肯尼亚地热资源高温地热钻井八项钻井关键技术研究

肯尼亚地热资源的利用

肯尼亚是东非经济社会发展最具活力的国家之一，近几年来电力需求量以年均6.4%的速度递增，然而电力供应短缺、电价过高成为制约其国民经济发展的主要瓶颈之一。为了弥补电力不足和控制发电成本，肯尼亚政府主要通过建立地热电站来替代燃油发电。

依据肯尼亚在2015年制定的能源政策，要在2030年达到地热发电总装机容量5 500 MW的目标。截至2018年6月，肯尼亚地热发电总装机容量683.9 MW，其中，肯尼亚发电公司地热发电装机容量533.9 MW，占比78.1%，独立发电商地热发电装机容量150 MW，占比21.9%。

肯尼亚地热资源勘探

作为唯一商业化开发的肯尼亚Olkaria地热田位于肯尼亚裂谷谷底中部以南，局部及周边的构造情况如图1所示，Olkaria地热田整体面积大约100 km2，已探明资源面积大约40 km2。

Olkaria地热田的勘探工作始于1950年，通过地质特征分析、地球化学研究、地球物理勘探等技术，揭示了地下岩石和流体的相关属性，以及储层和渗透性通道的位置和展布，为钻井提供有利信息，并在1970年取得了突破性进展，在区块内成功完钻了温度达300℃的地热井。

地质特征分析

Olkaria地热田是一个被南北走向的正断层切割的火山岩复合体（图2），地下可划分为4个主要地层，包括：Mau凝灰岩层，Plateau粗面岩层，Olkaria玄武岩层及上Olkaria火山岩层。Olkaria系统内的水主要来自于大气降水，北东东走向的Olkaria断层区是整个Olkaria地热田最重要的渗透构造，该断层经过东北和西部区块，形成了系统内最高产的部分和一个水文上的划分。断层北部的地热储层以液体为主，不含气层；断层南部储层则是以液体为主的两相系统，液体在下，上覆蒸汽。

图1 Olkaria及周边地热田在东非大裂谷中的位置 

图2 Olkaria地热田岩性及温度剖面（W-E)

地热井钻井难点

1）控制井筒温度

地热井和油气井有很大的区别。在油气井钻井时，地层温度都有规律可循，钻井过程中考虑更多的是如何完成钻井任务及在钻井过程中不伤害油气层。而地热井则不同，首先表现在地温梯度无规律可循，且地层温度远远高于油气井的温度，地热井水蒸气的最高产出温度近400℃，图7是肯尼亚地热井OW-49井完井12周后测试得到的温度变化曲线。由测试结果可知，该井的温度由井口的40.998℃变化为井底（3 622.1 m）的392.174℃，最高温度为392.584℃。

钻井过程中井口返出温度高，对循环介质的抗高温性能提出了挑战，同时对钻井安全和井控工作亦是一个威胁。特别是当几百度的水蒸气一旦涌出地面，其控制程序完全不同于油气的控制，首先是油气井钻井的相关控制设备在高温下都有可能失效，需要在地热井钻井时避免地层中的水蒸气喷到地面上来。

2）钻井过程中存在较大的摩阻

由于地热井井筒内温度高，因此，大部分时间使用空气泡沫循环液等冷却循环液体作为钻井液，井壁没有泥饼，起钻过程中也没有泥浆充当润滑剂，再加上定向井井身轨迹不规则，导致摩阻变大，正常情况下，井深2 800 m起钻时，悬重达到180 t左右。

3）钻井液的循环和盲钻

肯尼亚地层从地表至目的层均由火山喷发岩组成，整个井眼裂缝非常发育，漏失严重，部分时间是在盲钻，没有任何流体返出井口，这在油气井钻井中是不可想象的，而由于地层的特点及构造，在盲钻过程中钻井液将岩屑带入漏层及裂缝，保证了井底的清洁，从而也保证了正常作业；其次，由于热交换的原理，循环钻井液的温度随着时间的推移温度持续升高特性下降。

4）井眼的清洁问题

肯尼亚地热井所钻地层除表层外，基本上都是火山喷发岩，从实钻情况来看，多数后期都遇到了严重的井眼不稳定问题，因此，解决井眼清洁问题尤为重要。

5）抗高温钻井液研制

在上部地层漏失不严重的情况下，地热井高温的特点对使用的钻井液有其特殊的要求：(1)地层流体矿化度高，其化学作用对钻井液体系造成一系列的严重化学危害并对钻具产生腐蚀；(2)要求泥浆密度较低；(3)钻井液抗高温能力要强，一般要求达到180～200℃。

