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。

近年来,我国在干热岩资源勘查和钻井技术方面取得一定的进展,但是对于高温干热岩压裂技术的基础研究还较薄弱。对于增强型地热系统,一般采用水力压裂的方式向干热岩储层注入高压流体使储层中的天然裂隙扩展延伸,从而达到增大储层渗透性和热交换面积的目的。因此,可靠的地应力数据对指导干热岩储层改造具有重要意义。本文以我国青海共和干热岩试采工程为例,首先,结合滞弹性应变恢复法(ASR)、直径变形分析法(DCDA)、岩心饼化法和成像测井法获得场区详细的地应力数据;其次,讨论了地应力状态对干热岩储层开发的影响;最后,为了评价现今应力状态下储层压裂改造的效果,利用离散裂隙网格(DFN)方法建立了水力压裂区的三维裂隙地质模型,通过数值模拟计算每个裂隙的滑动趋势(T_s)和膨胀趋势(T_d),并分析了在不同的注水压力下裂隙的活动性。研究表明:(1)共和干热岩场区花岗岩储层范围(3 500~4 000 m)内主要发育逆断层型地应力状态,总体以水平挤压应力为主导;(2)在3 500~4 000 m深度水平最大主应力的平均方向为39.35°±14.23°,整体上呈NE向,这与青藏高原东北缘向NE方向推挤运动有关;(3)适合共和干热岩场区的注水改造压力为46~55 MPa,且裂隙剪切活化后多为张开裂隙(高膨胀趋势),有利于增加热交换的面积,提高干热岩的开采效率;(4)地应力实测结果和微地震监测结果显示,天然裂隙在水力压裂下除了水平方向上的扩展外还有垂直方向上的扩展,最终形成水平—垂直裂隙网络。本文研究成果也可为我国未来的干热岩地应力测量及其在开发评价中的应用提供参考。

水化学地热温度计是估算水热型地热系统热储温度的一种重要手段,为了厘清传统水化学地热温度计的局限性和有效性,此次将对水化学地热温度计展开全面分析。结果表明:部分水化学平衡体系受区域地质条件的影响,致使对应的水化学地热温度计(Na-Li地热温度计、Li-Mg地热温度计、Ca-Mg地热度计和SO₄-F地热温度计等)缺乏普适性,而Na-K-Ca地热温度计(β=1/3)可能受多种水化学因素的制约,在中低温地热系统中应谨慎使用;Na-K地热温度计、K-Mg地热温度计和SiO₂温度计更适用于水热型热储温度的计算,高温热储层(>200 ℃)中水岩相互作用强烈,Na-K地热温度计的计算结果相对准确,在估算中低温热储层温度时,K-Mg地热温度计和SiO₂温度计则更为合适,而在沉积盆地型地热系统,不建议使用水化学地热温度计直接估算地热水的平衡温度。除此之外,判识热储层的存在和地热水水岩平衡状态的分析是选取水化学地热温度计的前提条件,然而即使在水化学地热温度计的适用范围内,对水化学地热温度计计算结果的对比验证仍然必不可少;高温地热系统中地热水的混合过程可用于验证水化学地热温度计的准确性,而在中低温地热系统,随着水岩相互作用程度降低,水化学地热温度计估算结果的不确定性也随之增加,综合多种方法对热储温度值的分析验证就显得更为重要。此次研究可为合理选取水化学地热温度计提供一定的理论参考。