油气钻井技术在干热岩开发中的适应性分析

思 娜， 叶海超， 牛新明， 王 磊， 冯建赟， 靳瑞环

（1. 中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；3. 中国石化中原石油勘探局培训中心，河南濮阳 457001）

干热岩是非化石能源中最具有利用潜力的一种清洁地热资源，在能源转型的关键时期其战略地位显得尤为重要。干热岩地热资源几乎遍及全球，资源量比煤炭、石油、天然气的总和还要大。由我国能源行业标准《地热能术语》（NB/T 10097—2018）可知，干热岩是指内部不存在或仅存少量流体、温度高于180 ℃的异常高温岩体。据我国地质调查局统计，我国埋深3～10 km干热岩地热资源的总量达到了2.5×1025J，仅青海省共和盆地干热岩理论资源总量按2%的开采率计算，即可达到2016年全国能源总消耗量的3倍[1]。迄今，美国、英国和德国等国家均开展了干热岩开发试验，共建立了14座干热岩试验发电站，总装机容量为12.2 MW，初步具备商业开发规模。我国对于干热岩的勘探目前尚处于起步阶段，近两年先后在青海、河北、山东和东南沿海地区完成了10余口干热岩勘探井[2]。2017年8月，我国在青海共和盆地3 705.00 m深处钻遇236 ℃的高温干热岩体，取得重大勘探突破，并进行了大量的基础研究工作。

作为深部地热资源勘探开发关键技术之一的钻井技术，目前主要移植油气钻井技术。鉴于干热岩地热资源的特殊性，需要探讨油气钻井技术的适应性。为此，笔者在分析干热岩地热资源埋藏特性及钻井技术需求的基础上，分析了油气钻井技术在干热岩地热资源开发中的适应性，以期为我国干热岩钻井技术的研究提供参考。

1 干热岩地热资源特征及钻井技术需求

尽管国外对干热岩开发的研究较早，但受资源特性、开发难度和成本等的限制，目前还没有干热岩项目实现规模化、商业化开发。在众多限制条件中，钻井技术为主要的制约因素之一。

1.1 干热岩地热资源特征

干热岩地热资源主要分布在地壳减薄区的盆地、构造剧烈运动板块的边缘、高放射性区和近现代火山，一般位于火山岩体深部，储层岩性以花岗岩为主，岩体致密、渗透性低且不含水；同时，沉积岩、火山岩和变质岩也是干热岩储层岩体。青海共和盆地为典型的干热岩地层，储层岩性为花岗岩。

干热岩地热资源赋存的形式与油气资源有较大差异。石油以液态形式赋存于地下孔隙、裂缝或溶洞中。天然气以游离、吸附形式主要赋存于沉积岩中，如砂岩、砾岩、碳酸盐岩等。干热岩地热资源以高温、超高温热流形态赋存于地下岩体中，开发时需建立人工热储，采用工质进行热交换，循环取热，发电利用。

由于干热岩地热资源赋存的深度、地层以及特性与油气资源不同（见表1），导致干热岩地热资源开发对钻井技术的需求也与油气资源有诸多不同[1-4]。

表1 干热岩地热资源与油气资源的不同Table 1 Differences between hot dry rock resources and oil/gas resources

1.2 干热岩地热资源开发对钻井技术的需求

干热岩地热资源通常具有埋藏深、温度高、硬度大、岩性致密、地应力差异大等地质特征，对于这类地层，油气钻井技术适应性较差，安全快速成井困难。因此，干热岩地热资源的开发对钻井技术、工具和工作流体提出了更高的要求[2-6]。

1）干热岩地热资源埋藏深、地层复杂、井下故障多，需要安全高效快速钻井技术。干热岩地热资源埋深一般大于3 000.00 m，构造复杂，地层局部裂隙发育，钻井过程中热破裂、井漏、井塌、卡钻等问题突出，钻井风险不易预测。因此，需开展干热岩井井身结构优化设计、地层压力预测、防漏堵漏技术、耐高温低密度钻井液等方面的研究，形成干热岩井安全快速钻井技术，实现高温硬地层安全快速成井的目的。

2）地层温度高，需要耐高温钻井工具及工作流体。在高温环境下钻头、井下动力钻具、随钻测量仪器等井下工具，性能不稳定、使用寿命短；钻井液添加剂在高温环境下性能会降低甚至失效，造成钻井液性能无法满足正常携岩需求。油气钻井工具的耐温性能难以满足钻进干热岩储层的要求。因此，需要研发耐高温钻井工具和钻井工作流体。

