关键字：地热钻探；地热发电；高温岩体；超高温
引言
地热资源具有丰富、绿色、无污染、可再生等优点。与风能相比，地热比较稳定，是非常优越的能源，具有很大的优势。因此，地热钻探技术是开发利用地热资源的必由之路，地热钻探技术的意义不言而喻。高温岩体地热钻探的关键技术如何不断改进，已成为当前地热资源开发过程中的一个关键环节。地热发电需要在超高温岩体条件下进行钻井施工，而我国目前还没有相应比较成熟的高温岩体地热钻探技术储备。
1地热钻探的特殊性
地热发电可分为低温地热发电和高温地热发电。低温地热来自浅层水动力系统，岩体较浅，对钻探技术要求较低。而高温地热能来源于深层水动力系统，发电效率高。高温岩体地热钻探技术最大的特点：①钻探对象较硬。②钻探环境高温高压。③钻探深度较深。这些特殊性导致了在深层高温地热钻探中容易产生渗漏、破岩方法难以选择、岩石堵塞等问题，解决这些问题是地热钻探过程中的关键，对地热资源的开发利用具有重要意义。
1.1特殊的高硬度地质
施工对象多为花岗岩和片麻岩等，可钻性很差，如何破岩是高温高压钻井工程面临的首要关键问题。
1.2特殊的高温施工环境
高温凿岩工程的环境温度一般高于250℃，发热效率高，一般认为开发350℃以上的地热资源更经济。目前，日本已钻探到500℃高温岩层。
1.3钻探深度较深
地下水通过地质裂缝向热储层补给，并沿裂缝到达可采层。地热钻探深度较大，一般在3000米以上，有时可达10000米，增加了钻探难度，无论在技术上还是设备上，都必须提高要求。
1.4围岩稳定性差
由于施工地处高温、高压、深部岩体中，高温井壁的围岩在钻进过程中遇水易产生热裂和井壁膨胀。投入使用后，易发生流变变形，易造成“颈”和套管破裂。
2高温地热钻探技术难点
目前，世界上大多数地热发电厂都是高温深部地热发电厂，存在高温、高压、深钻等特殊施工的特点，高温岩层地热钻探工程面临严峻挑战。
2.1高温井控
为了获得较高的发电能力，必须在能够产生大量超高温热水的地区进行地热开发。当地下热水进入井筒时，如果循环冷却液的体积不够大，循环冷却液就会汽化排出，井下热蒸汽一旦喷出，不仅生产困难，而且危及钻井人员的安全。
2.2高温钻井液问题
当常规钻井液中的蒙脱石在150℃以上进入地层时，就会形成低等级的水泥。在高温地热钻井中，由于蒙脱石的不可利用性，使得岩屑的携带和井筒的冷却变得困难。
2.3高温固井及成井
在固井施工中，高温使水泥浆凝结时间难以控制，可能导致固井失败。固井后，水泥石在高温条件下强度继续下降，套管不断膨胀和收缩，然后随着振动，水泥将逐渐磨成粉末；其次，套管在高温下也会发生强度退化，难以达到套管的设计性能要求，导致大量套管损坏。
2.4高温钻具及仪器
钻头的工作环境非常恶劣，面临着高温高压以及深度大的问题，例如高温钻进时，高温井壁遇水易发生热裂和井壁膨胀，造成泥浆泄漏，这些因素通常会导致钻头寿命的显著缩短。
为了提高钻进速度，必须使用高性能钻具接头，特别是钻具螺纹，应具有消除应力的沟槽；或在设备上安装减震器，试验中采用液压冲击器等技术。
2.5良好的温度轨迹控制
为了有效开发地热资源，需要采用定向井技术，而井眼轨迹测量是非常重要的。随钻测量等电子元件的高温极限为175℃，明显不适合干热岩钻进。在泡沫钻进条件下，由于泡沫的保温性能，单点测斜能够满足测斜仪的进入和工作要求，但对于钻井液钻井可能达不到要求。
2.6高温破岩效率
在高温坚硬的情况下高温地热钻进的可钻性差以及钻进速度慢。此外，在高温地层钻进时，很容易造成钻头的损坏。
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3高温岩体地热钻井施工的关键技术
