龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
地热能开采技术问题探析
作者：孙文国
来源：《中国科技博览》2013年第28期
[摘要]本研究主要介绍了地热能的特点、一般形式以及地热开采的相关技术和配套设备。目的是为国内相关技术人员对于地热开采技术的了解提供相关的理论依据。 [关键词]地热开采的相关技术配套设备
中图分类号：TM616 文献标识码：TM 文章编号：1009―914X（2013）28―0530―01
1 地热能介绍
地热能是通过热传递介质（地下水）将热能运移到地壳的某一范围，通过岩石中相互连接的断层、裂缝和孔洞涌向距地表较浅的部位，并形成一个多孔隙地热库。全世界的地热资源总量约14.5×105J，相当于4948×1012t标准煤进行燃烧所放出的热量，地热能的总储量为煤炭的17000万倍。通常地热资源的温度分类见表1。地热能特点：廉价、清洁、可再生、可持续使用。
表1地热资源温度分类
温度分类 温度接线（℃） 主要用途 高温地热资源 t≥150 发电、烘干
中文地热资源 90≤t≤150 工业利用、发电烘干 低温地热源 热水 60≤t≤90 采暖、工艺流程 温热水 40≤t≤60 医疗、洗浴、温室 温水 25≤t＜40 农业灌溉、养殖、土壤加温 2 地热资源的开采技术
2.1 开采地热和开采石油的差别及所用的工具
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
对地下天然热能的采集技术及相关原理和石油的开采就有相似的地方。都需要经过钻井、完井、在目标层中进行流体的开采等。但是地热开采收获的是地热而不是流体。对于石油钻井和油藏管理效率主要是在电子技术创新（如随钻测井和井下检测技术等）的基础上实现的。此类工具目前只能用于温度低于175℃的环境。由于地热能的超高温会造成电子组件、压力密封组件失效，所以需要对钻机、钻头、压力控制等进行技术转换，最终实现高温钻井的温度局限性。
（1）钻机的选择
对于钻机的选择主要需要考虑钻机的拆迁能力、钻机的机械化程度以及钻机附带的检测设备和检测方法。对于300-4000m的地热分布区域，可以采用宝鸡石油机械厂生产的ZG-45型地热钻机。
（2）泥浆泵的选择
对泥浆泵的选择主要需要考虑钻进的效率，尽可能的选择泵量大及压力高的泥浆泵。当排量增加时，泥浆返回速度以及携带岩屑的能力就会增强，井底清洗较为赶紧，这有助于减少由于埋钻等造成的井下事故。
应根据钻孔口径、钻进速度及孔壁情况进行选择，一般600 L/min～2500 L/min。浅孔钻进时，环空钻井液上返速度不超过3m/s；深孔钻进时，环空钻井液上返速度不超过2m/s；第四系流砂层、松散层或破碎易塌岩层钻进时，环空上返速度可低至0.1m/s，此时泵量150 L/min～600 L/min左右。 （3）防喷设备
和常规的石油钻井一样，在进行地热钻井过程中，因为井内状态发生急剧变法，出现热水或者热蒸气涌喷，所以需要采用耐热性比较强的防护设备来防止。在地热钻井中常采用石油钻井用的防喷器来达到该目的。 2.2 地热钻井方法介绍及关键技术
对于地热钻井作业中，钻井方法主要包含三种：（1）合金钻井（2）复合片PDC钻井（3）牙轮钻头钻进。随着新的工艺及技术的不断的推广，联合钻井技术不断加快发展。对于地热钻井可以使用冲击回转钻进、井下液压马达钻井、取芯钻井等方法。根据不同硬度的地层的特点需要选择的钻头。
（1）软地层，选择兼有移轴、超顶、复锥三种结构的齿形，主要目的是充分发挥钻头的剪切破岩作用；（2）钻研磨性地层，选择保径齿的镶齿钻头；（3）易斜地层，选择移轴量比较小的钻头，并且所选钻头适应的地层应比所钻地层稍软，从而提高机械钻速；（4）软硬交错地层，按较硬的岩石来对钻头进行选择。
