地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (6): 120-129.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.7.13
翁炜1(), 吴烁1, 贺云超1, 蔺文静2,3, 冯美贵1, 甘浩男2,3, 李晓东1
收稿日期:
2024-02-12
修回日期:
2024-04-30
出版日期:
2024-11-25
发布日期:
2024-11-25
作者简介:
翁 炜(1977—),男,博士,教授级高级工程师,从事深部钻探技术及装备研发应用工作。E-mail: wengw77@163.com
基金资助:
WENG Wei1(), WU Shuo1, HE Yunchao1, LIN Wenjing2,3, FENG Meigui1, GAN Haonan2,3, LI Xiaodong1
Received:
2024-02-12
Revised:
2024-04-30
Online:
2024-11-25
Published:
2024-11-25
摘要:
近年来,随着能源资源开发和地球系统科学研究需求的不断增长,钻探深度不断增大,施工过程中面临地层温度高、岩石硬度大、钻进效率低、成本高、事故多等问题。为了解决上述问题,国外对耐高温井下动力钻具、高效碎岩工具、随钻测量工具、降温冷却设备等钻进关键技术开展了针对性研究,相关研究成果已应用于油气钻探、高温地热等领域。国内虽也进行了研究,但与国外研究水平相比,尚有一定差距。本文分析了我国高温硬岩井钻进面临的技术难点,总结了技术需求,对钻进新方法、技术特性和示范应用情况进行了介绍,并立足国内既有装备基础,提出将高速强保径牙轮钻头、耐高温单弯螺杆钻具和耐高温MWD组合,配合耐高温钻井液、地面钻井液强制冷却系统与分段循环降温技术,实现高温硬岩受控钻探。建议后续开展长寿命固定齿钻头、全金属井下动力钻具、冲击钻具和耐高温MWD组合研究,进一步提高高温硬岩钻进施工效率。
中图分类号:
翁炜, 吴烁, 贺云超, 蔺文静, 冯美贵, 甘浩男, 李晓东. 高温硬岩受控钻进新技术、新方法及应用[J]. 地学前缘, 2024, 31(6): 120-129.
WENG Wei, WU Shuo, HE Yunchao, LIN Wenjing, FENG Meigui, GAN Haonan, LI Xiaodong. New technologies, methodology and application in directional high-temperature hard rock drilling—a critical review[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(6): 120-129.
钻压/kN | 扭矩/(kN·m) | 环空压力/MPa | 转速/(r·min-1) | 三轴振动量/g | 工作温度/℃ | 最大承压/MPa | 外径/内径 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
300 | 30 | 0~140 | 0~255 | 0~20 | 175 | 140 | φ178 mm/φ72 mm |
(±5%) | (±5%) | (±5%) | (±1) | (±5%) |
表1 工程参数测量仪性能参数
Table 1 Technical parameters for measuring tool BJIEE-02-172
钻压/kN | 扭矩/(kN·m) | 环空压力/MPa | 转速/(r·min-1) | 三轴振动量/g | 工作温度/℃ | 最大承压/MPa | 外径/内径 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
300 | 30 | 0~140 | 0~255 | 0~20 | 175 | 140 | φ178 mm/φ72 mm |
(±5%) | (±5%) | (±5%) | (±1) | (±5%) |
对比项 | 密度/ (g·cm-3) | 漏斗黏度/s | 表观黏度/ (mPa·s) | 塑性黏度/ (mPa·s) | 动切力/ Pa | 动塑比 | 静切力/ (Pa·Pa-1) | API 滤失量/mL | HTHP 滤失量/mL | pH | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
入井前数值 | 1.18 | 78 | 39 | 26 | 13 | 0.5 | 5/16 | 6.4 | 10.1 | 9 | |
入井后数值 | 1.19 | 60 | 29 | 19 | 10 | 0.53 | 4/10 | 6.8 | 11.6 | 9 |
表2 GH-03井钻井液入井老化24 h前后性能表
