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          探礦工程在線 > 正文

          碎裂鉆井技術及其在地熱鉆井中應用前景分析

          發布時間:2013年05月20日
          來源:《探礦工程(巖土鉆掘工程)》,2013年第2期

           

          碎裂鉆井技術及其在地熱鉆井中應用前景分析

           

          白占學,鄭秀華,于進洋

          (中國地質大學(北京)工程技術學院,北京 100083

           

          摘要:地熱資源儲量豐富,分布廣泛,開發前景廣闊。但是在現有地熱鉆井技術條件下進行地熱開發的周期長、成本高,所以亟待鉆井技術的突破使巨大的地熱資源得到經濟有效地開發。碎裂鉆井技術是一種采用了新的鉆井原理的鉆井技術,其能夠有效地解決常規鉆井過程中經常遇到的諸如在堅硬地層中進尺慢等棘手問題,一旦得到商業化應用,將會對地熱資源經濟有效地開發產生革命性的影響。在分析常規鉆井技術存在的問題的基礎上,介紹了碎裂鉆井技術的工作原理及碎巖機理,闡明了其優缺點,為該技術在地熱鉆井中的應用研究提供參考。

          關鍵詞:地熱鉆井;碎裂鉆井;井下燃燒器

           

          0  引言

          多年來,世界上95%以上的鉆探(井)工程都是采用硬質合金鉆進、金剛石鉆進、牙輪鉆進等常規的機械碎巖鉆井方法[1]。這種方法在鉆進地熱井時主要有以下2個缺點。

          (1)進尺慢。常規鉆井方法在鉆進油氣鉆井中常遇到的松散、沉積地層時常表現良好,進尺速度能達到30m/h,然而在鉆遇花崗巖、鐵燧巖等堅硬巖層時,進尺速度就會明顯降低[2]。

          (2)費用高。

          采用常規的旋轉鉆井方法鉆進地熱井時,所需費用至少是石油井的2~4倍,占地熱開發總成本費用的30%~60%,而且隨著深度的增加,所需費用會顯著地而且是非線性的增長。以美國數據為例,地熱井花費隨深度成指數形式增長,這正是由于進尺速度慢和頻繁的更換鉆頭所致,如圖1所示[3~6]。

          1  鉆井費用隨深度變化

          尤其是對于井深超過4000m的中低溫地熱資源的鉆井,采用常規鉆井方式的鉆井周期長、成本高的缺點顯得更加明顯,這就在一定程度上限制了地熱資源的開發利用。隨著技術的進步,當前已出現了非傳統的利用物理場能量來破碎巖石的新方法,并進入了可實施階段,碎裂鉆井技術就是其中之一。預計在不遠的將來,這類非傳統的鉆井方法將得到廣泛的應用,并成功的降低地熱井的鉆井成本。

           

          1  碎裂鉆井技術

          碎裂鉆井是采用高溫火焰迅速加熱井底巖體局部表面,使其因熱膨脹而碎裂成薄片而脫離母巖的一種新的鉆井技術。

          經研究證明,在諸如花崗巖等堅硬地層鉆進時,采用碎裂鉆井技術的進尺速度是采用常規鉆井技術的5~10倍。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室于1985年在新墨西哥州的芬頓山地區的花崗巖地層進行了試驗,試驗結果顯示,采用碎裂鉆井技術鉆井的進尺速度為6~7.5m/h,而采用常規鉆井技術鉆井的進尺速度則只有1.2~3m/h。

          而且,由于碎裂鉆井中的井下燃燒器在鉆井過程中并沒有與井底巖層接觸,因此避免了因摩擦而造成的損壞,減少了更換井下設備的時間,進而縮短了鉆井周期并大幅減少了鉆井費用。

          井下燃燒器是碎裂鉆井系統的最重要的設備。上部設備通過管線給位于鉆柱下端的井下燃燒器輸送燃料、氧化劑以及冷卻水等,使其能夠順利工作。產生的巖石碎屑和燃燒產物一起被清除出井眼,必要時需注入壓縮空氣來輔助清理孔底雜物。

           

          2  井下燃燒器結構分析

          碎裂鉆井系統中的井下燃燒器就像是一個噴氣發動機,在其內部產生的高溫火焰流高速地噴出并作用于井底巖石。井底表層巖石在高溫高速火焰流的作用下發生碎裂,其發生碎裂的原因主要有以下2點:(1)井底表面巖石與更深層的巖石之間存在較大的溫度差,從而引起井底表層巖石產生裂隙進而碎裂成碎片;(2)由于組成井底巖石的不同礦物的熱膨脹系數不同,因此在溫度變化時,不同礦物的尺寸變化也不同,從而導致井底巖石產生了破碎?,F有的一種典型的井下燃燒器的結構如圖2所示。

