干热岩钻完井技术挑战及展望

Challenges and Prospects of Hot Dry Rock Drilling and Completion Technology

摘要: 干热岩是一种分布广泛、清洁环保、热能储量巨大的特殊地热资源，钻井是其开发的核心手段，而国内目前干热岩钻完井技术仍面临诸多难题。本文围绕干热岩“坚硬、高温、裂缝发育”三大核心地质特征，以“难题–对策”一体化模式，系统分析当前存在的机械钻速慢、高温流体/工具失效、井壁失稳、固井质量差及完井技术缺失等难题。针对以上技术难点，开展了抗高温硬地层PDC钻头及井下提速工具、高效破岩新技术、抗高温钻井液/水泥浆体系、EGS储层改造等钻完井技术现状调研分析，同时结合工程案例分析了现场应用效果。最后对干热岩钻完井技术发展方向提出展望，为国内干热岩商业化开发提供技术参考。

Abstract: Dry hot rock is a special geothermal resource with wide distribution, clean and environmentally friendly characteristics, and enormous thermal energy reserves. Drilling is the core method for its development, yet domestic dry hot rock drilling and completion technologies still face numerous challenges. This paper focuses on the three key geological features of dry hot rock—“hard, high-temperature, and fractured”—and adopts an integrated “problem-countermeasure” model to systematically analyze current difficulties such as slow mechanical drilling rates, failure of high-temperature fluids/tools, wellbore instability, poor cementing quality, and lack of completion techniques. To address these technical challenges, research was conducted on the current status of drilling and completion technologies, including PDC bits for high-temperature hard formations, downhole speed-up tools, new high-efficiency rock-breaking techniques, high-temperature drilling fluid/cementing slurry systems, and EGS reservoir stimulation. Additionally, field application effectiveness was analyzed through engineering case studies. Finally, the paper proposes future development directions for dry hot rock drilling and completion technologies, providing technical references for the commercial development of dry hot rock in China.

1. 引言

干热岩一般指埋深3 km以下，温度180˚以上且几乎不含水的一种高温岩体[1]，分布广泛，具有低碳环保、稳定高效的特性[2]。干热岩资源开发最早于1973年在美国芬顿山展开，美、法、德、日、澳等国家已建立了25个试验性质的EGS工程，在干热岩开发上积累了经验[3]-[6]。相比而言，我国对于干热岩的开发仍处于探索实践阶段：2014年青海省共和县的DR3井，在2927.26 m深处钻获了温度181.17℃的干热岩[7]；2017年，我国出台了《地热能开发利用“十三五”规划》，提出重点研究干热岩钻井工程和储层高效取热等关键技术，实现核心技术瓶颈的突破[8]；同年，共和盆地实施的GR1干热岩勘探孔，在地下3705 m处探获温度达236℃的干热岩，是我国首次发现200℃以上大规模可利用干热岩资源[9]；2021年青海共和盆地实施井间循环连通并成功实现了国内首例干热岩试验性发电并网，初步建立了我国首个勘查开发全流程技术体系[10]；2022年，青海共和恰卜恰开发场地新部署了GH-04和GH-05试采增效井，采用了多种钻井优化技术手段，取得了显著应用效果，提高了机械钻速，创造了同区块记录[11]。

由于干热岩的地质特性，与常规油气资源开发有着诸多不同，往往面临岩石可钻性差、井下温度高、钻井液性能恶化、井壁稳定性差、固井质量差等多个技术难点。因此，本文将结合国内外技术现状，结合现场案例分析技术难点及对策，为我国干热岩钻完井开发提供技术思路。

2. 干热岩地质特征

通过对国内外干热岩井对比分析，干热岩基岩地层岩石类型以火成岩为主(国内青海共和、云南腾冲等区块均以花岗岩为核心储层)，其地质特征决定了钻完井技术难点：(1) 地层岩石硬度大，研磨性强，可钻性差，具有一定的脆性。(2) 地层温度高，地温梯度约5℃~8℃/100 m，井下温度往往高达200℃~600℃，对钻井液及井下工具要求高。(3) 地层裂缝发育不均，裂隙较发育，岩体较为破碎，多出现热破裂现象。

3. 干热岩钻井难点及技术对策

将国内外钻井技术应用现状作了对比(见表1)，与国外相比，国内干热岩开发起步较晚，技术应用经验相对较少，技术相对不成熟。

Table 1. Current status of dry hot rock drilling engineering technology application at home and abroad

表1. 国内外干热岩钻井工程技术应用现状

对比项	国外	国内
开发程度	逐步向商业化应用	起步–技术实验探索期
钻井深度	2000~5000 m	1000~4000 m
温度	主要200℃以上，最高达400℃	最高温度达236℃
井型	大量采用直井、定向井	直井为主、少量定向井
钻井提速	抗高温钻头、气体钻井、抗高温螺杆钻具、 涡轮钻具	金属密封牙轮钻头、孕镶金刚石钻头、抗高温螺杆、 涡轮钻具、随钻震击器、气体钻井
钻井液	清水、泡沫、无固相低密度钻井液	清水、高温聚磺钻井液
储层激发	水力压裂、化学刺激为辅	水力压裂试验