Table 2 Change of drilling fluid performances before and after 24-hour aging in well GH-03
对比项 | 密度/ (g·cm-3) | 漏斗黏度/s | 表观黏度/ (mPa·s) | 塑性黏度/ (mPa·s) | 动切力/ Pa | 动塑比 | 静切力/ (Pa·Pa-1) | API 滤失量/mL | HTHP 滤失量/mL | pH | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
入井前数值 | 1.18 | 78 | 39 | 26 | 13 | 0.5 | 5/16 | 6.4 | 10.1 | 9 | |
入井后数值 | 1.19 | 60 | 29 | 19 | 10 | 0.53 | 4/10 | 6.8 | 11.6 | 9 |
进水温度/℃ | 温差/℃ | 出水温度/℃ | 冷却风机功率/kW | 系统处理量/ (m3·h-1) | 管线额定工作 压力/MPa |
---|---|---|---|---|---|
80~90 | 20~25 | 55~60 | 5.5×2 | 180 | 0.6 |
表3 冷却系统主要技术参数
Table 3 Main technical parameters for cooling system
进水温度/℃ | 温差/℃ | 出水温度/℃ | 冷却风机功率/kW | 系统处理量/ (m3·h-1) | 管线额定工作 压力/MPa |
---|---|---|---|---|---|
80~90 | 20~25 | 55~60 | 5.5×2 | 180 | 0.6 |
井深/m | 井底静温/℃ | 分段循环井底温度/℃ | 开启冷却系统循环温度/℃ |
---|---|---|---|
3 179.72 | 171.9 | 143.2 | 113.9 |
3 546.59 | 185.9 | 154.6 | 124.3 |
3 865.35 | 198.6 | 166.3 | 132.8 |
表4 井下降温冷却技术在GH-03井应用效果
Table 4 Effectiveness of downhole cooling technology in well GH-03
井深/m | 井底静温/℃ | 分段循环井底温度/℃ | 开启冷却系统循环温度/℃ |
---|---|---|---|
3 179.72 | 171.9 | 143.2 | 113.9 |
3 546.59 | 185.9 | 154.6 | 124.3 |
3 865.35 | 198.6 | 166.3 | 132.8 |
[1] | 杨寒. 我国首口万米科探井鸣笛开钻标志着我国深地探测系列技术跨入世界前列[J]. 天然气与石油, 2023, 41(3): 13. |
[2] | 李涛, 苏强, 杨哲, 等. 川西地区超深井钻井完井技术现状及攻关方向[J]. 石油钻探技术, 2023, 51(2): 7-15. |
[3] | 蔺文静, 王贵玲, 甘浩男. 华南陆缘火成岩区差异性地壳热结构及地热意义[J]. 地质学报, 2024, 98(2): 544-557. |
[4] | WANG G L, GAN H N, LIN W J, et al. Hydrothermal systems characterized by crustal thermally-dominated structures of southeastern China[J]. Acta Geologica Sinica (English Edition), 2023, 97(4): 1003-1013. |
[5] | DOUGLAS J, AOCHI H. Using estimated risk to develop stimulation strategies for enhanced geothermal systems[J]. Pure and Applied Geophysics, 2014, 171(8): 1847-1858. |
[6] | KITANI S, TEZUKA K. Geologic structure and fracture system of HDR reservoir on NEDO hijiori field in Yamagata prefecture, northeast Japan[J]. Journal of the Geothermal Research Society of Japan, 2002, 24(3): 283-297. |
[7] | 何跃文, 杨雄文, 高雁, 等. 北美地热井高温硬岩钻井技术[J]. 钻探工程, 2022, 49(1): 79-87. |
[8] |
贾军, 张德龙, 翁炜, 等. 干热岩钻探关键技术及进展[J]. 科技导报, 2015, 33(19): 40-44.
