地球的深部蘊藏著巨大的熱能。在地質(zhì)因素的控制下，通過一定介質(zhì)以熱蒸汽、熱水、干熱巖等形式向地殼的某一范圍聚集，形成地熱資源。預計地球蘊藏的地熱能約為14.5×1025J， 折合4 948×1012t標準煤［1］。這么豐富的地熱資源通過科學合理的開發(fā)利用，使之成為可供人類利用的一種新型能源已成為當務之急。地熱資源按照介質(zhì)的溫度不同可分為高溫（大于150℃）、中溫（90℃~150℃）和低溫（小于90℃）。對于低溫和中溫地熱井通常采用常規(guī)鉆井液，對于高溫地熱資源，尤其是超高溫地熱資源的開采，常選用穩(wěn)定泡沫鉆井流體。穩(wěn)定泡沫流體能較好地起到防漏堵漏作用和在低壓狀態(tài)下建立欠平衡條件， 提高鉆井速度。肯尼亞OLKARIA 地區(qū)的OW904 井就屬于超高溫地熱井。

 

  1 OW904 地熱井基本情況

 

  中石油長城鉆井公司于2006 年底中標肯尼亞KenGen 電力公司在肯西南地區(qū)（OLKARIADOMES）6 口井的地熱井鉆井服務項目。OW904 井是該項目于2007 年6 月18 日開鉆的第一口地熱資源評價井，是一口定向井，由遼河石油勘探局鉆井二公司GW188 隊承鉆，使用ZJ40L 鉆機，遼河石油勘探局定向井公司實施定向施工，長城公司空氣隊實施泡沫鉆井技術服務。鉆探目的是為了測定地下主要地熱系統(tǒng)的地質(zhì)構造。該井海拔高度為1 940m，設計井深2 800m， 造斜點為400m， 最大井斜角為20°，方位角為北偏東45°。8 月19 日交井，完井周期為62d。KenGen 電力公司曾經(jīng)在此區(qū)塊完鉆3 口直井，漏失比較嚴重，鉆井周期逾100d。

 

  2 地質(zhì)構造和地層巖性

 

  OLKARIA 構造是一個火山噴發(fā)巖沉積的開放性隆起。在地表該隆起大約長42km，寬28km，目的層深度2 000～2 540m。該構造與鄰近的構造呈不均勻的階梯狀。OLKARIA 隆起與臨近的OR-POWER范圍內(nèi)的其他隆起相比埋藏較深。該構造在東北方向陡峭斷崖處露出地面。從山地表面到目的層主要以流紋巖、粗面巖和玄武巖為主，凝灰?guī)r次之，上部地層有少量的燧石和黃鐵礦夾層。全井基本無泥質(zhì)含量，具有典型的高溫地熱（蒸汽型）地層的特點:主要是裂縫發(fā)育的火山巖，地層壓力低，漏失嚴重。

 

  3 技術難點及關鍵技術

 

  漏失和超高溫是該井的兩大鉆井難點。

 

  （1）漏失問題

 

  從實鉆情況來看，由于裂縫和溶洞非常發(fā)育，全井從地表至目的層中的任何一點都有可能發(fā)生漏失，而每一次發(fā)生的漏失幾乎都是完全漏失，無漏層或漏點規(guī)律可尋。所以低密度氣基泡沫流體鉆井技術在此是優(yōu)選的鉆井技術之一，有利于建立欠平衡條件，防漏堵漏。

 

  （2）高溫問題

 

  該井從地表300m 開始就有高溫蒸汽出現(xiàn)，溫度高達180℃以上；隨著井深的增加，地溫則不斷升高，當井深在1 224m 以下時，溫度高達250℃以上，據(jù)甲方資料最高溫度達350℃， 已經(jīng)超出了我們儀器的測量范圍。如何解決鉆井流體抗高溫能力是鉆井的技術難點之二。

 

  （3）關鍵技術

 

  從鉆井工程上來講，采用合理的套管程序是解決井眼中技術難點的基本手段，應用低密度氣基穩(wěn)定泡沫流體，有利于建立欠平衡條件，防漏堵漏，提高機械鉆速，是實現(xiàn)這一手段的關鍵技術，解決鉆井流體的抗溫能力則是實現(xiàn)這一技術的關鍵問題。

 

  4 超高溫地熱井鉆井泡沫流體技術要點

 

  OW904 井從井下300m 開始地層溫度就達到180℃以上，隨著井深的加深，最高溫度達到350℃。

 

  因而對形成泡沫流體的發(fā)泡劑而言，最關鍵的是它的抗溫能力。超高溫度對發(fā)泡劑的影響主要是高溫降解作用，在高溫條件下，構成發(fā)泡劑的一些基團會發(fā)生變異而失去它的起泡作用，從而在鉆井過程中導致一系列井下事故的發(fā)生。

 

