高溫地熱井牙輪鉆頭掉齒機理研究背景及意義

  隨著(zhù)全球能源的不斷幵發(fā)和利用,非可再生資源日益枯竭,探索可再生清潔能源已成為當前人類(lèi)面臨的重要挑戰[”,地熱資源因其蘊含豐富且無(wú)污染逐漸成為世界各國解決能源危機的關(guān)注點(diǎn)。與傳統的有機能源相比,地熱資源無(wú)污染,可反復利用,屬于可再生資源。人類(lèi)利用地熱資源可以追溯到很久以前,比如利用溫泉取暖、沐浴、養殖等等^。到20世紀初地熱資源才開(kāi)始進(jìn)行大規模的開(kāi)發(fā)利用。目前全世界開(kāi)發(fā)地熱資源的國家已經(jīng)有120多個(gè),其中較為典型的國家有美國、冰島、日本、菲律賓、新西蘭等['],每年地熱資源年利用率達到3.65X106噸石油當量,并且每年以12%的速度遞增。專(zhuān)家預計到2100年,地熱資源利用率能達到全球能源總量的30%?80%。目前,歐美等國家已將地熱資源列為優(yōu)先開(kāi)發(fā)的替代性能源。

 

  熱地資源的利用主要可以分為兩大類(lèi):直接利用和發(fā)電,而對于不同溫度的地熱介質(zhì)可利用的范圍也有所不同,按照儲熱體的屬性,可分為水熱型和干熱型,按照地熱井中介質(zhì)的溫度可分為三類(lèi):低溫地熱、中溫地熱、高溫地熱高于25°C、低于90°C,以溫水、溫熱水、熱水等形式存在的,屬于低溫地熱;9(rc?15(rC,以水和蒸汽的混合‘物等形式存在的,屬于中溫地熱;高于I5(rc,以蒸汽形式存在的,屬于高溫地熱。按照溫度不同利用的范圍包括以>下幾類(lèi)-1)200?400°C直接發(fā)電及綜合利用;2)150?20{rc雙循環(huán)發(fā)電,制冷,工業(yè)干燥,工業(yè)熱加工;3)100?15(rc雙循環(huán)發(fā)電,供暖,制冷,工業(yè)干燥,脫水加工,回收鹽類(lèi)等;4)50~10(rc供暖,溫室,家庭用熱水,工業(yè)干燥;5)20~5(rc沐浴,水產(chǎn)養殖,飼養牲畜,土壤加溫,脫水加工。

 

  目前可直接利用的地熱已廣泛應用于洗浴、采暖、灌溉、養殖、畜禽伺養,節約能源的同時(shí)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟效益。地熱能發(fā)電具有高效、穩定、連續的優(yōu)點(diǎn),相對其他能源來(lái)說(shuō),其利用率相對較高。

 

  但是同時(shí)高溫地熱的鉆采工藝較為落后,高溫地熱的利用和開(kāi)釆程度比較低,我國可開(kāi)采地熱點(diǎn)就有5500多個(gè),地熱田45個(gè),但在全球范圍內利用率僅排名15位,整體利用水平較低。我國地熱資源幵發(fā)還處于起步探索階段,還不能形成供暖、發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。針對國內對地熱資源利用率低下的情況,大力研發(fā)新技術(shù)以滿(mǎn)足在高溫地熱環(huán)境下的鉆井要求已成為高溫地熱井鉆探的關(guān)鍵。

 

  2006年中石油長(cháng)城鉆探公司在肯尼亞獲得總額超過(guò)2300萬(wàn)美元的地熱發(fā)電鉆探項目,預計能為肯尼亞增加70兆瓦發(fā)電量。在隨后的兩年內該公司又與肯方簽訂了 25 口地熱鉆探項目,這是中國公司在國外舉接最大的地熱幵發(fā)項目,是提升我國地熱鉆井技1高溫地熱井牙輪鉆頭掉齒機理研究術(shù)很好的機會(huì )。肯尼亞位于非洲東部,境內地區蘊含大量高溫地熱資源,其中OLKARIA地區是肯尼亞地熱面積最大的區塊,面積達80km2。此地區地質(zhì)多為火成巖,鉆井條件十分復雜,打井過(guò)程中隨時(shí)可能發(fā)生溫度高達200至35(rC的地熱井噴、氯化氧有毒氣體泄漏等,也很容易發(fā)生卡鉆現象,同時(shí)作業(yè)區位于環(huán)境敏感區,土層單薄、植被脆弱,極易發(fā)生泥石流和滑坡,當地環(huán)保要求高?？夏醽?a href="http://m.keyinmall.com/t/地熱鉆井.html" >地熱鉆井面臨技術(shù)和環(huán)保的雙重挑戰。

 

  在鉆井過(guò)程中由于地質(zhì)條件惡劣,井底漏失嚴重,井底溫度經(jīng)常能夠超過(guò)30(rc,鉆具磨損嚴重特別是在井底擔任超重負荷的鉆頭失效非?？?。由于地層較硬,且不均質(zhì)地層較多,對鉆頭的牙齒會(huì )造成沖擊,而用燒結方法制成的PDC齒不耐沖擊,所以在均質(zhì)地層中表現優(yōu)良的PDC鉆頭并沒(méi)有被廣泛的用于高溫地熱鉆井中。目前高溫地熱井通常使用碳化媽鑲齒三牙輪鉆頭m,但地熱井的獨特鉆進(jìn)環(huán)境使得傳統三牙輪鉆頭在井底掉齒現象非常普遍,如圖1-1、圖]-2,嚴重影響了鉆井速度,縮短了鉆頭的使用壽命,導致起下鉆次數增加。目前國際能源開(kāi)釆正向著(zhù)深井及超深井方發(fā)展,隨著(zhù)地層深度增高,地層溫度也會(huì )顯著(zhù)升高^(guò),為了適應鉆采對深度的要求,為了滿(mǎn)足高溫地熱井中的需要,就需要對傳統的牙輪鉆頭提出新的要求,特別是針對牙輪鉆頭在高溫地熱井中掉齒的現象,分析其掉齒機理,提出有效的解決方案己成為當務(wù)之急。