DOI |
[9] | 贾红军, 王攀, 冯伟雄, 等. 深井硬岩地层钻井高频低幅扭转振荡耦合冲击器研制与应用[J]. 特种油气藏, 2018, 25(4): 158-163. |
[10] | 谭现锋. 干热岩高效钻井关键技术研究与应用[D]. 武汉: 中国地质大学(武汉), 2022. |
[11] |
闫家, 王稳石, 张恒春, 等. 松科2井带涡轮钻具取心钻进探索[J]. 钻采工艺, 2019, 42(1): 31-34, 3.
DOI |
[12] | 郑宇轩, 单文军, 赵长亮, 等. 青海共和干热岩GR1井钻井工艺技术[J]. 地质与勘探, 2018, 54(5): 1038-1045. |
[13] | 张金成, 张东清, 张新军. 元坝地区超深井钻井提速难点与技术对策[J]. 石油钻探技术, 2011, 39(6): 6-10. |
[14] | 王学龙, 何选蓬, 刘先锋, 等. 塔里木克深9气田复杂超深井钻井关键技术[J]. 石油钻探技术, 2020, 48(1): 15-20. |
[15] | 张金昌. 科学超深井钻探技术方案预研究成果报告[M]. 北京: 地质出版社, 2016. |
[16] | 王贵玲, 蔺文静, 刘峰, 等. 地热系统深部热能聚敛理论及勘查实践[J]. 地质学报, 2023, 97(3): 639-660. |
[17] | 王贵玲, 马峰, 侯贺晟, 等. 松辽盆地坳陷层控地热系统研究[J]. 地球学报, 2023, 44(1): 21-32. |
[18] | LIN W J, WANG G L, GAN H N, et al. Heat source model for Enhanced Geothermal Systems (EGS) under different geological conditions in China[J]. Gondwana Research, 2023, 122: 243-259. |
[19] | 叶顺友, 杨灿, 王海斌, 等. 海南福山凹陷花东1R井干热岩钻井关键技术[J]. 石油钻探技术, 2019, 47(4): 10-16. |
[20] | 卜海, 孙金声, 王成彪, 等. 超高温钻井液的高温流变性研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2012, 34(4): 122-126. |
[21] | 梁文利. 干热岩钻井液技术新进展[J]. 钻井液与完井液, 2018, 35(4): 7-13. |
[22] | 王永生. 深井超高温钻井液技术综述[J]. 中国高新技术企业, 2012(增刊2): 129-131. |
[23] | 郤保平, 吴阳春, 王帅, 等. 青海共和盆地花岗岩高温热损伤力学特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(1): 69-83. |
[24] | 王贵玲, 刘峰, 蔺文静, 等. 我国陆区地壳生热率分布与壳幔热流特征研究[J]. 地球物理学报, 2023, 66(12): 5041-5056. |
[25] | 罗鸣, 冯永存, 桂云, 等. 高温高压钻井关键技术发展现状及展望[J]. 石油科学通报, 2021, 6(2): 228-244. |
[26] | 吴海东. 高温条件下金刚石钻头钻进实验研究[D]. 长春: 吉林大学, 2017. |
[27] | 王贵玲, 蔺文静. 我国主要水热型地热系统形成机制与成因模式[J]. 地质学报, 2020, 94(7): 1923-1937. |
[28] | BAKER HUGHES. Vanguard Geothermal tricone drill bits[EB/OL]. (2019-05-25)[2024-02-12]. https://www.bakerhughes.com/drilling/drill-bits/tricone-drill-bits/vanguard-premium-tricone-drill-bits/vanguard-geothermal-drill-bit. |
[29] | 祝效华, 但昭旺. PDC切削齿破碎干热岩数值模拟[J]. 天然气工业, 2019, 39(4): 125-134. |
[30] | 谢晗, 况雨春, 秦超. 非平面PDC切削齿破岩有限元仿真及试验[J]. 石油钻探技术, 2019, 47(5): 69-73. |
[31] | 刘伟吉, 阳飞龙, 董洪铎, 等. 异形PDC齿混合切削破碎花岗岩特性研究[J]. 工程力学, 2023, 40(3): 245-256. |
[32] | 李琴, 傅文韬, 黄志强, 等. 硬地层中新型PDC齿破岩机理及试验研究[J]. 工程设计学报, 2019, 26(6): 635-644. |
[33] | SAMUEL A, RICKARD W M, BIVAS E, et al. Improvement in rate of penetration in FORGE drilling through real time MSE analysis and improved PDC technology[C]// Proceedings of the 47th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford University, California, USA, 2022: 1089-1096. |