  泡沫是熱力學不穩(wěn)定體系。表面活性劑能降低表面張力，促進泡沫形成。但是泡沫的穩(wěn)定性取決于氣泡間液膜的粘彈性和機械強度，而液膜的粘彈性和機械強度主要取決于由表面活性劑產(chǎn)生吸附膜的柔韌能力和抗沖擊能力。在超高溫地熱井施工中，要求形成氣泡間的液膜具有在高溫條件下能抵抗超高溫（抗蒸發(fā)）、抗壓和抗剪切的能力。

 

  5 泡沫流體鉆井技術的應用

 

  在OW904 井的實際鉆井過程中，采用清水鉆井解決表層和上部地層的井漏問題；采用充氣水和抗高溫硬膠泡沫解決中、深部地層井漏問題；采用抗高溫保護劑提高原有發(fā)泡劑的抗高溫能力，保證發(fā)泡劑的高溫穩(wěn)定性，從而形成了一套適合肯尼亞地熱井的泡沫鉆井作業(yè)程序和特有泡沫流體配方，順利完成了鉆井施工任務，取得了較好的經(jīng)濟效益。

 

  5.1 泡沫鉆井設備

 

  空壓機4 臺，增壓機3 臺，霧化泵1 臺，注入泵1 臺，氣體流量計1 臺，液體流量計1 臺，泡沫發(fā)生器1 臺，溫度監(jiān)控儀1 臺，高、低壓管匯1 套，排砂管1 套，節(jié)流管匯1 套，21 1/4“旋轉(zhuǎn)頭1 套，13 5/8”旋轉(zhuǎn)頭1 套，基液罐1 座，干燥機1 套。

 

  該設備供氣能力為102m3/min， 最高工作壓力為15.4MPa。OW904 井泡沫鉆井工藝流程見圖1。

 

  5.2 抗高溫保護劑的應用

 

  使用泡沫鉆井， 從井筒返出的鉆井流體是一次性使用， 能抗高溫的發(fā)泡劑相對與常用鉆井液用發(fā)泡劑價格昂貴，必然會大大增加鉆井成本。因此，在OW904 井采取了在現(xiàn)有發(fā)泡劑的基礎上，通過加入抗高溫保護劑來提高泡沫流體抗溫能力的辦法，取得了較好的效果。

 

  長城公司委托鉆井工程技術研究院研制了HT-1 新型抗高溫保護劑。通過在實驗室的實驗和現(xiàn)場應用證明：HT-1 對泡沫流體具有良好的抗高溫保護作用，在形成泡沫的基液中加入1%HT-1 能將發(fā)泡劑的極限抗溫從原來的180℃提高到240℃；HT-1 在不同溫度下對Ca2+、Cl-的污染不敏感，不會影響原有發(fā)泡劑的抗污染能力；HT-1 具有在高溫條件下保護泡沫流體良好活性的作用。

 

  5.3 應用的套管程序

 

  采用合理的套管程序是解決井眼中存在的技術難點的基本手段。OW904 井采用四層套管的井身結構。一開用準660.4mm 鉆頭清水鉆至井深68.17m，下準508mm 套管至63.5m 封隔表層漏失段，建立井口；二開用準444.5mm 鉆頭， 用充氣水鉆至井深315.52m，下準339.7mm 套管至306.52m 封隔上部漏失層， 為三開泡沫鉆進做準備； 三開已進入高溫地層，交替使用充氣水和穩(wěn)定泡沫流體，交替時間視井溫而定，準311.2mm 鉆頭鉆至井深1 259m， 下準2 44.5mm套管至1 250.66m；四開全井段地層溫度都在260℃以上，用穩(wěn)定泡沫流體，準215.9mm 鉆頭鉆至2 799.31m，下準177.8mm 尾管至底部，尾管頂部1 228m，與準244.5mm 生產(chǎn)套管重疊段長22m。

 

  5.4 三開、四開鉆具組合和技術參數(shù)

 

  三開鉆具組合：12 1/4" 鉆頭+ 浮閥接頭+311mm 扶正器+ 8"無磁鉆鋌1 根+ 311mm 扶正器+ 8"無磁鉆鋌1 根+ 8"鉆鋌2 根+ 5"加重鉆桿15 根+ 5"鉆桿。參數(shù)：氣量為75～100m3/min；鉆壓為8～16T； 轉(zhuǎn)速為60～80r/min。使用了3 個鉆頭。

 

  四開鉆具組合：8 1/2" 鉆頭+ 鉆頭接頭+195mm扶正器+ 8"無磁鉆鋌1 根+ 195mm 扶正器+ 8"鉆鋌1 根+195mm 扶正器+ 8" 鉆鋌3 根+195mm 扶正器+ 8"鉆鋌4 根+ 5"加重鉆桿9 根+ 5"鉆桿。參數(shù)：氣量為50～75m3/min；鉆壓為8～12T； 轉(zhuǎn)速為60～80r/min。使用了4 個鉆頭。

 

  5.5 泡沫鉆井防鉆具內(nèi)噴的措施

 