          2  井下燃燒器剖面示意圖

          2為燃燒器在井底工作時的示意圖。燃料和氧氣分別通過各自的管道進入燃燒室接觸燃燒,產生的火焰流高速的通過燃燒室的下端噴嘴處,并作用于井底中心的作用點位置。在火焰流的作用下,井底表層巖石溫度在短時間內迅速升高,到達一定值后發生碎裂,產生的碎片猛烈的脫離母體巖石。冷卻水通過管道被送入井底并從出口處排出,對巖石碎片和燃燒剩余物加以冷卻,使其降低到安全的溫度并隨鉆井流體一起排出井口。

          但是,由于現有井下燃燒器只能產生單一火焰流,導致碎裂巖石所需能量全部來源于此,所以工作時容易造成作用點處溫度過高,進而產生一些不利影響;另外,在鉆進深井時,井底壓力往往比較大,現有井下燃燒器難以平衡過大的井底壓力,容易造成井下事故。波特等人對其進行了改進,設計了如圖3所示的井下燃燒器[8]。

          3  改進后的井下燃燒器的剖面示意圖

          這種新的設計主要有以下幾處改進:其一,燃燒室中有一個中空的中心軸;其二,環繞中心軸有多個噴嘴,而不是原有設計中的一個噴嘴;其三,有多個冷卻水通道,與噴嘴形成一一對應的關系;其四,噴嘴和燃燒室均可以繞軸旋轉;其五,在外圍加裝了封隔器等設備,以便能較好的控制井底壓力情況。

           

          3  碎巖機理研究

          多年來,陸續有人對碎裂鉆井的碎巖機理進行了研究。其中,普雷斯頓是第一個比較完整的描述了碎裂鉆井碎巖機理的人。他提出了碎裂發生的2個基本條件:(1)被加熱的面積必須足夠小,以便造成較大的溫度梯度;(2)被加熱區域溫度升高的速度要足夠快,以便使被加熱區域在應力釋放前能夠達到足夠高的溫度。碎裂鉆井的井底碎巖過程如圖4所示[9]。

          4  井底碎巖過程示意圖

          對井底巖石表層的局部迅速進行加熱導致了應力集中,這些因熱膨脹而產生的應力作用于靠近井底巖層表面的微小裂隙處,使裂隙沿著平行井底巖層表面的方向發展,形成附著于巖層表面的薄片并逐漸隆起,到達一定程度后應力會突然釋放,導致薄片迅速地彈出巖層表面。

          以普雷斯頓等人的研究為基礎,特斯特等人提出了一套解釋碎裂鉆井的理論。如果假定受熱巖石為半無限體,平行于巖石表面的壓應力隨溫度的升高成正比例的變化。

          但是只是對巖石壓應力進行了研究,并沒有給出巖石產生碎裂時的關鍵條件。韋伯指出井底表層巖石的碎裂破壞受微小裂隙的分布、作用于裂隙處的應力大小、應力作用面的面積等多種條件的影響。

          特斯特等人對韋伯統計理論進行了進一步的研究,這套新的理論基于以下幾個主要假定:

          1)碎片都是在壓應力作用下通過相同的機理形成的;

          2)熱擴散只是進入到巖層表面以下很短的距離,因此熱應力狀態不受鉆孔形狀的影響;

          3)傳統的板梁彎曲理論可以用來描述碎片剝離母巖時的狀態;

          4)韋伯分布描述了碎片的巖石強度的多種多樣的變化。

          特斯特等人估算出的巖石碎裂時的溫度一般在400~550之間[10]。

           

          4  碎裂鉆井優缺點

          4.1  優點

          1)進尺快。

          當鉆井諸如花崗巖的堅硬地層時,預測進尺速度能達到100ft/h。布朗工程公司于1985年在花崗巖地層鉆探了一口超過1000ft深的井,平均進尺速度達到了52ft/h。而如果采用牙輪鉆頭鉆進芬頓山地區的花崗巖地層時,最大進尺速度只有12ft/h。

          2)設備磨損少。

          由于井下燃燒器并沒有與井底巖層直接接觸,所以磨損少,相比于常規鉆井方式中鉆頭的使用壽命,井下燃燒器的壽命要長。同時由于鉆桿柱沒有旋轉,所以也減少了對鉆桿的磨損,延長了鉆桿的使用壽命。