在地热开发过程中，面临很多恶劣环境，为保证高温岩体地热钻井施工顺利进行的关键技术有以下三种：①高温岩体地热开发围岩稳定性控制技术；②高温高压岩石破碎技术；③高温高压钻井液技术。
3.1高温岩石地热开发围岩稳定性控制技术
对于温度300℃以上的钻井施工，国内外应用比较成功的是采用泡沫钻井液体系，泡沫钻井液能满足高温要求，即采用泡沫循环和注水冷却两种方法交替使用，防止钻井过程中循环液蒸发，解决岩屑携带问题。同时，应该安装井口压力控制装置，派专人监测钻井液的流量与温度，一旦发现有蒸汽喷出，能立即实现关井操作，并且泡沫可以回收利用。
3.2高温高压岩石破碎技术
高温岩体地热钻探施工中的机械破岩方法有冲击破岩、切削破岩技术、冲击切割复合破岩技术三种。在地热钻探中，随着钻探深度的增加，岩石温度逐渐升高，会导致岩石性质的变化。
3.2.1高温高压冲击破岩
冲击破岩广泛应用于脆性和坚硬岩石中，在高温下，由于岩石的塑性，热破裂裂隙不利于冲击波能量的传递。冲击破岩虽然降低了破岩能耗，但在提高钻进速度方面没有优势。高温冲击破岩不能提高钻进速度，一定程度上影响施工进度。
3.2.2高温高压切割岩石技术
随着温度的升高，花岗石的热破裂越来越严重，花岗石的强度降低，切割速度随花岗岩温度的升高呈线性增加，特别是当温度达到500℃时，切削速度大大提高，岩石破碎能耗随着温度的升高而逐渐降低。因此，高温高压切割岩石技术更适用于高温后强度降低的岩层。
3.2.3冲击切割复合破岩技术
冲击切割复合破岩是指在切割岩石的同时进行冲击钻孔，达到破岩的目的。
3.2.4三种高温高压破岩方法的比较
花岗岩质地坚硬致密，抗压强度高，可通过冲击钻破碎。当温度上升到150℃时，岩石的强度随温度的升高而降低。随着岩石温度的不断升高，在热应力作用下会产生强烈的热裂，随着裂缝的增加，岩石强度急剧下降。因此，冲击冲孔法适用于温度不超过150℃的硬脆岩石。
切割岩石技术适用于高温岩石（300℃以上）的钻进，岩石破碎速度随温度的升高呈线性增长，岩石破碎能耗随温度的升高而降低，在高温条件下，切削岩石可以取得良好的效果。
冲击切割复合破岩技术具有冲击和切割岩石的优点，适用于坚硬岩石的破碎。若岩石硬度过高，则无法有效地切割岩石。当硬岩温度在150℃-300℃范围内时，冲击切割复合破岩技术可以取得较好的效果，岩石破碎速度随温度的升高呈线性增长，单位岩石破碎能耗随温度的升高而降低。
在实际工程中，应该根据具体的施工条件确定最佳的破岩方法。
3.3高温高压钻井液技术
钻井液是高温岩体钻井成败的关键因素之一，钻井液的主要作用是携带和悬浮岩屑、稳定井壁和平衡地层压力及传递动力。地热钻井一般需要高温处理剂，钻井液性能对围岩稳定壁会产生一定的影响，而钻井液技术配方可以解决高温岩石地热深井钻井的质量。在处理钻井液对井壁围岩稳定性影响的时候，应准确计算钻井液密度，有效平衡地应力和热应力。
4结论
目前，高温岩体地热钻井仍是开发地热资源的必由之路。根据我国高温岩体地热资源的地质特点，加快在高温高压下岩石破坏和损伤的研究，将有效促进我国高温岩体地热发电产业的快速发展。因此，研究高温条件下的钻进施工具有重要的工程意义。
参考文献
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论文作者:苏小飞
论文发表刊物:《城镇建设》2020年2月第4期
论文发表时间:2020/4/23
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