摘要：高温岩体地热开发中首先需要解决的问题是深钻施工。根据中国高温岩体地热资源赋存的地质特征，提出高温岩体地热钻井施工中两大关键技术问题：1.钻井围岩稳定性控制技术；2.高温高压钻井液技术。由此提出解决高温岩体地热深钻施工的钻井技术要求。高温高压下深钻施工关键技术的研究，对于人类探索地球、开发地球深部的能源与资源具有重要的科学与工程意义。
关键词：高温岩体地热；高温高压；钻井围岩；钻井液
1 高温岩体地热开采中钻井围岩的稳定性控制技术
1.1高温岩体地热开采中钻井围岩失稳主要因素
高温岩体地热深钻施工过程中或投入使用后，其井壁围岩的稳定性受到多种因素的影响，钻井围岩的稳定性受到温度、渗透压力及原岩应力等多种因素的影响。因此，从传热学、渗流力学、热弹性力学、流变力学以及高温高压岩体力学出发，进而研究注水井、生产井及其两者之间岩体位移场的变化规律，为高温岩体钻井围岩在施工过程中及投入使用后井壁围岩的稳定性提供理论支持，找到合适的围岩加固技术，提高钻井围岩的稳定性。
（1）钻井施工过程中钻进阶段及裸井阶段
井壁围岩失稳现象大部分发生在钻井施工钻进过程及裸井阶段。井孔的失稳造成的损失最为严重，主要有 2 个方面的原因：
① 高温遇钻井液后井壁围岩力学特性的变化
花岗岩在遇到钻井液或泥浆后，由于温度迅速降低，井壁围岩发生物理化学变化，力学特性发生变化。由于高温状态下花岗岩遇水产生热冲击作用，岩体内产生热破裂现象，力学性能劣化，弹性模量、抗压强度、抗拉强度随温度的升高而成减小的趋势。
② 钻进过程中井壁围岩的热破裂现象
在钻井施工过程中，由于水、温度及应力的共同作用，尤其是水的作用，钻井围岩产生热破裂现象，使钻井围岩发生失稳。
因此，高温岩体地热开发深钻施工中，由于钻井液及钻井泥浆的使用，在钻进过程中井壁围岩极易产生热破裂，从孔壁掉落下来，造成卡钻，甚至造成钻井围岩失稳。
（2）钻井建成投入使用阶段
高温岩体地热井建成投入使用后，在温度场–渗流场–应力场耦合作用下，井壁围岩系统随时间发生流变变形，井孔直径逐渐缩小，挤压套管，很容易将套管挤毁或形成“缩颈”现象，这是钻井建成投入使用后井壁围岩失稳的主要因素。
1.2高温高压下钻井围岩流变特性
高温岩体地热开采中钻井的变形破坏规律和稳定性准则：
（1）高温相同埋深静水应力下，花岗岩中钻井围岩的蠕变特性存在温度阈值为400℃～500℃。
（2）高温相同温度静水应力下，钻井围岩蠕变存在应力阈值为4000～5000m埋深，即加载应力100～125MPa。
（3）钻井围岩在高温静水应力下，花岗岩体最终发生破坏的应力条件为5000～6000m埋深，静水应力（125～150 MPa），温度条件为500℃～600℃，其破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。
1.3高温高压下钻井围岩变形破坏规律与失稳临界条件
高温高压下钻井围岩变形破坏规律与失稳临界条件
（1）4000m埋深及400℃温度范围内钻井围岩的变形规律
4000m埋深静水应力400℃温度范围内，随着时间的延长，花岗岩中钻井孔径逐渐缩小，钻井处于收缩状态。对于直径为40mm的钻井，孔壁最大位移量为1.88mm，即最大蠕变应变为1.88%。
（2）4000～5000m 埋深，400℃～500℃时钻井围岩的变形规律
4000～5000m埋深静水应力，400℃～500℃时，随着时间的推移，钻井围岩在距孔壁较远的部位表现为黏弹性变形，距孔壁较近的部位发生塑性变形，同时在蠕变压力的影响下，孔径有扩大的趋势。当达到5000m埋深静水应力，500℃时，钻井直径由40mm缩减为30mm，钻井孔壁最大蠕变变形量达到5mm，即最大蠕变应变为5%。
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（3）高温高压下钻井围岩变形破坏失稳临界条件
通过对6000m埋深静水应力以内，600℃以内花岗岩中钻井变形规律及钻井破坏的研究可知：高温高压下花岗岩中钻井围岩变形破坏失稳临界条件为4000～5000 m埋深静水应力，400℃～500℃。
