干热岩定向钻井高效开发面临的挑战与对策

干热岩（Hot Dry Rock）是一种新兴的地热资源，据公开报道，我国大陆地表以下3-10km深度范围内的干热岩资源总量巨大，按照热能换算相当于我国油气、煤炭资源总量的近30倍。由于具有绿色清洁、分布范围广、可持续性开发的特点，它有望成为我国战略性接替能源，未来的地位将有可能与现今的化石能源比肩。

相比于国外，我国针对干热岩的开发利用及相关技术研究还处于起步阶段。目前，由中国地质调查局组织实施的干热岩勘查与试验性开发科技攻坚战在青海共和盆地正如火如荼的开展着，并已取得阶段性成果。国际上针对干热岩的开发利用主要是建立增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems)，简单来说就是注水换热，即从地表通过注入井将低温高压水注入干热岩中，低温水在干热岩中被加热并沿着裂缝流向生产井，再通过生产井返回地表用于发电，之后再循环注入到干热岩中。而确保整个循环过程能够正常进行的关键是，注入井与生产井要处于连通的裂缝系统中，国外为了确保生产井能够准确钻入裂缝系统中，多采用定向钻井。众所周知，定向钻井具有技术难度高、作业成本高的特点，那为什么还要在干热岩的开发中采用定向钻井呢？在定向钻井中会面临哪些挑战，我们又该如何应对定向钻井中的难题呢？

1、定向钻井，天选之子

     从字面意思来讲，定向钻井就是井眼按照工程师们设计的方向去延伸直达目的位置，虽然道路是曲折的，但定会达到终点。EGS工程至关重要的是要确保生产井与注入井处于连通的裂缝系统中，使得被加热的流体能经由注入井到达生产井。而定向钻井恰好能满足要求，定向钻井通过其特有的MWD等井下测量仪器实时检测并反馈地下的井斜角、井眼方位角等参数，这样地表作业人员就能实时掌握井眼在地下的确切位置，并根据需要通过调整施工参数使得生产井最终钻至人工压裂形成的裂缝系统中。同时，由于定向井井底和井口不在一条线上，所以生产井和注入井可以靠的更近些，占地面积更小、维护成本更低、管理也更方便。

图2 干热岩开发原理示意图

2、前路漫漫，困难重重

虽然定向钻井在干热岩开发中优势明显，但干热岩所在地层坚硬、温度较高、埋深较大等特点，使得干热岩的定向钻井面临着一系列挑战。

① 考虑到后期开发利用的经济效益，干热岩井底实际温度可能会在200℃以上。泥浆材料在高温下容易失效影响其流动性与携岩、护壁效果；钻具长时间在高温环境下服役可能会出现疲劳失效，严重情况下会导致钻具断裂落入井底；定向钻井的核心部件——MWD和造斜钻具等耐温能力有限，长时间在高温环境下作业可靠性与精度都不尽人意。

② 干热岩地层多是埋藏深度较深的变质花岗岩，地层极为坚硬且发育有裂缝。常规钻具钻进效率极低，而且钻头寿命相对于在普通地层钻进时也要短上许多，导致不得不频繁的起下钻具更换新钻头，造成钻井作业周期延长、费用高昂。同时，由于裂缝发育甚至可能钻遇大的断层，井内钻井液的漏失对定向钻井时的井控与井壁稳定性带来严峻挑战。

图3 干热岩钻井用牙轮钻头磨损严重

3、做足准备，从容应对

早在2010年，国土资源部就启动了公益性科研项目，针对干热岩高温钻探技术开展研究。同时，国外也针对高温钻井、测井技术进行了研发。

① 在耐高温方面，国外已经研发出了耐温能力达260℃的水基钻井液与290℃的油基钻井液，国内的水基钻井液耐温能力也达到了240℃；国外的MWD等随钻测量仪器耐温能力达到200℃，虽然国产的耐温上限只有175℃，但勘探技术所基于前期基础研发了针对高温干热岩的泥浆制冷设备，对井下工具工作环境进行降温。简单来说就是对循环出地表的高温泥浆进行高效降温，使得井底泥浆温度可维持在MWD安全工作温度范围以内。

② 针对高温坚硬地层钻探周期长的难题，国内外开展了技术研发，形成了耐高温全金属螺杆钻具、全金属涡轮钻具、耐高温潜孔锤、耐高温扭冲钻具、耐高温旋冲钻具、耐高温双摆钻具等系列耐高温高效破岩技术，这些技术可助力定向钻井作业，极大的减少钻井周期、节省作业成本。

按现有技术条件来看，定向钻井无疑是保障干热岩高效开发的无二选择。虽然干热岩的定向钻井面临重重挑战，但兵来将挡、水来土掩，国内外已形成了一系列的技术来支撑干热岩定向钻井。今后，我们还将继续开展科研攻关，以应对更深层干热岩开发的难题。