李根生院士:高温地热钻井完井技术现状与发展趋势

能见APP 2016年11月17日 217

能见APP讯:2016年11月17日至18日,第240场中国工程科技论坛——2016中国地热国际论坛在北京会议中心举行。中国工程院院士、中国石油大学(北京)教授李根生做主旨发言,发言主题为《高温地热钻井完井技术现状与发展趋势》。他表示地热钻井的发展趋势是应用的井型趋于多样化、智能化,来扩大单井的体积;发展新概念、新技术、新方法来降低钻井完井的成本;热储改造监测评价的信息化来提高热储改造的效果;钻完井和开采方案设计的一体化,来优化单井取热的效率。

以下为嘉宾发言实录:

尊敬的主席、各位来宾、女士们先生们:下午好!

非常感谢组委会邀请和安排我来报告高温地热钻井完井技术现状与发展趋势,我分四个方面来汇报。

一、高温地热资源开发概况

上午前面很多专家都介绍了,我简单回顾一下。根据国土资源部的资料,全球5000米以内的地热资源量是约4900万亿吨标准煤,中国约占六分之一。所以我国,特别是在中深层高温地热和干热岩高温潜力资源潜力巨大。上午专家说开发利用2%就是了不起的贡献,所以我国地热资源是重要的可再生清洁能源,值得开发。

地热资源开发利用对优化能源结构、节能减排和改善环境具有非常现实的重要意义。十三五地热规划中提出,2020年非化石能源的比重从12%提升到15%。曹院士也提到,其中地热希望做出做出这三个百分点三分之一的贡献。巴黎协定明确2030年我国非化石能源比重要提高到20%,这更是一个大的跨越。

水热系统。这是目前应用最为广泛的一种高温地热开发方式,前面一个公司也介绍了经验,美国、肯尼亚、冰岛也有介绍,在中国也有运用。这是在冰岛的生存状态计划,他们从2000年开始就探索深层水热系统,井深是3500到5000米,地温是400度到600度,有报道说是到1000度,2009年开始一井开钻,钻到2100米的时候遇到熔岩,最后停止了。

所以目前地热钻井技术主要的工艺方面,包括泡沫增压钻井,气体钻井,控压钻井,那正在发展的低成本钻完井技术,包括可膨胀管,套管钻井,以及连续油管钻井等等,这些将来都有可能是一个高效低成本的钻井方法。这是关于钻井的。

高温地热的完井改造方法主要有水力压裂。这是最重要的方法,还有化学以及爆炸的方法,其中是水力压裂的方法为主。借鉴油气井的压裂,高温地热储层压裂具有他的特殊性,比如说通常对比下来,先钻A井,然后压裂A井,再钻B井连通,被认为这种方法连通效果好。比先把两口井都钻出来,再在两口井中压裂方法要好。这种压裂方法跟油气特别是非常规油气大排量的压裂相比,具有第一排量长周期热电力为主的特点。改造的评价方法也关键,高温地热完井的改造效果评价有这样的方法,一是压裂造缝的评价,包括微地震监测还有电磁监测,紧接着连通效果的评价有井下成象,都有一些不同方法,都有他耐温的性能,还有一定技术的适应性和优势。

发展到现在我们说这个钻井已经有实验,也有应用,应该说有进展。但针对深层高温地热这种复杂的环境,比如说在岩石非常硬,温度高,有的高达400度,而且裂缝发育流动系统复杂。这样复杂的储层环境给钻井、完井工程技术带来了很大的难题和条件。

EGS系统。很多国家都开展了这个实验。欧洲钻到了9053米,最高温度美国400度,这是EGS实验的。1974年,美国开始地热EGS项目,这是第一次EGS的实验8次钻井,5次压裂,经过了很多的实验,最后发电驱动了60千瓦的发电机。最近美国能源部又发起了地热前沿的监测站建设的地面工程,在前两个阶段,就是理论和钻井实验阶段投资3100万美元。由美国国家实验室和一个大学来承担。第三个阶段是压力改造,研究重点是干热岩的压力改造,高效低成本的钻井,地质数据的监测还有存储流动供热。这是关于EGS系统的两个例子。

高温地热还有井下换热。深井井下换热运用的相对比较少的,这是关于这三种开发的方式。

二、钻完井技术需要攻关

目前钻完井的技术现状,我们钻井技术借助于油气钻井,通过喷嘴喷出高压射流,然后喷射,破岩,同时钻出井眼以后进行压力改造,叫做钻完井工程。我们高温地热钻完井主要是裸眼完井这样的特点,所以这是对比的参数。2015年世界地热大会统计,2010年到2014年世界上42个国家共钻地热井2218口,数量在中国是386个。统计不包括热泵井和深度小于100米的浅井。我国要是把浅算上有上千口,比如说中石化新星公司,2016年就已经有383口井,其中我国井口温度大于150度的井是8口。