[34] | XIONG C, HUANG Z W, YANG R Y, et al. Comparative analysis cutting characteristics of stinger PDC cutter and conventional PDC cutter[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2020, 189: 106792. |
[35] | 赵润琦, 陈振良, 史怀忠, 等. 斧形PDC齿破碎致密硬质砂岩特性数值模拟研究[J]. 石油机械, 2021, 49(10): 8-16. |
[36] | 魏秀艳, 赫文豪, 史怀忠, 等. 三轴应力下三棱形PDC齿破岩特性数值模拟研究[J]. 石油机械, 2021, 49(9): 17-23, 32. |
[37] |
刘维, 冯超超, 万绪新, 等. 适用于深层硬塑性泥岩的异形齿PDC钻头设计[J]. 新疆石油天然气, 2023, 19(3): 1-9.
DOI |
[38] | 刘伟吉, 阳飞龙, 祝效华, 罗云旭, 何灵. 异形PDC齿切削破岩提速机理研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(17): 2133-2141. |
[39] | 吴海霞, 沈立娜, 李春, 等. 博孜区块新型表孕镶金刚石全面钻头的研究与应用[J]. 钻探工程, 2021, 48(3): 101-105. |
[40] | 王滨, 李军, 邹德永, 等. 适合强研磨性硬地层PDC-金刚石孕镶块混合钻头设计与应用[J]. 特种油气藏, 2018, 25(1): 169-174. |
[41] | 沈立娜, 贾美玲, 蔡家品, 等. 金刚石钻头高效破岩技术新进展[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2022, 42(6): 662-666. |
[42] | SMITH BITS(A Schlumberger Company). Kinetic Diamond Impregnated drill bit[EB/OL]. (2021-03-22)[2024-02-12]. https://www.slb.com/-/media/files/smith/brochures/kinetic-br.ashx. |
[43] | MAURER W C, MCDONALD W J, NEUDECKER J W, et al. Geothermal turbodrill field tests[J]. Hot-Dry-Rock Systems, 1979, 31(2): 1-3. |
[44] | 刘璐, 王瑜, 王镇全, 等. 全金属螺杆钻具研究现状与关键技术[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2020, 47(4): 24-30. |
[45] | InFocus Energy Services Inc.,2020. Developing downhole oil and gas drilling products faster with structural simulation engineer[EB/OL].[2019-02-26]. https://www.solidworks.com/sites/default/files/infocus-energy-services-simulia-casestudy.pdf. |
[46] | 谭春飞. 深井超深井涡轮钻具复合钻井提高钻速技术研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2012. |
[47] | JONES S, FEDDEMA C, SUGIURA J. A gear-reduced drilling turbine provides game changing results: an alternative to downhole positive displacement motor[C]// Proceedings of the IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition 2016. Society of Petroleum Engineers, Texas, USA, SPE-178851-MS: 332-334. |
[48] | VARELA R, GUZMAN F, CRUZ D, et al. First application of turbodrill and hybrid bit to optimize drilling times in Cretaceous formations with high chert content in Mexico south region[C]// Proceedings of the SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition 2014. Society of Petroleum Engineers, Texas, USA, SPE-167921-MS: 178-181. |