2 高温高压钻井液技术
2.1高温岩体地热钻井高温处理剂
（1）抗高温降黏剂
磺甲基单宁（SMT），简称磺化单宁，适于在各种水基钻井液中作降黏剂，在盐水和饱和盐水钻井液中仍能保持一定的降黏能力，抗钙可达1000mg/L，抗温可达180℃～200℃。其添加量一般在1%以下，使用的pH值范围为9～11。
磺甲基栲胶（SMK），简称磺化栲胶，抗温可达180℃。其降黏性能与SMT相似，可任选一种使用。
磺化苯乙烯马来酸酐共聚物（SSMA）是一种抗温可达230℃的稀释剂。该产品在美国某些行业领域应用比较广泛，国内也有应用，但成本较高。
（2）抗高温降滤失剂
磺甲基褐煤（SMC），简称磺化褐煤，既是抗高温降黏剂，同时又是抗高温降滤失剂，具有一定的抗盐、抗钙能力，抗温可达200℃～220℃，一般用量为3%～5%。
磺甲苯酚醛树脂，简称磺化酚醛树脂，分1型（SMP–1）和2型（SMP–2）产品。在200℃～220℃，甚至更高温度下，不会发生明显降解，并且抗盐析能力强。
国内常用的抗高温降滤失剂还有磺化木质素磺甲基酚醛树脂（SLSP）、水解聚丙烯腈（HPAN）、酚醛树脂与腐殖酸的缩合物（SPNH）以及丙烯酸与丙烯酰胺共聚物（PAC系列）等。
（3）常用抗高温钻井液体系
磺化钻井液和聚磺钻井液是最典型的高温钻井液体系，磺化钻井液是以SMC，SMP–1，SMT和SMK等处理剂中的一种或多种为基础配制而成的钻井液，其主要特点是热稳定性好，在高温高压下可保持良好的流变性和较低的滤失量，抗盐能力较强，泥饼致密且可压缩性好，并具有良好的防塌、防卡性能。
聚磺钻井液是将聚合物钻井液和磺化钻井液结合在一起而形成的一类抗高温钻井液体系。聚合物钻井液在提高钻速、抑制地层造浆和提高井壁稳定性等方面确有十分突出的优点，聚磺钻井液既保留了聚合物钻井液的优点，又对其在高温高压下的泥饼质量和流变性进行了改进，从而有利于深井钻速的提高和井壁的稳定。该类钻井液的抗温能力可达200℃～250℃，抗盐可至饱和。
2.2高温钻井液配方的试验研究
通过试验研究表明：磺化酚醛树脂SMP–2和高温抗盐降失水剂SPC的配合使用下，添加3%～5%的黏土稳定剂YL和2%～4%的磺化沥青FT–1，盐水钻井液具有较好的高温稳定性，滤失量控制在18mL以内，达到了高温地热钻井的要求。
2.3钻井液的性能对井壁围岩稳定性的影响
（1）钻井液引起的温度扰动对井壁围岩稳定的影响钻井液从井口到井底的过程中，虽然被逐渐加热，但其温度始终低于目的层的温度。在实际地层条件下，钻井过程中井壁地层受到钻井液的冷却作用，由于井壁岩石各种矿物热胀冷缩性质不一致，拉伸热应力还会导致井壁产生微裂纹。所以，冷却产生的拉伸热应力一方面使井壁周向应力和轴向应力降低，另一方面产生微裂纹，从而导致破裂压力降低。
（2）钻井液对井壁围岩稳定性影响的应对措施在配置钻井液的同时要精确计算钻井液的密度，有效平衡地应力与热应力。高温滤失量必须控制在一定范围内，减小液体向井壁岩石的渗透，保证井壁的稳定性。
3结论
根据我国高温岩体地热资源赋存的地质特征，在试验研究、理论分析的基础上，通过研究高温岩体地热开采深钻施工的关键技术问题，得到以下主要结论：
（1）根据我国高温岩体地热资源赋存的地质特征，提出了高温岩体地热钻井施工中三大关键技术问题：钻井围岩稳定性控制技术、高温高压破岩技术、高温高压钻井液技术。
（2）提出了高温岩体地热开采中钻井围岩稳定性控制技术。
（3）从高温对钻井液的影响、地热钻井对高温处理剂的一般要求、钻井液的性能对井壁围岩稳定的影响及应对措施，提出了解决高温岩体地热深钻施工的钻井液的技术配方。
（4）高温高压下深钻施工技术的解决，对于人类探索地球、开发地球深部的能源与资源具有重要的科学与工程意义。
论文作者:金振华
论文发表刊物:《基层建设》2017年第9期
论文发表时间:2017/7/20
标签：围岩论文; 高温论文; 地热论文; 井壁论文; 钻井液论文; 应力论文; 稳定性论文; 《基层建设》2017年第9期论文;