肯尼亞地熱資源高溫地熱鉆井八項鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

肯尼亞地熱資源的利用

肯尼亞是東非經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展最具活力的國家之一，近幾年來(lái)電力需求量以年均6.4%的速度遞增，然而電力供應短缺、電價(jià)過(guò)高成為制約其國民經(jīng)濟發(fā)展的主要瓶頸之一。為了彌補電力不足和控制發(fā)電成本，肯尼亞政府主要通過(guò)建立地熱電站來(lái)替代燃油發(fā)電。

依據肯尼亞在2015年制定的能源政策，要在2030年達到地熱發(fā)電總裝機容量5 500 MW的目標。截至2018年6月，肯尼亞地熱發(fā)電總裝機容量683.9 MW，其中，肯尼亞發(fā)電公司地熱發(fā)電裝機容量533.9 MW，占比78.1%，獨立發(fā)電商地熱發(fā)電裝機容量150 MW，占比21.9%。

肯尼亞地熱資源勘探

作為唯一商業(yè)化開(kāi)發(fā)的肯尼亞Olkaria地熱田位于肯尼亞裂谷谷底中部以南，局部及周邊的構造情況如圖1所示，Olkaria地熱田整體面積大約100 km2，已探明資源面積大約40 km2。

Olkaria地熱田的勘探工作始于1950年，通過(guò)地質(zhì)特征分析、地球化學(xué)研究、地球物理勘探等技術(shù)，揭示了地下巖石和流體的相關(guān)屬性，以及儲層和滲透性通道的位置和展布，為鉆井提供有利信息，并在1970年取得了突破性進(jìn)展，在區塊內成功完鉆了溫度達300℃的地熱井。

地質(zhì)特征分析

Olkaria地熱田是一個(gè)被南北走向的正斷層切割的火山巖復合體（圖2），地下可劃分為4個(gè)主要地層，包括：Mau凝灰巖層，Plateau粗面巖層，Olkaria玄武巖層及上Olkaria火山巖層。Olkaria系統內的水主要來(lái)自于大氣降水，北東東走向的Olkaria斷層區是整個(gè)Olkaria地熱田最重要的滲透構造，該斷層經(jīng)過(guò)東北和西部區塊，形成了系統內最高產(chǎn)的部分和一個(gè)水文上的劃分。斷層北部的地熱儲層以液體為主，不含氣層；斷層南部?jì)觿t是以液體為主的兩相系統，液體在下，上覆蒸汽。

圖1 Olkaria及周邊地熱田在東非大裂谷中的位置 

圖2 Olkaria地熱田巖性及溫度剖面（W-E)

地熱井鉆井難點(diǎn)

1）控制井筒溫度

地熱井和油氣井有很大的區別。在油氣井鉆井時(shí)，地層溫度都有規律可循，鉆井過(guò)程中考慮更多的是如何完成鉆井任務(wù)及在鉆井過(guò)程中不傷害油氣層。而地熱井則不同，首先表現在地溫梯度無(wú)規律可循，且地層溫度遠遠高于油氣井的溫度，地熱井水蒸氣的最高產(chǎn)出溫度近400℃，圖7是肯尼亞地熱井OW-49井完井12周后測試得到的溫度變化曲線(xiàn)。由測試結果可知，該井的溫度由井口的40.998℃變化為井底（3 622.1 m）的392.174℃，最高溫度為392.584℃。

鉆井過(guò)程中井口返出溫度高，對循環(huán)介質(zhì)的抗高溫性能提出了挑戰，同時(shí)對鉆井安全和井控工作亦是一個(gè)威脅。特別是當幾百度的水蒸氣一旦涌出地面，其控制程序完全不同于油氣的控制，首先是油氣井鉆井的相關(guān)控制設備在高溫下都有可能失效，需要在地熱井鉆井時(shí)避免地層中的水蒸氣噴到地面上來(lái)。

2）鉆井過(guò)程中存在較大的摩阻

由于地熱井井筒內溫度高，因此，大部分時(shí)間使用空氣泡沫循環(huán)液等冷卻循環(huán)液體作為鉆井液，井壁沒(méi)有泥餅，起鉆過(guò)程中也沒(méi)有泥漿充當潤滑劑，再加上定向井井身軌跡不規則，導致摩阻變大，正常情況下，井深2 800 m起鉆時(shí)，懸重達到180 t左右。

3）鉆井液的循環(huán)和盲鉆

肯尼亞地層從地表至目的層均由火山噴發(fā)巖組成，整個(gè)井眼裂縫非常發(fā)育，漏失嚴重，部分時(shí)間是在盲鉆，沒(méi)有任何流體返出井口，這在油氣井鉆井中是不可想象的，而由于地層的特點(diǎn)及構造，在盲鉆過(guò)程中鉆井液將巖屑帶入漏層及裂縫，保證了井底的清潔，從而也保證了正常作業(yè)；其次，由于熱交換的原理，循環(huán)鉆井液的溫度隨著(zhù)時(shí)間的推移溫度持續升高特性下降。

4）井眼的清潔問(wèn)題

肯尼亞地熱井所鉆地層除表層外，基本上都是火山噴發(fā)巖，從實(shí)鉆情況來(lái)看，多數后期都遇到了嚴重的井眼不穩定問(wèn)題，因此，解決井眼清潔問(wèn)題尤為重要。

5）抗高溫鉆井液研制

在上部地層漏失不嚴重的情況下，地熱井高溫的特點(diǎn)對使用的鉆井液有其特殊的要求：(1)地層流體礦化度高，其化學(xué)作用對鉆井液體系造成一系列的嚴重化學(xué)危害并對鉆具產(chǎn)生腐蝕；(2)要求泥漿密度較低；(3)鉆井液抗高溫能力要強，一般要求達到180～200℃。