          3)能夠靈活地改變孔徑大小。

          用碎裂鉆井方法鉆井,不同的進尺速度產生不同的孔徑,可以通過改變進尺速度的大小來改變孔徑的大小。

          4)控制井斜。

          由于碎裂鉆井的鉆桿柱不需要旋轉,所以減少了井下設備與井壁間的直接接觸,而且井下燃燒器承受的上部壓力小,進而減少了井斜現象的發生。

          4.2  缺點

          1)適用范圍有限,受地層條件限制。

          目前,碎裂鉆井技術還只是在針對氣體環境的研究試驗中取得了比較好的效果。在液體環境中試驗碎裂鉆井方法時,首要的任務也應該是排出井下液體對火焰流的干擾,而且尚沒有非常有效地解決辦法,應是一個重要的研究方向。

          2)燃燒器結構復雜。

          井下燃燒器中輸送燃料、氧化劑、冷卻水的通道應相互獨立,這就使得燃燒器的結構比較復雜。

          3)容易發生井下著火現象。

          在有些井中,井中會含有烴類等易燃氣體。在這種狀況下,即使是常規鉆井方法也容易造成井下著火現象,而碎裂鉆井發生井下著火現象的可能性更大。一旦發生井下著火現象,會對井下設備造成損壞。

          4)鉆井效果受巖石類型影響明顯。

          目前碎裂鉆井技術只是在諸如花崗巖等堅硬地層取得了較好的效果。雖然研究人員正努力使碎裂鉆井技術適用于更多巖石類型,但是適用范圍的局限性仍是限制碎裂鉆井技術廣泛應用的重要原因。整體來講,具有較低的導熱系數和較高的熱膨脹率的巖石比較適合采用碎裂鉆井方法。

           

          5  結語

          就目前來講,碎裂鉆井技術尚不成熟。而且試驗顯示在適用范圍方面仍有很大的局限性,即目前它只是在花崗巖、鐵燧巖等堅硬的結晶質巖石地層體現出了明顯的優越性。但是這并不妨礙碎裂鉆井技術有廣泛的應用前景。據勘查資料所知,大量的地熱資源蘊藏于堅硬地層中,采用常規鉆井技術很難使其得到經濟有效地開發。隨著技術的進步,終有一天碎裂鉆井技術會在技術成熟度、適用范圍等方面有較大的突破,并對經濟有效地開發地熱資源產生長期深遠的影響。

           

          參考文獻:

          [1]  鄢泰寧, 丁祥發, 李邵軍. 非傳統鉆進方法——熱能碎巖的原理及其初步實踐[J]. 探礦工程, 1999, (3): 39-41.

          [2]  Armstead, H.C.H. and J.W. Tester.Heat Mining [M]. London: E. F. N. Spon, 1987.

          [3]  李敦寶, 周韶光. 地熱生產井鉆井技術[J]. 國外地質勘探技術, 1982, (4): 4-9.

          [4]  J. W. Tester, et al.The Future of Geothermal Energy[R].Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, 2006:189-190.

          [5]  J. W. Tester, et al. Economic Predictions for Heat Mining: A Review and Analysis of Hot Dry Rock (HDR) [R].Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, 1990.

          [6]  M. M. Newsom, et al.The Terra-Drill Program [R].Albuquerque: Sandia National Laboratory, 1976.

          [7]  K. G. Pierce, et al. Advanced Drilling Systems Study [R].Albuquerque: Sandia National Laboratory, 1996.

          [8]  Robert M. Potter, et al. Continuous Drilling of Vertical Boreholes by Thermal Processes: Including Rock

          Spallation and Fusion [P].United States Patent No. 5,771,984, Jun 1998.

          [9]  Tobias Rothenfluh. Spallation Drilling for Deep Heat Mining [R].Zurich:Swiss Federal Institute of Technology, 2007: 7-8.

          [10]  Chad R. Augustine, et al. Hydrothermal Spallation Drilling and Advanced Energy Conversion Technologies for Engineered Geothermal Systems [D]. Cambridge: Department of Chemical Engineering,Massachusetts Institute of Technology, 2009: 25-33.

           

          作者簡介:白占學(1986–),男(漢族),河北滄州人,中國地質大學(北京)工程技術學院在讀碩士,地質工程專業,主要學習與研究方向為地熱資源的勘探與開發,北京市海淀區學院路29, laobai0726@163.com。

          [責任編輯:dww]

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