高温地热井牙轮钻头掉齿机理研究背景及意义

  随着全球能源的不断幵发和利用,非可再生资源日益枯竭,探索可再生清洁能源已成为当前人类面临的重要挑战[”,地热资源因其蕴含丰富且无污染逐渐成为世界各国解决能源危机的关注点。与传统的有机能源相比,地热资源无污染,可反复利用,属于可再生资源。人类利用地热资源可以追溯到很久以前,比如利用温泉取暖、沐浴、养殖等等^。到20世纪初地热资源才开始进行大规模的开发利用。目前全世界开发地热资源的国家已经有120多个,其中较为典型的国家有美国、冰岛、日本、菲律宾、新西兰等['],每年地热资源年利用率达到3.65X106吨石油当量,并且每年以12%的速度递增。专家预计到2100年,地热资源利用率能达到全球能源总量的30%?80%。目前,欧美等国家已将地热资源列为优先开发的替代性能源。

 

  热地资源的利用主要可以分为两大类:直接利用和发电,而对于不同温度的地热介质可利用的范围也有所不同,按照储热体的属性,可分为水热型和干热型,按照地热井中介质的温度可分为三类:低温地热、中温地热、高温地热高于25°C、低于90°C,以温水、温热水、热水等形式存在的,属于低温地热;9(rc?15(rC,以水和蒸汽的混合‘物等形式存在的,属于中温地热;高于I5(rc,以蒸汽形式存在的,属于高温地热。按照温度不同利用的范围包括以>下几类-1)200?400°C直接发电及综合利用;2)150?20{rc双循环发电,制冷,工业干燥,工业热加工;3)100?15(rc双循环发电,供暖,制冷,工业干燥,脱水加工,回收盐类等;4)50~10(rc供暖,温室,家庭用热水,工业干燥;5)20~5(rc沐浴,水产养殖,饲养牲畜,土壤加温,脱水加工。

 

  目前可直接利用的地热已广泛应用于洗浴、采暖、灌溉、养殖、畜禽伺养,节约能源的同时带来了良好的经济效益。地热能发电具有高效、稳定、连续的优点,相对其他能源来说,其利用率相对较高。

 

  但是同时高温地热的钻采工艺较为落后,高温地热的利用和开釆程度比较低,我国可开采地热点就有5500多个,地热田45个,但在全球范围内利用率仅排名15位,整体利用水平较低。我国地热资源幵发还处于起步探索阶段,还不能形成供暖、发电、热电联产的完整产业链。针对国内对地热资源利用率低下的情况,大力研发新技术以满足在高温地热环境下的钻井要求已成为高温地热井钻探的关键。

 

  2006年中石油长城钻探公司在肯尼亚获得总额超过2300万美元的地热发电钻探项目,预计能为肯尼亚增加70兆瓦发电量。在随后的两年内该公司又与肯方签订了 25 口地热钻探项目,这是中国公司在国外举接最大的地热幵发项目,是提升我国地热钻井技1高温地热井牙轮钻头掉齿机理研究术很好的机会。肯尼亚位于非洲东部,境内地区蕴含大量高温地热资源,其中OLKARIA地区是肯尼亚地热面积最大的区块,面积达80km2。此地区地质多为火成岩,钻井条件十分复杂,打井过程中随时可能发生温度高达200至35(rC的地热井喷、氯化氧有毒气体泄漏等,也很容易发生卡钻现象,同时作业区位于环境敏感区,土层单薄、植被脆弱,极易发生泥石流和滑坡,当地环保要求高。肯尼亚地热钻井面临技术和环保的双重挑战。

 

  在钻井过程中由于地质条件恶劣,井底漏失严重,井底温度经常能够超过30(rc,钻具磨损严重特别是在井底担任超重负荷的钻头失效非常快。由于地层较硬,且不均质地层较多,对钻头的牙齿会造成冲击,而用烧结方法制成的PDC齿不耐冲击,所以在均质地层中表现优良的PDC钻头并没有被广泛的用于高温地热钻井中。目前高温地热井通常使用碳化妈镶齿三牙轮钻头m,但地热井的独特钻进环境使得传统三牙轮钻头在井底掉齿现象非常普遍,如图1-1、图]-2,严重影响了钻井速度,缩短了钻头的使用寿命,导致起下钻次数增加。目前国际能源开釆正向着深井及超深井方发展,随着地层深度增高,地层温度也会显著升高^,为了适应钻采对深度的要求,为了满足高温地热井中的需要,就需要对传统的牙轮钻头提出新的要求,特别是针对牙轮钻头在高温地热井中掉齿的现象,分析其掉齿机理,提出有效的解决方案己成为当务之急。