美国能源部地热钻井技术研发最新部署及干热岩开发示范创新实践

与其他主要的可再生能源相比,地热能是唯一能够提供基本负载电力的能源。干热岩是指不含原生水或含少量水的高温深部岩体,可通过水力刺激改造形成增强型地热系统储层,从而提取数量可观的地热能。干热岩型地热资源的开发面临两方面主要技术挑战,一是花岗岩和玄武岩等极坚硬岩石对机械钻速的限制,二是钻井所处地层温度超过随钻测量和旋转导向等工具电子设备的运行温度上限。近年来,美国能源部资助的FORGE计划犹他州项目为测试新的钻头技术和优化钻井作业流程提供了机会,以逐步提升机械钻速并降低钻井成本。本文综述了美国能源部地热技术办公室近年发展规划中对地热钻井技术研发的部署,重点分析了犹他州项目在钻井实践过程中对基于物理限制因素重新设计的工作流程的应用,总结了美国能源部围绕地热钻井技术开展的多次规划编制以及部署实施的相关项目涉及的主要领域,以及犹他州项目在探索和实践钻井作业流程优化方面取得的认识。

新型高效智能泥水分离系统的研制

为解决岩土工程废浆处理时面临的泥浆回收率低、设备自动化运行水平低等问题,根据岩土工程施工泥浆特点,研制了一种新型高效智能泥水分离系统。该系统采用振动与旋流相结合的二级分离工艺,可根据液面高度变化情况自动控制设备开关机与调速,并将运行数据上传至云端供技术人员分析查看。系统研制完成后通过室内实验验证了设备性能,并探究了泥浆参数对颗粒去除率的影响规律,结果表明,来浆流量和筛网规格不变时,设备颗粒去除率与固相颗粒尺寸和泥浆粘度有关,受固相含量影响不明显,分离效果可满足现场泥浆环保净化处理需求,该系统工作期间能够实现无人值守,可有效分离泥浆中大颗粒有害固相,提高泥浆重复利用率,降低工人劳动强度,节约施工成本。

钻井液离心机预防绳索取心钻杆内壁结垢研究

针对钻杆内壁结垢严重制约绳索取心安全、优质、高效实施的技术难题,开展了金刚石绳索取心钻进钻杆内壁的结垢机理与影响因素综合研究,结果表明:当钻具结构与钻井液性能一定的情况下,钻井液中的固相含量与颗粒大小是影响钻杆内壁结垢的主要因素。金刚石岩心钻进所产生的岩屑粒径在5~100μm之间,总体偏细,难以依靠自然沉降清除。为此,研制了TGLW系列小型离心机,现场试验表明:该离心机可使钻井液中固相颗粒的峰值从5~80μm降到3~10μm,固相粒度中值从11.189μm降到3.513μm,固相清除率达90%以上,控制钻井液固相含量在0.5%以下,既维护了钻井液性能、又预防了绳索取心钻杆内壁结垢。

广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示

岩石圈热-流变结构研究是揭示岩石圈范围内热状态的有效手段,开展地热异常区的岩石圈热-流变结构研究可以对热源贡献进行有效约束。东南沿海地区是我国地热资源重要分布区,地表出露大量天然温泉,地热钻探揭露深部具有较高的地温梯度,然而关于其热源机制尚未有定论,且深部是否赋存干热岩资源亦不清楚。以广东惠州黄沙洞地热田为研究对象,分析岩石圈尺度温度分布和流变强度,探讨黄沙洞地热田的热源构成,分析浅部水热系统的热影响,并对干热岩资源前景进行分析。结果表明:(1)黄沙洞地热田水热活动影响下地表热通量为130.3 mW/m^(2),地壳热流与地幔热流值相近,表现为温壳温幔型岩石圈热结构,此外,构造活动相关热流达到了30.5~60.3 mW/m^(2);(2)岩石圈流变结构显示中地壳存在韧性流变层,上地壳与下地壳以脆性破裂为主,下地壳与地幔表现出流变结构耦合,为相对稳固的地壳底界;(3)黄沙洞地热田的热源以地壳构造活动产生的热源为主,地幔热源和放射性生热是主要的热源组成部分,构造热作用的主要方式包括区域深断裂的热聚敛和水热系统循环换热,两者可能通过“接力式”热传递携带热量至浅表;(4)区域深断裂的热聚敛在构造热作用中的占比是影响干热岩资源前景的关键因素。本项研究可为后续东南沿海同类型地区的干热岩资源勘查与靶区选址提供参考。