3）岩石强度大、硬度高，需要高效破岩工具。干热岩主要以黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩为主，单轴抗压强度大于200 MPa，研磨性强、硬度大，钻头磨损快，常规钻头及辅助破岩工具的破岩效率低，机械钻速低，钻井成本高。因此，需要研发高性能钻头及高效的辅助破岩工具。

4）储层非均质性强，需要高精度地层描述技术。与油气储层相比，热储层的岩性、物性等变化较大，非均质性强，因此需要高精度随钻描述技术。通过高精度测录井资料能获得地层的岩性、物性及裂缝分布特性，以更好地指导干热岩钻井。

5）换热流体能量密度低，实现经济有效开发，需要低成本钻井技术。由于干热岩地层非均质性强，加之换热流体（水）能量密度低，循环换热流量大，要求井筒直径大，与油气资源开发相比，相同井深需要用更多大直径的套管，造成钻井成本占整个干热岩井开发成本的50%左右。所以，提高钻井效率，降低钻井成本至关重要。最大限度地接触干热岩是高效开发干热岩地热资源的主要手段，因此，需采用定向井、水平井、分支井等复杂结构井进行开发，以降低干热岩地热资源的开发成本。

2 油气钻井技术适应性分析

目前，我国油气钻井技术已经十分成熟，因此利用油气钻井技术进行干热岩钻井被认为是推进干热岩地热资源勘探开发的有效途径，但需要分析油气钻井技术在该类资源开发中的适应性，对存在的技术瓶颈进行攻关研究。

2.1 安全高效快速钻井技术

安全是钻井的第一原则，利用区域地质特征、地层信息以及从邻井获取的地球物理资料（地质、钻井液、录井、地球物理测井等资料）预判钻井风险，指导安全快速钻井，以避免发生井下故障，提高钻井效率。目前，已形成了一系列安全高效快速的油气钻井技术。

控压钻井技术能够精确控制井底压力，增强井控能力，减少钻井液密度调整次数，降低发生井塌、井漏等井下故障的概率[7]。Schlumberger、Halliburton、Weatherford和Shell等各大油服公司均有成熟的控压钻井系统，井底压力控制精度达到0.30 MPa。国内中国石化石油工程技术研究院、中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院和中国石油集团工程技术研究院有限公司均研发了精细控压钻井系统，井底压力控制精度与国际先进水平相当。

通过在钻井液及水泥浆添加减轻剂以降低其密度，形成低密度钻井液及水泥浆，从而降低钻井、固井过程中的液柱压力，避免压漏脆弱地层而造成恶性漏失。Schlumberger公司微泡钻井液的最低密度为0.9 kg/L，中国石化石油工程技术研究院研发的中空微珠低密度钻井液的密度最低可达到0.8 kg/L。

通过增大水灰比可以将水泥浆密度最低降至1.50 kg/L，通过添加空心微颗粒、气体等可以将其密度最低降至1.0 kg/L，Halliburton公司、中国石化石油工程技术研究院均研发出此类水泥浆[8]。

受裂缝尺寸、溶洞大小、地层温度、水质的影响，现有化学堵漏材料还不能完全解决裂缝和溶洞型恶性漏失堵漏的难题。采用管材封隔漏失层效果较好，如膨胀管可克服常规堵漏材料耐温性能低的问题，但施工周期较长，需简化膨胀管的膨胀过程，提高经济效益[8]。Weatherford公司拥有世界领先的实体膨胀管技术。中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院及中国石油集团工程技术研究院有限公司研发了实体膨胀管，中国石化石油工程技术研究院研发了膨胀波纹管，均已达到国外先进水平。

反循环钻井技术是将钻井液从井筒环空泵入，经钻头、钻具内眼返出地面，对于恶性漏失地层非常有效，已经应用于地热井，单位进尺成本降低幅度超过了33%。缺点是无法应用传统井控技术，面临安全问题。Reelwell公司的双壁钻杆反循环钻井技术（见图1）利用同心双壁钻杆实现反循环，与Shell、Total等油服公司合作实施了“20 km大位移井”项目，成功解决了深井井下故障多发的问题。

干热岩地层非均质性强，钻井数量少，缺乏详细可靠的地质资料、地层信息，无法进行精确的钻井设计、准确预测风险；其次，在预防和处理恶性漏失等井下故障中，为降低钻井成本，通常采用清水边漏边钻，井身质量和固井质量很难保证。