[49] | 王树超, 王维韬, 雨松. 塔里木山前井涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井提速技术[J]. 石油钻采工艺, 2016, 38(2): 156-159. |
[50] | 王九龙, 曹聪, 王雅蓉, 等. 涡轮配合孕镶金刚石钻头技术在克深243井的应用[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2020, 40(4): 246-247. |
[51] | 秦晓庆, 肖国益, 胡大梁. 高速涡轮钻井技术在川西深井强研磨地层的提速应用[J]. 重庆科技学院学报(自然科学版), 2013, 15(2): 18-21, 26. |
[52] | 翁炜, 张德龙, 赵志涛, 等. Φ127 mm涡轮钻具在干热岩钻井取心钻进中的试验研究[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2017, 44(9): 68-72. |
[53] | SMITH BITS. Impax-percussion drilling hammer system datasheet[EB/OL]. (2022-08-18)[2024-02-12]. https://www.slb.com/-/media/files/smith/product-sheets/impax-hammer-system-ps.ashx. |
[54] | 陈少成. 基于液动冲击器的硬地层高效破岩技术研究[D]. 西安: 西安石油大学, 2020. |
[55] | 付加胜, 李根生, 田守嶒, 等. 液动冲击钻井技术发展与应用现状[J]. 石油机械, 2014, 42(6): 1-6. |
[56] | 郭强, 翁炜, 袁文真, 等. 射流式液动冲击器在ZK01-2井提速应用研究[J]. 钻探工程, 2021, 48(10): 56-61. |
[57] | WANG Y, WU C, YANG S. A self-powered rotating speed sensor for downhole motor based on triboelectric nanogenerator[J]. IEEE Sensors Journal, 2021, 21(4): 4310-4316. |
[58] | LU J X, WANG Y, KONG L R, et al. Analysis of output performance of all-metal progressive cavity motor[J]. Geoenergy Science and Engineering, 2023, 222: 211456. |
[59] | 李垚, 梁升平, 居迎军, 等. 国外钻井工具与仪器新进展及国内发展建议[J]. 钻探工程, 2022, 49(5): 145-155. |
[60] | BAKER HUGHES. 300℃ directional drilling system drilled deepest, hottest geothermal well in Iceland[EB/OL]. (2020-10-24)[2024-02-12]. https://www.bakerhughes.com/sites/bakerhughes/files/2021-01/300C%20directional%20drilling%20system%20drilled%20deepest%20well%20Iceland%20cs.pdf. 2020. |
[61] | 宋红喜, 曾义金, 张卫, 等. 旋转导向系统现状及关键技术分析[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(6): 2123-2131. |
[62] | SCHLUMBERGER. ICE UltraHT drilling services brochure[EB/OL]. (2022-02-18)[2024-02-12]. https://www.slb.com/-/media/files/drilling/brochure/ice-ultraht-drilling-service-br.ashx?la=ja-jp. |
[63] | 黎伟, 牟磊, 周贤成, 等. 旋转导向系统及其控制方法研究进展[J]. 煤田地质与勘探, 2023, 51(10): 167-179. |
[64] | WANG J, XUE Q L, LIU B L, et al. Dynamics of mechanical automatic vertical drilling system with a novel hydraulic balanced turbine[J]. IEEE Access, 2021, 9: 159382-159398. |
[65] | 陈绪跃, 樊洪海, 高德利, 等. 机械比能理论及其在钻井工程中的应用[J]. 钻采工艺, 2015, 38(1): 6-10. |
[66] |
路宗羽, 徐生江, 蒋振新, 等. 准噶尔南缘深井机械比能分析与钻井参数优化[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2021, 43(4): 51-61.