近年来国内外高温钻井技术有了发展,像8000米、温度175度以下的高温深层的油气钻井技术应该说已经是有了很大发展。但是对于地热,比如说200度以上,甚至300度到400度的高温地热钻井,我国在钻头动力钻距,钻井液等工具和材料的耐高温性等方面还需要进一步的提升和改进,这是我们国内的数据不详细介绍了。

一是钻井现在还存在周期长成本高的挑战,还有漏喷塌安全风险的挑战,还有效果有待提高以及影响因素多,如何来优化设计井网和缝网的挑战。比如说第一个挑战钻井的成本高周期长,针对这种抗压强度大于200兆帕这种岩石钻速,现在在地热钻井每小时可能不超过2米,而且这种造成钻头损耗大,成本高。

统计数据表明,这是美国能源部的统计,井深5000米的干热岩钻井成本要接近1亿元人民币。这个钻井完井成本占地热开发总成本的50%,因此加大研究钻井完井的基础理论和关键技术,对高效的经济开发地热具有很重要的作用。

二是钻完井的安全风险。因为高温紧闭,我们产生热破裂,同时天然裂缝发育事故也经常发生。比如美国,而且在高温情况下容易,尤其工具的失效等一些技术难题导致钻完井的风险增高,而且是钻完井。

三是完井压裂效果有限,这种天然裂缝的扩展机制现在不是很清楚。裂缝的连通效果差,难以预测裂缝空间井位,需要开展这方面的研究。比如说像美国芬顿山,也没有很好效果。

四是影响因素多,优化设计难。因为地层渗流传热,地层和井口流动规律复杂,所以说钻井完井开采等等这些工程相对的独立,缺乏钻采一体化的综合的设计方法,来优化这些关键的参数。因此针对这些难题和挑战,我们中国地质大学团队也跟新星公司一起,跟英国理工学院的团队合作共同申请了中英政府的牛顿基金,来开展地热智能钻完井的设计和基础研究,来开展这个关键问题的研究。

三、要开展地热关键基础问题的研究

这些首先工程技术的突破需要理论来指导,所以应该首先来开展关键基础问题研究。这是关于地热复杂储层高效开采的钻完井压力改造和流动传热方面关键的系统。我们分析一下,存在这样四个关键的基础科学问题。

一是钻采过程当中的深部岩层热物理与力学特征。通过研究和认识来深化工程地质认识。二是多重耦合下的钻井,来高效低成本的钻完井,为这个钻完井提供基础。三是注采井网模式下形成的机制与调控方法。四是高温热储来进行复杂井网的数据。

这是关于四个关键的科学问题,第一个关键科学问题,物理力学特征来获取必要的数据建立地质力学模型,为安全钻井压力设计提供依据。第二个关键科学问题,就是钻井来建立高温地热安全高效低成本钻井的理论。第三个关键科学问题,就是缝网形成机制,通过这个问题研究来构建缝网体的理论和换热的效率。第四个关键科学问题是热储井吻合来掌握地层井桶的规律优化开发方案设计,实现高效低成本的地热开采。这样四个关键的基础问题,当然要通过基础问题的研究来带动和促进技术的研发。

四、关于前沿技术和发展趋势

地热钻井在油气钻井的同时,它的发展趋势借鉴于油气钻井的发展趋势。我们认为一是应用的井型趋于多样化、智能化,来扩大单井的体积。二是发展新概念、新技术、新方法来降低钻井完井的成本。三是热储改造监测评价的信息化来提高热储改造的效果。四是钻完井和开采方案设计的一体化,来优化单井取热的效率。

通过这样智能化井型热提取技术,非接触式钻井技术,分支压裂一体化技术,热储改造裂缝监测技术这样一些需要研究前沿的问题,我就不展开介绍了。

最后为加速这些问题的解决,我们最近还申请了教育部和中国外专局的创新引智基地的项目,计划是邀请英、美、德、法四个国家11个地热能源研究的大师和教授的专家团队,未来五年时间,每年到我们团队来进行交流或者科研和人才培养。通过这个研究和合作,我们提出发展的趋势和建议。

一是设计新型的井型和井网布置的方案,增加对储层的有效控制体系和提高系统的取得效率,比如说这个新井型。中石化王志刚王总提出来打U型连通井的循环取热,这个是很好的思路,技术上是没有问题的,我们正在进行经济和成本的分析和可行性分析。

二是建议探索新型的钻井破岩方法。前面说要研究四个关键的基础科学问题,同时在基础问题研究的基础上需要研发耐高温钻头,钻井液等关键技术来提高钻井效率降低成本。

三是研究高温地热压裂的新理论、新方法来攻克裂缝等难题,提高热储改造的效果。

四是创新多分支井钻井压力一体化的理论与方法,形成地热储层高效低成本的钻完井的新技术,为高温地热资源开发利用提供经济有效的技术手段。

谢谢大家!