图1 Reelwell双壁钻杆反循环钻井技术Fig. 1 Reelwell double wall drill pipe reverse circulation drilling technology

油气安全高效快速钻井技术虽然对干热岩地热资源开发具有一定的适应性，但不能完全满足干热岩安全快速高效钻井的要求，还需要进一步研究高精度钻井风险预测技术，研究低成本低密度耐高温的钻井液和水泥浆。

2.2 耐高温技术

干热岩地热资源的高温特性对钻井流体、钻井工具、测量仪器及测录井仪器的耐高温性能提出了更高的要求，当前油气井钻井所用工作流体、钻井工具、测量仪器及测录井仪器的耐温性能基本满足一般干热岩地热资源开发的要求。

钻井液方面，目前，国外水基钻井液最高耐温可以达到260 ℃，油基钻井液最高耐温可达265 ℃。水泥浆方面，Schlumberger公司的ThermaSTONE水泥浆可耐350 ℃高温，国内的水泥浆也可耐236 ℃高温[9-11]。国内钻井液和水泥浆的耐温性能与国际先进水平相当，但是需强化其稳定性。

国外油气井高温高压测井仪器可以耐260 ℃高温、抗207 MPa高压，国内中国石油EIlog和LEAP800测井仪器的耐温、抗压能力分别达到了175 ℃、140 MPa。目前，完井测试工具的耐温、抗压能力分别达到了240 ℃、159 MPa。

钻头方面，BHGE公司研发了StayCool切削齿，提高了钻头切削齿的热稳定性，解决了高温对钻头造成破坏的问题，相比标准PDC切削齿产生的热量减少了50%；目前通过采用金属轴承密封系统、耐高温润滑介质，强化顶齿和掌背使牙轮钻头的耐温能力达到了 288 ℃[8-11]。

有效开发利用干热岩地热资源的关键是找到更高温度的热储层并形成高效取热通道，当前油气钻井所用工具、仪器、工作流体仅适用于较低温度干热岩地热资源的勘探开发，还不能满足260 ℃以上超高温干热岩地热资源勘探开发安全高效快速成井的需求。因此，需要开发配套的耐超高温的钻井工具、测井仪器及低成本工作流体，形成超高温钻头、钻井工具、流体一体化解决方案，以满足更多类型干热岩地热资源开发的需求，提高钻井速度，缩短钻井周期，降低钻井成本。

2.3 高效破岩工具

干热岩地热资源90%赋存于火山岩-花岗岩、流纹岩中，其抗压强度可达240 MPa，磨蚀性强（石英含量＞50%）。因此，造成钻头破岩效率低，加之高温会加速钻头的热损。

钻头是直接破碎岩石的工具。随着钻头技术的不断发展，油气行业钻头技术的发展越来越趋于高性能、多功能、宽适应，以实现“一趟钻”钻进和提速提效。为此，各大型油服公司不断推出新型钻头，如BHGE公司2017年和2018年分别推出了混合钻头Kymera Mach 4钻头和Dynamus钻头（见图2）[9-15]，以提高钻头的适应性，延长钻头的使用寿命。针对超高抗压强度地层，ReedHycalog研制出了超硬热稳定PDC钻头，可钻穿抗压强度达到280 MPa的硬地层，并具有很强的耐磨性和抗冲击性。同时，很多公司推出了多种自适应钻齿（锥形齿、脊形齿、双倒角等），并采用新材料增强钻头的性能[12-13]，如采用陶瓷涂层增强钻头的耐温性能，采用纳米纤维材料增强钻头的抗冲击性能。

图2 Mach 4钻头和Dynamus钻头Fig. 2 Mach 4 drill bit and Dynamus drill bit

冲击器是辅助钻头破岩的有效工具。为提高机械钻速，国内外研制了多种冲击器[16-20]，国外主要有Ander-gauge公司的液动冲击器、Cubex 和Gerald公司的空气锤，国内对液动冲击器的研究较多，中国石化、吉林大学等均进行了液动冲击器的研究。

井下动力钻具是定向井钻井的必备工具，是提高钻井效率的重要工具之一。目前最常用的井下动力钻具有涡轮钻具、螺杆钻具。高温螺杆钻具的耐温能力通常不高于180 ℃，且在高温环境下性能不稳定、使用寿命短。涡轮钻具有耐高温、转速高等优点，适用于火山岩地层。