  由于本井使用充氣水鉆井液， 鉆進和循環(huán)過程中鉆具內(nèi)鉆井液密度總是小于環(huán)空中的鉆井液密度，這樣一停泵就會發(fā)生鉆井液倒返甚至內(nèi)噴，一旦井底蒸汽噴至井口， 再搶接方鉆桿或井口內(nèi)防噴工具將是極其困難的。為此必須在鉆具底部安放回壓凡爾， 在甲方不要求繼續(xù)測斜的情況可以在鉆具中部（起鉆時鉆頭能進入套管鞋時的位置上）加裝一個回壓凡爾。一旦發(fā)現(xiàn)回壓凡爾不起作用時，打完一根單根必須先停氣，繼續(xù)清水循環(huán)至立壓為0，再循環(huán)2min，方可卸開方鉆桿，這時鉆具內(nèi)液體密度要大于環(huán)空中的，發(fā)生鉆具內(nèi)噴的可能性會大大降低。

 

  5.6 防地層高溫水蒸氣的措施

 

  在不定的時間內(nèi)向井內(nèi)灌入冷水，讓地層保持適當?shù)穆┦н_到降低循環(huán)溫度的目的；而清水是不會給地層造成永久性傷害的，這是地熱井和油氣井鉆井的最大區(qū)別。

 

  5.7 接單桿和測斜時采取的措施

 

  由于地層漏失嚴重，全井基本上都是采用充氣水和泡沫，攜砂和“懸砂”效果都受到一定影響，停泵后井眼中巖屑迅速下沉，使得鉆具下放不到底，用稠泥漿清潔井眼為定點泵入稠泥漿封井“懸砂”，效果很好，基本不影響接單與測斜。

 

  5.8 解決井眼清潔問題的措施

 

  所鉆地層除表層外， 基本上都是火山噴發(fā)巖。從OW904 井的實鉆情況來看， 井眼的穩(wěn)定性非常好，即使是空井眼也不會發(fā)生井壁垮塌和縮徑現(xiàn)象。

 

  這就為鉆井帶來了很多的方便。解決井眼清潔問題的措施是：

 

  （1）在清水中加入適量的發(fā)泡劑作為泡沫基液，并根據(jù)井深和地層漏失狀況在泡沫基液中充入一定量的空氣，保持泡沫的質(zhì)量系數(shù)在0.55 左右，這樣可建立一個良好的循環(huán)來保證攜巖效果。

 

  （2）在不能建立循環(huán)的漏失地層，在泡沫性注入?yún)?shù)不變的情況下，可進行盲鉆。但在盲鉆過程中要經(jīng)常測試井眼是否清潔。測試的方法是：剛開始盲鉆時，先鉆井3～4m，上提鉆具，然后停止泡沫流體的注入鉆具靜止5min 左右，然后再次下入鉆具，測試井底是否有沉砂，如果沒有沉砂則開泵繼續(xù)往下鉆進。

 

  注意在重新下入鉆具過程中不要開泵和轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤。

 

  以后不管是否返出，只要每次接單根能下放到井底，就可放心地進行盲鉆。

 

  （3）在建立循環(huán)時，一定要進行“大”循環(huán)，既返出的流體在除氣后要排入廢水坑中進行散熱， 然后用潛水泵抽回繼續(xù)使用， 由于廢水坑的散熱面積較大，可較迅速地降低循環(huán)流體的溫度，這樣可有效地抑制循環(huán)流體溫度持續(xù)升高。

 

  （4）在循環(huán)流體再利用時，要適當補充發(fā)泡劑，保證流體的質(zhì)量系數(shù)不會太低， 這樣可有效地抑制斷塞流的產(chǎn)生，有利于清潔井眼。

 

  （5）嚴格控制氣體的注入量。充氣鉆井中并不是氣體注入量越多越好。當氣體不能完全分散于氣體中時，就會破壞流體的層流狀態(tài)，在環(huán)空中形成紊流或斷塞流，這樣將嚴重影響流體的攜砂能力。

 

  6 結論

 

  （1）抗高溫保護劑可以提高原有發(fā)泡劑的抗高溫能力， 加入該保護劑的穩(wěn)定泡沫流體能夠解決常規(guī)鉆井液不能解決的嚴重漏失問題。

 

  （2）在OW904 井順利完成鉆井施工，說明充氣水和泡沫鉆井工藝安全、合理。

 

  （3）充氣水和泡沫鉆井提高了機械鉆速，減少了鉆頭使用數(shù)量，降低了鉆井成本。

 

  （4）地熱井鉆井不同于油氣井鉆井，首先表現(xiàn)在地溫梯度無規(guī)律可尋， 地層溫度遠遠高于油氣井的溫度，一旦幾百度的水蒸氣涌出地面，其控制程序完全不同于油氣的控制， 甚至油氣井的相關控制設備將會失效。因此， 不能讓地層里的水蒸氣噴到地面來，必須通過不定期地向井內(nèi)灌入冷水，讓地層保持（4）對M氣田控縫高壓裂設計提出了主要參數(shù)取值建議。