全自动发面机的设计

目的:传统发面方法费时费力,也无法保证发面质量,提出了一种解决以上问题的全自动发面机的设计;方法:该设计由搅拌系统、温控系统、发酵容器、防溢出检测系统和控制器组成,搅拌系统有间歇和连续两种工作方式,温控系统实现发酵室的恒温控制,发酵容器带有聚四氟乙烯不黏涂层,防溢出检测系统使用两个电极构成电阻式传感器,根据面团接触和不接触电极时电极间电阻值的不同进行防溢出检测,控制器采用单片机实现发面机的全自动控制;结果:所设计的发面机可以定时启动和全自动操作,且能控制发酵温度和防止发面溢出,还可以根据面团按触防溢出检测传感器的次数控制发酵;结论:实验证明,所设计的发面机省时省力,发面质量好,成本低,适于推广。

Φ89涡轮钻具叶栅设计及性能预测

国内尚未有成熟可用外径89mm的涡轮钻具,因此急需研制该口径的涡轮钻具。涡轮钻具设计最关键的一环是叶栅设计,为此介绍了Φ89涡轮钻具叶栅的高度、叶片数、安装角以及进出口结构角等设计参数,并采用计算流体力学软件对不同转速下单级涡轮的性能进行了数值模拟,对定、转子流道内流场压力和流速分布进行了分析,并根据模拟结果预测了具有该种叶栅的涡轮节的输出性能。预测结果表明,以清水为流体介质,流量为6 L/s时,该规格的涡轮节最优转速为1750r/min,涡轮节制动扭矩约267Nm,最大功率可达32kW,满足要求,设计合理。

美国干热岩“地热能前沿瞭望台研究计划”与中美典型EGS场地勘查现状对比

美国能源部正在实施干热岩"地热能前沿瞭望台研究计划"(FORGE计划)。它是以经典干热岩定义的干热岩勘查开发为约束,通过增强型地热系统(EGS)示范工程建设实践,形成新一代EGS试验平台。美国本着"可复制的结果=巨大的潜力"的理念,实现干热岩勘查开发技术新突破,以满足美国1亿家庭绿色电力供应为实际应用目标。中美典型EGS场地勘查现状对比结果表明:犹他州米尔福德与青海省共和县恰卜恰两个典型EGS场地具可比性,大致处于"并跑"的水平;在天然裂隙系统、原位地应力场、压裂参数获取与压裂方案制定等方面,米尔福德EGS场地有所超前。据此建议有关部门加快青海省共和县恰卜恰EGS场地进入勘查开发阶段,以提高我国干热岩勘查开发技术水平,早日实现EGS工程化。

煤层气水平井高效钻进关键技术研究——以山西沁水盆地某煤层气区块为例

为提高煤层气资源开发利用效率,针对常规远端伽马和EMWD仪器判层不及时,薄煤层分辨率低,井眼轨迹易出层等难题,提出一种基于近钻头地质导向的高效钻进技术。以山西省沁水盆地某煤层气区块为工程实例,对区块内布置的多口水平井施工情况、应用特点及效果等进行阐述,总结出一套可推广、可复制的煤层气水平井高效钻进技术工艺,包括采用柔性钻具组合、选择合理钻进参数、结合井眼轨迹精细化控制技术等,为煤层气高效开发利用提供技术参考。