由于干热岩储层岩石硬度极大，国内外主要采用低转速、可承受高钻压的牙轮钻头钻进，但在高温、高钻压情况下，牙轮钻头轴承的使用寿命相对较短，造成起下钻频繁，导致钻井成本升高。冲击器在油气井钻井中被广泛应用，但对于超硬地层需要优化钻进参数。井下动力钻具因耐温性能低限制了其在高温干热岩地热资源开发中的应用。因此，需要开展钻井参数优化研究，开发与“超高温钻头+井下动力钻具”配套的提速提效工具。

2.4 高精度描述技术

高精度描述技术主要通过分析测录井资料获得储层物性参数、力学参数及地质特征，以指导钻井作业、评价热储层特性。

利用测井资料可以获得油气层孔隙结构及物性、岩石力学参数、裂缝发育程度以及地应力特性等。目前，国外已用随钻成像测井取代了全部电缆测井项目，实现了多参数测井（电阻率、伽马、密度、中子、声波、井斜、方位、振动、地震和远探测电阻率等）和地层评价，且随钻成像测井仪的最高额定工作温度已达到200 ℃。

录井是油气开发过程中获取地层原始资料最直接的方式，可指导钻井作业，判定地层特性，但资料的质量会影响判断结果。Schlumberger和Geolog等公司利用高精度流量计和监测软件监测井涌井漏，指导钻井作业，降低钻井风险。Schlumberger和Halliburton等公司开发了随钻地下实验室，其额定工作温度为204 ℃，能够在井下采样、识别评价地层特性和流体性质，实现地层流体的随钻分析。

开发干热岩地热资源需要分析评价储层的地质特征、岩石力学参数、岩石热力学参数以及储层的热容、导热系数等，现有石油测录井仪器可满足干热岩储层特性描述和评价需要，但在超高温环境下大多数测录井仪器的耐温性能不足。

2.5 低成本钻井技术

增大储层接触面积是提高油气资源开发效率的一种重要技术手段，水平井、分支井等复杂结构井较直井在高效低成本开发油气资源方面具有更大的优势。目前，水平井钻井技术在油气开发中广泛应用，最大水垂比可达10.5，最大测深15 000.00 m，最长水平位移11 569.00 m，水平段最长11 475.00 m，最大垂深为7 971.40 m；分支井技术的关键在于完井工具，目前可实现1～6级完井，且配套工具实现了模块化。

目前，干热岩开发案例中多采用直井或定向井，由于受随钻测量仪器额定工作温度的限制，通常使用单点测斜仪进行定向，限制了钻井效率，加之干热岩储层岩石硬度超高，进一步增大了定向难度，限制了定向井、水平井及分支井在干热岩地热资源开发中的应用。因此，需要进行高温硬地层井眼轨迹控制技术研究。

通过适应性分析得知，油气钻井技术在干热岩地热资源开发中应用受限的主要因素为地层超硬、井下温度超高以及低成本钻井工具及工作流体。因此，需要研发耐超高温的低成本钻井工具、随钻测量仪器及耐高温低密度钻井液及水泥浆，同时提高井下钻具组合的配套性能，主要研究耐300 ℃以上高温的长寿命高效钻头、钻井提速工具、井下随钻测量仪器以及钻井液和水泥浆，为干热岩地热资源规模高效开发做好技术储备。

3 结论及建议

1）鉴于干热岩地热资源储藏具有温度超高、硬度高、非均质性强和能量密度低的特点，勘探开发干热岩地热资源时，在移植常规油气钻井技术的基础上，需重点研发耐300 ℃以上高温的长寿命高效钻头、钻井提速工具、井下随钻测量仪器以及钻井液和水泥浆，同时提高井下钻具组合的配套性能，为干热岩地热资源规模高效开发提供技术支撑。

2）针对干热岩钻井实践中出现的复杂情况，加大反循环钻井和膨胀管技术的移植实践力度，研究干热岩钻井地质环境精细描述技术，配套干热岩地热钻井井控技术，优化干热岩地层恶性漏失堵漏技术，研发干热岩井安全高效快速成井技术，降低干热岩井钻井复杂故障的发生概率，提高干热岩井成井效率，降低其开发成本。

3）积极拥抱“数字革命”，按照“高起点、高标准”的原则，促进智能化干热岩井钻井技术的发展，取准取全各干热岩地热区块的地层特性数据、钻井作业数据、井下故障数据、测录井数据和热储评价数据等，建立完善的干热岩地热数据库，利用“学习曲线”“人工学习”等大数据、人工智能技术提高成井效率，为后期高效改造储层提供依据，实现干热岩地热资源的高效经济开采。