zhì)特征，提出了高溫巖體地熱鉆井施工中三大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：鉆井圍巖穩定性控制技術(shù)、高溫高壓破巖技術(shù)、高溫高壓鉆井液技術(shù)。

 

  (2) 提出了高溫巖體地熱開(kāi)采中鉆井圍巖穩定性控制技術(shù)。

 

  (3) 通過(guò)對高溫高壓下花崗巖中沖擊破巖、切削破巖、沖擊–切削復合破巖的試驗研究及不同溫度下3 種破巖方式的比較，獲得了3 種破巖方式在高溫高壓下的破巖規律。

 

  (4) 從高溫對鉆井液的影響、地熱鉆井對高溫處理劑的一般要求、鉆井液的性能對井壁圍巖穩定的影響及應對措施，提出了解決高溫巖體地熱深鉆施工的鉆井液的技術(shù)配方。

 

  (5) 高溫高壓下深鉆施工技術(shù)的解決，對于人類(lèi)探索地球、開(kāi)發(fā)地球深部的能源與資源具有重要的科學(xué)與工程意義。