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
高温高压破岩技术需要不断的进行改进比如将使用钻井用的旋转冲击钻井技术来代替普通的旋转技术来破碎硬质地层。对于钻进高温下的超深井的钻井，钻井工艺及设备需要具有较高的要求。在高温作用下，井壁遇到液体很容易发生破裂或者造成井眼的扩大，造成井壁脱落，从而造成卡钻。对于地热钻井，由于钻进的地层复杂，可能存在很多裂缝以及缝隙，可能需要通过各种断层，因此出现严重的井漏现象。 2.3 适用于地热钻井的钻井液
地热钻井中高温对钻井液的不良影响包含2个方面：（1）高温直接造成钻井液性能发生改变；（2）高温造成盐、钙、泥质、酸性气体侵入到钻井液，造成钻井液原有的性能完全改变，最终导致钻井失败。所以地热钻井时需要选用适当的抗高温处理剂，粘土类型及含量，从而来保证钻井液的“热稳定性”。
在抗高温钻井液的维护方面主要的措施有：① 维护和控制PH值，可以适当的添加抗高温并具有表面活性的处理剂SMP；② 对钻井液减稠的倾势进行控制，在钻井液中加入表面活剂从而来控制高温钝化反应；③ 减少钻井液滤失量、改善泥饼质量、降低泥饼摩擦系数。 2.4 地热井的防漏与堵漏
钻井液的漏失在钻井过程中比较常见，对于地热钻井，井漏可以发生在浅层、中层及深层中。地热钻井一旦发生漏失，不仅造成钻井时间的延误，损失了钻井液，对目的层造成损害。并且还可能出现井塌、卡钻甚至引起井眼报废，造成巨大的经济损失。 2.4.1 漏失的分类
漏失在不同岩性的地层中都可能发生。例如砂砾岩、粘土岩、碳酸盐岩、岩浆岩、变质岩等。对于空隙型地层，其中微漏和小漏又也就是渗滤性漏失，中漏和大漏又可称为部分漏失，全部失返的情况为完全漏失。通过对钻井过程中的漏速进行很直观对漏失的严重程度进行了解。
2.4.2 漏失的预防及处理
对于高温钻井预防井漏的方式主要有以下的方法：（1）对于钻井井身的结构设计需要合理；（2）降低井筒中钻井液的动压力；（3）提高地层的承压能力。 若发生井底漏失情况，可以采用以下的堵漏的方式：
（1）对钻井液性能及钻井措施进行调整。通过减小钻井液密度，调准钻井液的流动转台或直接改变泵量最终实现液柱压力的降低，降低地层诱导所产生的裂缝。（2）静止堵漏。也就是在部分或完全漏失的情况下，将钻柱提出漏失井段或者提取到技术套管内，通过一段时间
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
的静止，漏失达到平衡。（3）暂堵法。采用暂堵的相关材料对目的层进行封堵，成井后期采用相应的解堵计剂进行解堵。 3 地热钻井技术展望
通过对构造活动、热源、热流、水补给以及深层流体流出地表的情况进行分析，来探明具有商业开发价值的地热能储层。对于地热的开采和油气的开采具有很大的相似，因此建议以后将油气钻井到地热钻井的工艺及工具的改进研究作为一大重点，以满足高温钻井的需要，并且需要加大开发高温环境下检测组件、密封元器件的力度。此外需要分析不同地质结构下的钻井液的漏失情况，根据地热钻井的高温特点，配置合适的钻井液，从而来减少漏失现象的发生，并加大海泡石钻井液或者泡沫钻井等方式的研究力度。 参考文献
[1] 赵阳升，万志军，康建荣. 高温岩体地热导论[M].北京：科学出版社，2004：1-14. [2] SAITO S. Recent geothermal well drilling technologies in Kakkonda and Matsukaw[J]. Geothermal Resources Council Bulletion，1991，（7）：166-174.
