摘要
近年来，在全球能源转型的大背景下，高温地热发电得到世界各国极大的重视，前景广阔。要实现对高温地热能源的开采，采用的钻井技术是关键。北美从20世纪50年代开始，对地热能源商业化开采、并用以发电的技术进行了持续性的研究和试验。在高温硬岩地热钻井技术上形成了完整的体系，比如高温地热井设计与井筒完整性技术，高温、超高温坚硬岩石钻头设计与生产技术，高温井底动力钻具，高温井下测量工具，高温泥浆与堵漏技术，高温水泥浆体系以及高温井控技术等。本文结合作者在国内地热井钻完井及北美地热井的工作经验，概要介绍北美的地热钻井技术现状、地热钻井技术难点以及与之相关的关键技术。
伴随着全球各国对能源安全与自给，对碳排放的限制与碳排放成本的担心，以及目前大量使用的高污染燃煤火电厂与核电厂对环境的影响，开发可持续清洁能源是大家的一个共同目标。高温地热发电是一个前景广阔的行业，近年来得到世界各国极大的重视。
北美是一个高温地热资源比较丰富的区域，因为受钻井技术、钻井工具局限性的影响，目前开发和研究项目主要集中在钻井深度2000~5000 m、井底温度200~350 °C的范围内，如
图1 深度为5500 m时的地层温度分布
Fig.1 Formation temperature distribution at a depth of 5500 meters
图2 供热能力分布
Fig.2 Distribution of heating capacity per square meter
地热能源开发钻井需要在高温、超高温以及非常坚硬的原岩、火成岩或变质岩中钻进，并且经常伴随有裂缝性地层与较大的地质应力。地热储层中典型的岩石类型包括花岗岩、花岗闪长岩、石英岩、灰岩、玄武岩和火山凝灰
地热储层的突出特点包括：温度高（163~315 °C甚至更高），地层硬［抗压强度超过35000 psi（注：1 psi=6.895 kPa，下同）］，研磨性强（石英含量50%以上），裂缝性地层（裂缝宽度为厘米级），欠压地层以及含腐蚀性流体或气体。
以上地质特点使得地热钻井异常困难。具体钻井难题包括：由于高温和腐蚀性气体导致的井下工具可靠性问题， 套管设计及井筒完整性问题，泥浆系统高温稳定性问题，水泥浆系统抗高温、抗侵蚀的问题， 硬地层相关的钻头寿命短、钻速低的问题， 与欠压地层和裂缝性地层相关的严重井漏问题等。
随着石油和天然气行业的发展，地热钻井得益于油气行业钻井技术的发展进步，逐步克服了由于地热储层原因而导致的钻井复杂难题，并形成了一套有效的地热高温硬岩钻井技术。
美国从20世纪50年代开始由政府资助进行了比较系统的地热能源开发与应用研究工作，到70年代达到投入的高潮期，目前已经完成有上百口试验井，也还有持续性的研究课题在国家能源实验室与几所大学进行。这些研究项目与试验课题，主要的目的层在2000~5000 m的深度范围内，地层温度一般在200~250 °C，少部分特定区域有350 °C的“热点”，试验项目一般是利用产出的热水进行发电，也有个别试验项目将产出的热水用于建筑物取暖和日常热水供应。
由于高温地热硬岩钻完井技术的限制，加上较高的成本，目前试验项目的发电装机容量基本上都是兆瓦级别，但是鉴于大众对化石能源高污染的担心，以及对核电站存在的核泄漏问题的恐慌，美国国家能源署计划在未来30年加大地热发电的投入和技术研究，根据美国能源署的
北美有非常成熟的石油钻井技术与专门人才，具有完备的设备与仪器供应商，拥有完备的设备生产体系与门类齐全的服务商。目前常规使用的井下工具的温度等级是150 °C，压力等级是100 MPa；经过特殊设计的高温高压仪器的温度等级是175~200 °C，压力等级是140 MPa（20000 psi），如
图3 斯伦贝谢高温高压井分类体系
Fig.3 Schlumberger high temperature and high pressure well classification system
