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热岩钻探与相关关键技术研究

分类:地理论文   更新:2016/8/11   来源:本站原创

    干热岩资源是一种储量巨大、无污染、可再生的清洁能源,初步估算中国埋深3~10km范围内的干热岩资源量相当于860万亿t标准煤,按2%的可开采资源量计算,相当于中国目前能源消耗总量的5200倍[1],实现干热岩资源开发利用可有效改善中国能源结构,促进经济发展。世界上很多国家都在开展干热岩资源研究工作,部分国家已经建立增强型地热系统(EGS),实现了干热岩资源的开发利用[2].中国地热资源利用历史悠久,1975年西藏羊八井钻成中国第一口湿蒸汽井,同时建立了中国大陆上第一台兆瓦级地热发电机组,进入了工业性发电阶段,开创了世界中温浅层热储资源发电的先列。目前中国已经将干热岩资源开发利用提上日程,国土资源部、中国地质调查局也将其列为重点发展方向,然而中国的干热岩资源开发利用工作尚属起步阶段,相关理论、技术、方法略显不足。

    国际上普遍采用建立EGS的方法开采干热岩资源,即采用钻井的方法钻一口井作为注水井,钻一口或多口井作为生产井,采用水力压裂技术压通生产井和注入井形成循环系统,从注水井注入冷水,利用生产井开采蒸汽用于发电[3,4].

    可见,如何钻开储层形成EGS系统是干热岩资源开发的关键。与石油和浅层地热钻探不同,干热岩地层上部通常为沉积岩盖层,下部储层为火山岩,地层温度高(通常高于200℃)、岩性复杂、可钻性差,钻探、压裂难度极大。中国在干热岩钻探和水力压裂方面经验不足,开展干热岩钻探和相关关键技术研究对推动中国干热岩资源开发利用具有重要意义。

    1高温钻井液技术

    干热岩地层特点是埋藏深,温度为150~650℃。在开发干热岩过程中,钻井液起着至关重要的作用,井内钻井液将长期处于高温环境。恶劣环境对钻井液性能造成极其严重的破坏,直接影响孔壁稳定、携岩能力、施工安全及施工成本等;干热岩钻井过程中还可能遇到大量低压力地层,钻井液漏失严重。因此如何保证高温环境下钻井液性能的稳定是干热岩钻探必需解决的问题,也是国内外钻井液技术研究的热点和重点。

    1.1高温钻井液关键问题

    1)抗高温问题。高温作用下,钻井液的黏土颗粒(膨润土)分散度增强,温度越高,分散性越强,从而引起钻井液增稠,流动性较差,高温高压(HTHP)失水量增加。高温一方面会使有机处理剂分子链发生断裂,降低高分子处理剂的相对分子质量,使其失去原有的特性,同时降低处理剂的亲水性,减弱其抗污染能力,可能会导致泥浆性能恶化;另一方面会使处理剂分子中不饱和键和活性基团之间发生各种反应,发生高温交联,使得整个泥浆体系变成凝胶,失去流动性[5].

    2)低压地层井壁稳定。干热岩体钻遇变质岩或结晶岩,会有大量破碎地层,易发生坍塌、掉块等孔壁不稳定现象。

    3)堵漏问题。钻井液漏失问题在国外干热岩钻探施工中比较常见,国内针对高温堵漏材料的研究较少。

    目前国内研究的高温钻井液抗温性能不超过250℃,对抗高温的处理剂及体系研究还很少,干热岩预计孔底温度会达150~650℃,面临着超高温问题,有待开展耐高温钻井液技术研究,主要有以下几个方面:1)高温处理剂的研制,包括抗高温降滤失剂、高温增黏剂、高温润滑剂、高温堵漏剂及高温保护剂;2)高温钻井液体系的研究,包括高温高密度钻井液体系、高温泡沫钻井液体系、高温油基钻井液体系等;3)高温检测仪器的研究,包括高温高压流变仪、高温高压失水仪、高温高压页岩膨胀量测定仪、高温堵漏仪、高温润滑仪等;4)高温钻井液地表冷却系统研究,例如冷却塔、冷冻房等。

    1.2干热岩耐高温钻井液体系室内研究

    通过室内实验在优选大量的高温造浆材料及高温处理剂的基础上,重点针对抗高温钻井液体系--高温保护剂进行研究,形成了由抗高温复合造浆材料、高温降滤失剂、高温增黏剂、高温

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