目前，国内外除了研发抗高温的钻井液外，解决超深井抗高温难题的另一种钻井液体系为高温泡沫钻井液体系。在配制和维护过程中，通过抗高温发泡剂和抗高温保护剂，提高泡沫在高温条件下的稳定性，采用常规泡沫钻井技术实现高效钻进。

6）高温固完井问题

在高温环境中，水泥浆的封固能力、套管腐蚀性、套管强度以及地层蠕变对套管的挤压作用都影响着固井质量。哈里伯顿公司的高温缓凝剂与硼酸（盐）复配，最高适用的循环温度为316℃；斯伦贝谢公司的UNIFSET缓凝剂适用温度小于232℃；国内水泥浆体系及添加剂仍以循环温度200℃以下为主，性能参数和稳定性难以满足200℃以上地层的固井要求。

7）高效破岩问题

地热钻井常用的是牙轮钻头，部分情况下使用PDC（人造聚晶金刚石复合片）钻头钻井。肯尼亚地层主要由坚硬的火山岩组成，几乎无泥砂岩，地层研磨性强，机械钻速非常低。通常地热井钻头要钻高研磨性的变质岩、火成岩层，通常它们都属于基岩。对于牙轮钻头，钻进时的主要问题是钻头寿命短，牙轮钻头的轴承损坏和牙轮锥边保径齿圈的过度磨损都是损坏的主要形式。轴承和保径齿圈的磨损有直接的关系，一种磨损将导致另一种磨损，因此，在地热钻进中，为了延长轴承寿命会要求降低钻压，而低钻压导致低钻速，其后果往往使地热钻进更糟。

PDC钻头用于石油钻井已有近60 a的历史。随着切削齿材料技术和钻头设计技术的不断进步，其独特的钻井安全性、结构形式的灵活性以及剪切破岩的高效切削性，使PDC钻头在油气钻井工程中的地层适应范围越来越广，据统计目前在世界范围内钻井总进尺数的80%都是由PDC钻头完成的，占有绝对的重要地位。

在高研磨性地层中钻进时，常规PDC钻头的切削齿磨损速度快，钻头的工作寿命很短。同时，高抗压强度的岩层使PDC钻头难以有效地吃入地层，PDC钻头的应用受到很大限制。

肯尼亚地热钻井所使用的牙轮钻头典型的失效形式主要有2类：其一，在高研磨性地层中钻进时导致的牙齿脱落、断裂；其二，牙齿快速磨损及其所导致的缩径问题，这也是一种在2 000 m以下频繁出现的失效形式，此时牙轮钻头的工作寿命一般都比较短（多介于15～40 h），说明深部井段的地层研磨性很强。上述2种失效形式在钻头外排和次外排齿表现得最突出，外排齿的脱落或磨损导致钻头严重缩径的现象频繁发生。

通过上述牙轮钻头应用现状及失效分析，总结如下：(1)在井深2 600 m以下井段，地层的硬度高、研磨性强、温度高，从钻头使用情况看，随着温度的升高，牙轮齿孔膨胀量大于硬质合金齿，造成牙齿和齿孔的实际过盈量小于设计过盈量，降低了牙齿的固紧力，造成钻头掉齿，且牙齿磨损严重，钻头使用寿命明显下降；(2)齿形技术、固齿技术以及钻头保径技术是高温地热井钻头必须攻克的关键技术。

8）空气钻井技术问题

肯尼亚地热田地层自上到下裂缝和溶洞非常发育，从实际的工况来看，全井从地表至目的层中的任何一点都有可能发生漏失，而每一次发生的漏失几乎都是完全漏失，无漏层或漏点规律可循，常规的油井钻井堵漏技术在此无用武之地。

依据地热井的生产特性，生产层也不允许堵漏，空气泡沫钻井的目的是为了解决井眼的漏失问题，所以低密度气基流体钻井技术在此是不可缺少的钻井技术之一。空气钻井是以空气代替常规钻井液作为循环介质，通过空气设备为载体实现的钻井工艺。

同时，由于泡沫流体的应用，制约了MWD（无线随钻）和有线随钻的使用，因此，该地区只能采用单点定向，存在火山岩地层可钻性差和空气泡沫定向螺杆效率低的问题。