螺旋输送器动平衡精度影响因素分析及工艺优化

螺旋输送器是卧式螺旋离心机回转系统的重要组成部分,其作为唯一的不规则回转部件会随着离心机回转系统高速旋转,因此螺旋输送器的动平衡精度会对整机的使用寿命产生重要的影响;同时,由于螺旋输送器结构的特殊性,动平衡工艺在选择及实施方面具有一定的局限性、困难性,进而影响动平衡精度。本文通过对螺旋输送器的动平衡效果进行理论分析,确定影响动平衡效果的关键因素有转子结构形式、转动半径及转速等;并结合动平衡试验过程提出一种优化后的动平衡工艺,主要包括动平衡机的校准、定标、配重位置选择及剩余不平衡量的加重方法等,旨在减小螺旋推进器的剩余不平衡量,提高动平衡精度。最后通过对离心机轴承座温度和振动监测对比,证明该工艺可有效降低离心机整机运行过程中的振动、提高轴承使用寿命。

TGLW220×660型冲洗液离心机转鼓的强度分析

对自行研制应用于地质钻探的TGLW220×660型冲洗液离心机的转鼓建立了三维实体模型,利用有限元分析软件对其在正常工况下的整体结构进行了三维有限元分析与模拟仿真。分析结果表明,离心机转鼓在正常工况下的强度满足要求;传统理论强度校核进一步验证了转鼓设计的合理性和安全可靠性,为TGLW220×660型冲洗液离心机在现场安全使用提供了重要的理论依据。

旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺

对旋挖钻机钻杆失效形式进行了简要分析,针对性地介绍了旋挖钻机摩阻式钻杆的方案设计和制造工艺,以及生产过程中的注意事项。

Φ127 mm涡轮钻具在干热岩钻井取心钻进中的试验研究

干热岩地层以火成岩为主,地层温度高,可钻性差。为解决干热岩钻探机械钻速低、钻具磨损严重等问题,针对干热岩特点研制了一套耐高温Φ127 mm涡轮钻具,并在福建省漳州市干热I井进行了试验,试验井段平均机械钻速与Φ165 mm螺杆配合金刚石钻头相比提高了30.3%,与转盘配合牙轮钻头相比提高98.5%。试验结果表明,该Φ127 mm涡轮钻具结构设计合理,能够满足干热岩高温钻探的需要。

液压剪切式取样钻具的研究

在海洋和陆地水域等松软地层钻探取样过程中,使用常规取样钻具取样易造成样品质量差、取样率低等现象,为此特别设计一种液压剪切式取样工具。介绍了该钻具的设计原理、结构参数和试验效果。

冲击矛和夯管锤

本文简要介绍了冲击矛和夯管锤的发展历史、工作原理，并重点说明了它们在目前非开挖施工中的主要应用领域和施工技术特点。

地热井花岗岩地层钻进提速技术研究与应用进展

地热资源是一种非碳基清洁能源,开发地热资源可为实现碳中和提供有力支撑。随着地热资源勘查开发进度的不断加快,花岗岩地层的钻遇率不断提高。花岗岩地层岩石硬度高、可钻性差,钻进难度大,开展花岗岩地层钻进提速技术及应用研究对促进地热资源开发利用有重要意义。本文系统梳理了国内外花岗岩地层钻进提速技术,分别介绍了螺杆马达、涡轮钻具、蓄能式提速工具、液动冲击器、气动潜孔锤等井下提速工具的特点和研究进展,结合钻探工程应用实践对每种提速钻进工具的应用情况进行了分析,针对不同工程地质特点总结提出了提速技术优选建议。对于常规地热井或温度小于150℃的花岗岩地层,宜采用螺杆马达配合牙轮钻头复合钻进技术;对于不含水或出水量较小的花岗岩地层,宜采用气动潜孔锤钻进提速技术;对于温度高于150℃或硬度高、研磨性强的花岗岩地层,采用涡轮钻具复合钻进技术提速效果更为明显。