地热钻井中使用的工具和技术几乎所有都来自于石油和天然气行业。由于地热行业的市场份额比较小，其技术和工具设备严重依赖石油和天然气行业。在过去40多年中，地热钻井技术随着油气行业的技术进步而得到了很大的改进。目前，美国地热发电厂通常位于温泉、间歇泉以及地表喷气孔附近。这些地热资源一般比较有限，为了维持美国地热资源的进一步开发，未来将需要勘探和开发不受地理位置限制的地热储层，因此需要更加深入地勘探更深、更坚硬的岩石。
美国能源部在2005年9月成立了一个由18名成员组成的评估小组，以评估增强型地热系统 （EGS）以及相应的关键技术和经济可行性，有望在2050年成为美国基本负荷发电能力的主要来
下面结合美国目前在高温高压（HTHP）油气井以及EGS试验井的成熟经验对一些关键的钻井技术进行概要介绍。
一般的常规油气井，其设计寿命是20~30年，而非常规油气井的设计寿命一般是5~8年，但是地热井一般的设计寿命都要求50~80年甚至更长。针对地热井设计寿命长，地层温度高，岩石抗压强度高、可钻性差，含膏盐层，地层裂缝发育，含CO2以及H2S等腐蚀性气体等特点，除了采用常规的油气钻井的设计规范外，还应该特别考虑如下几个因素。
油套管材料在高温条件下强度会降低，其影响在较高等级的钢材中更为明显。例如，K55套管的屈服强度从25 °C 时的388 MPa下降到371 °C时的359 MPa，但在相同温度范围内，L-80的屈服强度从632 MPa下降到484 MP
常见的地热系统一般都会含有溶解或游离的二氧化碳（CO2）和硫化氢（H2S）气体。这些气体会导致管材和钻具的腐蚀问题。由于H2S腐蚀的原因，油套管的材料选择仅限为低强度的碳钢，因为高强度碳钢会因硫化物的侵蚀而产生氢脆失效。此类问题在南加州帝王谷（Imperial Valley）尤为严
一般地热井钻遇的地层都是基岩地层，比油气钻井钻遇的沉积岩的抗压强度要高几倍到十几倍。在高温、坚硬、高研磨、裂缝发育的基岩中钻进，要想达到经济的机械钻速（>3 m/h）和单只钻头进尺大于200 m的要求，对钻头的设计与制造工艺都提出了非常大的挑战。
三牙轮镶齿钻头因为其对地层的冲击和刮削作用，对坚硬的地层有很好破岩效果，碳化钨镶齿也比较耐用，但是牙轮钻头在高温和研磨性强的地层中钻进，其牙轮轴承密封容易失效和磨损，从而导致钻头寿命缩短。贝克休斯在2018年研发出一套适合300 °C井底流温的钻井系
图4 贝克休斯Vangaur
Fig.4 Baker Hughes Vangaurd™ geothermal drilling tri‑cone bits
常规金刚石钻头（PDC）主要是靠切削作用破岩，在地热硬岩的钻进过程中不能起到很好的破岩效果。但是在近几年油气钻井过程中，PDC钻头在制造工艺和钻头优化设计上有了巨大的进步。目前PDC钻头硬岩钻井常规做法是采用特殊的异型齿和采用具有自适应能力的PDC钻头。如
图5 新型PDC钻头异型齿
Fig.5 New type PDC drill bit shaped cutters
钻头设计时通过改变布齿方式和加入切深限制钮（DOC control）来减少钻头与井底钻具的震动，特别是钻遇破碎地层和软硬互层时能够显著减少震动和扭矩的波动，提高钻头寿命，提高进尺和机械钻速，减少因为震动造成的钻头非正常磨损与崩齿。
图 6 带切深限制钮（DOC control）的PDC钻头
Fig.6 PDC drill bit with depth of cut (DOC) control features
需要开发能够适用于250 °C井底温度的井底动力工具，包括螺杆马达、涡轮钻具以及冲击器钻具等。目前应用在高温高压（HTHP）油气井的大部分井底动力工具只能在175 °C的条件下使用，当井底温度超过175 °C时，目前常规做法是采用梯次下钻并循环降温的方法。
目前大多定向井服务公司提供的高温高压螺杆使用温度<175 °C，一些公司为地热高温钻井设计了专门的螺杆，比如斯伦贝谢公司的PowerPak HT螺
涡轮钻具由于采用金属部件，高温对其性能和可靠性影响不是很大，因此可以承受更高的温度。比如斯伦贝谢的Neyrfor Turbodrill最高温度可以高达260 °