DOI |
[67] | SCHLUMBERGER. Drilling fluid catalog[EB/OL].(2020-08-27)[2024-02-12]. https://www.slb.com/-/media/files/mi/catalog/drilling-fluids-catalog.ashx?la=ja-jp |
[68] | DUPRIEST F, NOYNAERT S. Drilling practices and workflows for geothermal operations[C]//Proceedings of the IADC/SPE Inter-national Drilling Conference and Exhibition 2022. Society of Petroleum Engineers, Texas, USA, SPE-208798-MS: 256-261. |
[69] | 马青芳. 钻井液冷却技术及装备综述[J]. 石油机械, 2016, 44(10): 42-46. |
[1] | 游振东. 极端条件下的变质作用:范畴与标志[J]. 地学前缘, 20140101, 21(1): 32-39. |
[2] | 石鸿蕾, 王婉丽, 王贵玲, 邢林啸, 陆川, 赵佳怡, 刘禄, 宋嘉佳. 典型高温地热系统水热循环及锂同位素分馏过程模拟研究[J]. 地学前缘, 2024, 31(6): 104-119. |
[3] | 康凤新, 张保建, 崔洋, 姚松, 史猛, 秦鹏, 隋海波, 郑婷婷, 李嘉龙, 杨海涛, 李传磊, 刘春伟. 华北中东部高温地热能成因机制[J]. 地学前缘, 2024, 31(6): 31-51. |
[4] | 周伟, 马啸, 陈文毅, 高锐, 王雁, 胡大伟. 华北平原蓟县系雾迷山组碳酸盐岩热储岩体原位环境下力学特性研究[J]. 地学前缘, 2024, 31(6): 95-103. |
[5] | 胡瑞忠, 高伟, 付山岭, 苏文超, 彭建堂, 毕献武. 华南中生代陆内成矿作用[J]. 地学前缘, 2024, 31(1): 226-238. |
[6] | 张健, 方桂, 何雨蓓. 中国东部地热异常区深层高温分布特征与动力学背景[J]. 地学前缘, 2023, 30(2): 316-332. |
[7] | 史凯, 徐丽娟, 苏煜雯, 刘春阳, 马海波, 刘盛遨. 铬同位素在高温岩浆过程中的研究进展[J]. 地学前缘, 2022, 29(1): 364-376. |
[8] | 束今赋. 上天、入地、下海:极端条件下矿物学研究[J]. 地学前缘, 2020, 27(3): 133-153. |
[9] | 罗生银, 窦斌, 田红, 陈杰, 肖鹏, 章诗涛. 自然冷却后与实时高温下花岗岩物理力学性质对比试验研究[J]. 地学前缘, 2020, 27(1): 178-184. |
[10] | 游振东. 极端条件下的变质作用:范畴与标志[J]. 地学前缘, 2014, 21(1): 32-39. |
[11] | 刘川江,郑海飞. 金刚石压腔(DAC)技术及其在地球科学中的应用[J]. 地学前缘, 2012, 19(4): 141-150. |
[12] | 郭亮,张宏飞,潘发斌. 拉萨地块东南缘晚白垩世高温变质作用及其地质意义:来自石英出溶金红石的证据和锆石U-Pb定年[J]. 地学前缘, 2012, 19(3): 228-239. |
[13] | 厉子龙, 汪惠惠, 陈汉林, 肖文交, 杨树锋, 胡逸洲. 超高温麻粒岩中尖晶石成分、结构特征和矿物反应的指示意义:以阿尔泰造山带超高温尖晶石斜方辉石石榴石麻粒岩为例[J]. 地学前缘, 2010, 17(1): 74-85. |
[14] | 周文戈 范大伟 万方 邢印锁 刘永刚 谢鸿森. 950 ℃、1.0~3.5 GPa下斜长角闪岩脱水熔融——压力和时间对结构的影响[J]. 地学前缘, 2009, 16(1): 146-154. |
[15] | 谢先德 陈鸣. 动态高压下陨石矿物的冲击熔融和分离结晶及其地球化学意义[J]. 地学前缘, 2009, 16(1): 134-145. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||