涡轮取芯钻进工艺在干热岩钻井中的应用

我国干热岩勘探刚刚起步。为准确评价干热岩型地热资源的资源量,需要钻获高质量的干热岩岩心,但目前针对高温、高硬度、高研磨工况下的干热岩取芯钻进工艺研究较少,严重制约了干热岩型地热资源的准确评价。为此,自主研发了Φ127 mm涡轮钻具,在福建漳州HDR-1井和青海共和GR1井进行了干热岩钻井取芯应用研究,研究验证了研发的涡轮钻具与KT-140取芯钻具的适配性、涡轮钻具与金刚石取芯钻头的匹配性,揭示了高温和硬岩井况下涡轮钻具工作特性,经受住了孔底236℃高温考验,钻获了高质量岩心,取得了涡轮钻具现场测试应用的各项参数;涡轮取芯钻进工艺与常规取芯钻进工艺相比,既充分发挥了涡轮钻具高转速的性能,也发挥了其耐高温、耐研磨、耐高地应力、使用寿命长和现场劳动强度低的特性,干热岩取芯钻速和质量大大提高。该工艺是高温深孔干热岩井下动力回转钻具驱动取芯钻头进行取芯钻进的首次成功尝试,为干热岩涡轮钻具复合取芯钻井技术的进一步科研攻关、现场试验与推广应用提供了宝贵的施工应用经验和借鉴,也将为我国干热岩科学钻探与深部地热资源勘探提供新的技术支撑。

一种非均匀地应力下椭圆井眼套管-水泥环-地层力学特性半解析解

为研究井壁崩落形成椭圆形井眼后套管受力情况,在弹性力学理论的基础上,结合复变函数方法建立了非均匀地应力作用下椭圆形井眼内套管-水泥环-地层组合体应力模型,根据应力边界条件与位移单值条件得到了系统各界面处应力分布的半解析解;并探究了井眼椭圆度、水泥环弹性模量和泊松比对套管外壁径向应力与Mises应力的影响。研究结果表明:与圆形井眼相比,椭圆形井眼能减小套管所受最大应力,降低应力非均匀度;高泊松比、低弹性模量水泥环也有利于减小套管受力。研究成果对井壁崩落段地层钻井液密度、套管规格选取和固井水泥性能设计具有重要的指导意义。

油基钻屑现场热解析处理技术现状及展望

深部石油勘探和页岩气、致密气等非常规油气开发过程中会产生大量的油基钻屑,热解析技术被认为是最有效的油基钻屑环保处理技术,也是实现油基钻屑废弃物资源化利用的有效途径。本文重点介绍油基钻屑现场热解析处理典型的先进技术、装置与应用情况;针对油基钻屑成分和组分性质复杂多变、热解化学反应过程复杂,热解析设备能耗高、热解温度不确定、进料物性不稳定、不均匀性等问题,建议开展油基钻屑复杂体系在移动床中动态连续热解的动力学及机理分析,建立动力学模型,明确不同组分油基钻屑的最优热解析工艺参数;建立技术经济效益、环境效益及可持续发展等评价体系和准则,为不同体系油基钻屑的高效低耗安全环保热解析现场随钻处理提供科学可靠依据和理论支撑。

波纹管堵漏技术及其在地质钻探领域的应用研究

波纹管技术在石油钻井中已经成功应用于封堵漏失等复杂地层工作,此外还可以应用于减少套管层数、修复损坏套管等钻井作业过程,被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。结合地质钻探及波纹管堵漏现场试验情况,在介绍波纹管技术基础上着重分析了该技术在地质钻探领域应用可行性和存在的关键问题。

地质岩芯钻探钻井液固相控制技术现场应用

针对地质岩芯钻探需求、绿色勘查要求以及钻井液固相控制技术特点,概述与之相适应的钻井液二级固相控制装备,重点介绍四个钻探现场应用效果,希望更多地勘单位认识到维护和管理好钻井液固控可有效提质、增效、降本、环保,具有较好的技术经济生态效益。建议加强地质钻探钻井液固控技术培训与交流,研发新型多功能一体化智能化钻井液利用环保处理技术装备,开展示范应用与技术服务,提升地质钻探技术装备现代化整体水平。