新型高频、高能井下气动或液动冲击钻具在美国石油行业和地热钻井行业中得到广泛应用。
图7 Schlumberger Impax 气动冲击器系统
Fig.7 Schlumberger Impax percussion drilling hammer system
目前市场上没有商业化的MWD/LWD系统能够完全满足深层、高温的地热钻井需求。三大石油服务商中，斯伦贝谢和贝克休斯的高温井眼轨迹测量与控制工具的最高使用温度是175 °C，而哈利巴顿公司的Quasar™ MWD/LWD工具序列，最高使用温度是200 °C，是目前市场上唯一一家可以提供使用温度>175 ℃的MWD/LWD工具的服务公
在高温地热钻井中，由于井眼轨迹一般不是很复杂，加上高温和井下情况复杂，通常作法是不下 MWD随钻测量工具。当需要进行井下测量时［例如，法规通常要求每 100 ft（1 ft=304.78 mm，下同）］进行一次定向测量，可采用电缆下入单点式或多点式的MWD以取得定向数据和井底温度数据。由于井中有入井泥浆的冷却作用以及工具下入时间往往比较短，同时工具外面往往设计有保温套，因此它们通常可以在井底温度>300 °C 的井中正常工作。但是，由于循环和起下钻时间，使用可回收式MWD系统非常耗时，会增加大量的非生产时间。
贝克休斯的300 °C高温钻井系统采用的方法是为井下MWD/LWD系统设计一套高温井下冷却装置，这套装置可以在井下温度300 °C的情况下，确保电子原件温度保持在175 °C以
地热高温钻井一般使用水基钻井液，由于钻遇地层往往为欠压地层和高温，泥浆系统一般需要低密度、低粘度钻井液系统，尽量减少聚合物添加剂的使用，以防止钻井液在高温的情况下变质而凝胶化。目前用于油基泥浆和水基泥浆的聚合物添加剂的最大使用温度是200 °C，高端聚合物堵漏剂的最大使用温度<200 °C。
地热资源的深度和温度差异很大。有的温度较低，比如，内华达州的Steamboat Mountain和加利福尼亚州的Mammoth Lakes井深约330 m，温度<200 °C，但加利福利亚州Geysers 的井中，井深在2500~3000 m，产生的干蒸汽温度>240 °C。也有极端的情况，比如在日本的一口探井，在约3350 m 处井底温度为500
在超高温地热井钻井过程中，一般会配合地面泥浆冷却系统，阶梯式下入，连续循环以及泵入冷却水等降温方式，保持井底温度低于泥浆系统及添加剂允许的温度范围。同时尽量减少泥浆在井底的静置时间，以防止泥浆系统高温变质，以及由此带来的井底复杂情况，如井眼清洁、卡钻、井涌、有害气体（CO2、H2S）气侵等。
地热井的高产往往需要有发达的地下裂缝系统，但是对钻井来说，发达的裂缝系统会导致严重的漏失问题。有数据显
对于漏失不严重的情况下（<100桶/h），一般采用堵漏材料（LCM）进行堵漏。堵漏材料一般包括片状、纤维状以及聚合物材料，比如纸张、棉籽壳、果壳以及不同粒径的碳酸钙石材。LCM也可以根据情况提前加入钻井液系统，对预计有井漏问题的井段经行井壁加固，提高泥浆密度窗口，预防井漏事故的发生。对于漏失严重的裂缝性地层则采用LCM处理剂（LCM Pills）。这些处理剂由特别的 LCM堵漏材料组成，一旦被放置在裂缝中就会膨胀，理想情况下会在放置后2 h内在裂缝处形成桥堵。LCM处理剂一般是通过钻杆直接在井漏地段进行加注，并让它在裂缝中膨胀和凝固。当钻进过程中遇到溶洞型漏失地层，或漏失严重、泥浆无法返出地面的时候，通常采用耗时的打水泥塞的方法进行堵漏。根据Patrick Cole
以上传统堵漏方法的成功率一般很低，在地热井中总体成功率约为25%。Hyodo
值得注意的是，在生产井段如果发生井漏，不应采用打水泥塞的方法堵漏。水泥浆会对储层热水或蒸汽产量产生影响。在生产井段堵漏，应考虑使用可降解材料。