目前，國內外除了研發(fā)抗高溫的鉆井液外，解決超深井抗高溫難題的另一種鉆井液體系為高溫泡沫鉆井液體系。在配制和維護過(guò)程中，通過(guò)抗高溫發(fā)泡劑和抗高溫保護劑，提高泡沫在高溫條件下的穩定性，采用常規泡沫鉆井技術(shù)實(shí)現高效鉆進(jìn)。

6）高溫固完井問(wèn)題

在高溫環(huán)境中，水泥漿的封固能力、套管腐蝕性、套管強度以及地層蠕變對套管的擠壓作用都影響著(zhù)固井質(zhì)量。哈里伯頓公司的高溫緩凝劑與硼酸（鹽）復配，最高適用的循環(huán)溫度為316℃；斯倫貝謝公司的UNIFSET緩凝劑適用溫度小于232℃；國內水泥漿體系及添加劑仍以循環(huán)溫度200℃以下為主，性能參數和穩定性難以滿(mǎn)足200℃以上地層的固井要求。

7）高效破巖問(wèn)題

地熱鉆井常用的是牙輪鉆頭，部分情況下使用PDC（人造聚晶金剛石復合片）鉆頭鉆井?？夏醽喌貙又饕蓤杂驳幕鹕綆r組成，幾乎無(wú)泥砂巖，地層研磨性強，機械鉆速非常低。通常地熱井鉆頭要鉆高研磨性的變質(zhì)巖、火成巖層，通常它們都屬于基巖。對于牙輪鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)的主要問(wèn)題是鉆頭壽命短，牙輪鉆頭的軸承損壞和牙輪錐邊保徑齒圈的過(guò)度磨損都是損壞的主要形式。軸承和保徑齒圈的磨損有直接的關(guān)系，一種磨損將導致另一種磨損，因此，在地熱鉆進(jìn)中，為了延長(cháng)軸承壽命會(huì )要求降低鉆壓，而低鉆壓導致低鉆速，其后果往往使地熱鉆進(jìn)更糟。

PDC鉆頭用于石油鉆井已有近60 a的歷史。隨著(zhù)切削齒材料技術(shù)和鉆頭設計技術(shù)的不斷進(jìn)步，其獨特的鉆井安全性、結構形式的靈活性以及剪切破巖的高效切削性，使PDC鉆頭在油氣鉆井工程中的地層適應范圍越來(lái)越廣，據統計目前在世界范圍內鉆井總進(jìn)尺數的80%都是由PDC鉆頭完成的，占有絕對的重要地位。

在高研磨性地層中鉆進(jìn)時(shí)，常規PDC鉆頭的切削齒磨損速度快，鉆頭的工作壽命很短。同時(shí)，高抗壓強度的巖層使PDC鉆頭難以有效地吃入地層，PDC鉆頭的應用受到很大限制。

肯尼亞地熱鉆井所使用的牙輪鉆頭典型的失效形式主要有2類(lèi)：其一，在高研磨性地層中鉆進(jìn)時(shí)導致的牙齒脫落、斷裂；其二，牙齒快速磨損及其所導致的縮徑問(wèn)題，這也是一種在2 000 m以下頻繁出現的失效形式，此時(shí)牙輪鉆頭的工作壽命一般都比較短（多介于15～40 h），說(shuō)明深部井段的地層研磨性很強。上述2種失效形式在鉆頭外排和次外排齒表現得最突出，外排齒的脫落或磨損導致鉆頭嚴重縮徑的現象頻繁發(fā)生。

通過(guò)上述牙輪鉆頭應用現狀及失效分析，總結如下：(1)在井深2 600 m以下井段，地層的硬度高、研磨性強、溫度高，從鉆頭使用情況看，隨著(zhù)溫度的升高，牙輪齒孔膨脹量大于硬質(zhì)合金齒，造成牙齒和齒孔的實(shí)際過(guò)盈量小于設計過(guò)盈量，降低了牙齒的固緊力，造成鉆頭掉齒，且牙齒磨損嚴重，鉆頭使用壽命明顯下降；(2)齒形技術(shù)、固齒技術(shù)以及鉆頭保徑技術(shù)是高溫地熱井鉆頭必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

8）空氣鉆井技術(shù)問(wèn)題

肯尼亞地熱田地層自上到下裂縫和溶洞非常發(fā)育，從實(shí)際的工況來(lái)看，全井從地表至目的層中的任何一點(diǎn)都有可能發(fā)生漏失，而每一次發(fā)生的漏失幾乎都是完全漏失，無(wú)漏層或漏點(diǎn)規律可循，常規的油井鉆井堵漏技術(shù)在此無(wú)用武之地。

依據地熱井的生產(chǎn)特性，生產(chǎn)層也不允許堵漏，空氣泡沫鉆井的目的是為了解決井眼的漏失問(wèn)題，所以低密度氣基流體鉆井技術(shù)在此是不可缺少的鉆井技術(shù)之一?？諝忏@井是以空氣代替常規鉆井液作為循環(huán)介質(zhì)，通過(guò)空氣設備為載體實(shí)現的鉆井工藝。

同時(shí)，由于泡沫流體的應用，制約了MWD（無(wú)線(xiàn)隨鉆）和有線(xiàn)隨鉆的使用，因此，該地區只能采用單點(diǎn)定向，存在火山巖地層可鉆性差和空氣泡沫定向螺桿效率低的問(wèn)題。