地热井中水泥环有2个重要功能：提供机械强度和腐蚀保护。为了实现这一点，地热井水泥环应与套管具有高粘结强度，并应具有不渗透性。传统油气井中使用的水泥浆类型在地热井中的使用受到限制，因为它们的高密度会引起固井过程中严重的井漏问题，并且对地热地层中存在的酸性环境和 CO2 气体非常敏感，影响水泥环在高温条件下的强度和密封性。传统做法是，在波特兰水泥（G级）中添加缓凝剂和大约40%或更多的硅粉，但这并不能消除CO2 和酸性侵蚀的问题。美国布鲁克海文（Brookhaven）国家实验室（BNL）开展过一项关于地热水泥系统的重大研究项
目前市场上地热固井水泥浆体系使用温度可以达到300 °C，但在井内温度快速变化时，固井水泥环容易出现破裂，影响封固效果与井筒完整性，这可能会导致气体运移问题。乳胶可以作为一种水泥添加剂来解决这一问
井漏问题在地热井钻井、固井中非常普遍。固井过程中如果发生井漏事故，会导致固井质量问题，以及复杂的挤水泥作业和复杂的套管设计与受力问题。因此地热高温固井技术应包括固井过程中的井漏预防技术。首先应该结合多学科进行一体化的井设计，包括套管、泥浆、固井、井眼轨迹、地应力、孔隙压力以及地层破裂压力等。具体固井技术包括：采用轻质水泥（泡沫水泥，加空心玻璃球粒等），采用乳胶添加剂，加入纤维堵漏材料等。另外还有一种防止固井井漏的方法是“反向循环固井“。水泥浆通过套管与地层之间的环空泵入，并通过套管内径返回。这样可以利用水泥浆重力的作用，大大地减少泵送压力，因此极大限度的减小对地层的压力，如
图8 反向循环固井示意
Fig.8 Reverse circulation cementing diagram
由于目前井下动力工具、测量仪器以及泥浆系统与地热井的需求还存在较大差距，为了满足地热硬岩钻井的需要，必须在钻井施工措施上进行调整和优化，尽量降低井下循环温度和降低工具下井时
为了有效地降低井底温度，必须对出井泥浆进行降温。如
图9 钻井泥浆冷却系统 （SPE-65104）
Fig.9 Drilling fluid cooling system (SPE-65104)
另外一个常规做法是，当下入井底钻具组合时，在预先确定的深度停下来进行循环降温。在温度较高的情况下，必须进行一边下钻一边循环的方法对井眼和井下钻井工具、仪器进行降温。并采用MWD的测温功能，随时监测井底循环温度，控制在井下工具温度允许范围之内，必要的话，提高泵速和增加循环时间。
高温地热钻井对钻井施工安全与井控提出了特殊的要求。目前的防喷器组合最高的使用温度是150 °C，如果使用高温橡胶密封件的话，最高温度可以达到177 °
生产井段井漏事故处理一般比较困难，为了避免产层的污染，一般不使用永久性的堵漏材料，因此有时需要边漏失边钻进，也就是说，在钻进的过程中会产生蒸汽或热盐水。这在The Geysers地热产区是比较普遍的做
导致井控问题2种情况：一是当热流体从深处循环至地表时，由于压力降低，导致热流体变成蒸汽，从而导致蒸汽喷出，同时井底压力降低，地热流体进一步流入井筒，从而导致失控；二是由于井漏导致井筒中的液位和压力突然下降，从而发生同样的失控情况。
高温地热井一旦失控，大量喷出的超高温水蒸气会导致人员烫伤等严重安全事故。因此对高温地热井井控设备提出较高的要求。地热井防喷器一般要求全套防喷器组，即至少包括以下5个部分：旋转头、环形防喷器、钻杆、盲板以及剪切闸板防喷器。防喷器组下面必须安装钻井四通连接压井和回流管线。当循环排出高温流体时，温度和压力都会很高，甚至可能超过这些设备的温度限制。因此，在压井作业期间，如果温度可能超过防喷器组的工作温度，则应在钻杆闸板下方连接一条冷却管线，泵入冷却水对防喷器组进行降温。
高温硬岩地层地热钻井，尤其是超高温（200~350 °C）硬岩地热钻井目前市场份额比较小，单靠地热钻井行业，技术发展速度慢。随着油气行业钻井技术的不断完善和发展，相应的高温高压钻井技术可以直接和间接地应用到地热高温硬岩钻井上，包括：高温地热井设计，井筒生命周期完整性技术；高温、超高温坚硬岩石钻头设计与生产技术；高温井底动力钻具技术；高温井眼轨迹测量与控制技术；高温泥浆与堵漏技术；高温固井技术；高温钻井过程中的温控措施以及高温井控技
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