3.1. 机械钻速慢、周期长、成本高

干热岩主要岩性为各种变质岩和结晶岩，一般包括黑云母片麻岩，花岗岩，花岗闪长岩等。此类岩石硬度大，抗压强度高，岩石单轴抗压强度一般在200 MPa以上，可钻性极值通常大于8，研磨性强，呈脆性[12]，在钻进过程中，厚度较大的花岗岩段机械钻速往往仅有1~2 m/h，单只钻头进尺不足100 m，存在破岩效率低下及长时间的起下钻作业现象，导致了钻井周期长，使得钻井成本居高不下。

调研对比了高效破岩新技术(见表2)，如气体钻井技术是以空气/泡沫为循环介质，减少岩屑重复破碎，实现欠平衡钻井。在HS区块等五口井成功实施了空气/雾化/泡沫钻井，累计进尺8755.55 m，平均机械钻速提高5.87倍。YY2井(地热井)，花岗岩地层采用气体钻井，机械钻速达到6.13~8 m/h，为气体钻井应用于干热岩井做了先导试验。粒子冲击钻井技术采用PID钻头，能对球形硬质钢粒子和泥浆进行加速，使它们能高速喷射和破碎井底岩石，能够有效提高研磨性极高、极硬地层的机械钻速[13]。热力射流钻井技术通过高温热裂解和高速射流冲击联合破岩，射流冲击效应与热裂解效应耦合作用岩石的热力射流破岩技术能够兼具射流冲击效应与岩石热裂解效应的优势，适用于花岗岩等硬地层[14]。液氮射流破岩技术基于低温液氮，由于液氮温度极低，干热岩温度高，用液氮对火成岩、变质岩进行低温至裂是有效的有段，黄中伟做了液氮冷却作用下高温花岗岩损伤实验，表明液氮冷却可以有效损伤高温花岗岩，是干热岩高效破岩的有效手段[15]。

Table 2. Efficient rock breaking techniques comparison

表2. 高效破岩技术对比

技术类型	原理	特点	缺点	适用地层
气体钻井	气流携岩，欠平衡 钻井，减少重复切削	成本较低，钻速显著 提高	钻遇高含水层或油层，有井控风险；井壁稳定难以保证	地层稳定，含水量少，裂缝不发育
粒子冲击钻井	硬质钢粒子高速喷射，冲击破碎岩石	用于极硬地层，破岩 效率高	成本高，粒子回收难，喷嘴易磨损	致密火成岩、变质岩等极硬地层
热力射流钻井	高温热裂解，高速射流	使用研磨性较强地层，无机械磨损	能耗高，高温易损伤 工具	花岗岩、玄武岩等 高硬度地层
液氮射流钻井	地温热冲击至花岗岩 开裂，射流破岩	低温至裂效果好， 环保无污染	液氮存储难，深层 易损耗	含水饱和度高的砂岩、页岩等坚硬地层
水力喷射钻井	高压水流破岩就机械 钻井辅助	定向破岩效果好， 成熟度高	坚硬地层效率低； 易扩缝漏失	砂岩、页岩等软–中硬地层

近年来科学钻井优化技术发展迅速，除以上提速工具外，基于MES的钻井参数实时优化技术在油气井开发中取得了良好的效果，通过专业软件实时监测钻井机械比能，评估破岩效率及井下钻头状态，优化钻井参数，进而提高机械钻速及钻井时效[16]。

3.2. 高温条件下，井下工具难以长效稳定工作

干热岩钻井环境温度高，井下工具的寿命受到很大限制，很难保障井下工具仪器的长效稳定工作。

3.2.1. 抗高温硬地层钻头技术

钻头是保障高效破岩的最主要工具，是实现钻井提速的关键。针对较硬、研磨性较强的地层，斯伦贝谢研制了Stinger锥型齿PDC钻头(见图1)，除常规切削破岩以外，中心布置一岩心柱来进行冲击破岩，现场应用提高机械钻速14%，后来斯伦贝谢又研发了第二代Stinger Blade钻头，同样取得了优良的效果[17]-[19]。哈里伯顿公司研制的Geometrix 4D Cuters优化了切削齿结构，使其在降低摩阻、促进岩屑排出、降低切削齿热降解方面具有较大优势，应用在墨西哥湾花岗岩–页岩地层中，机械钻速得到了明显提高[20]。NOV ReedHycalog公司研制的Phoenix系列(见图2)，是针对地热钻井开发的钻头，该系列钻头优化了喷嘴设计，增加了切削深度控制组件，使用了ION 3D切削齿技术[21]。国外几大油服公司的新型抗高温PDC钻头均取得了良好的应用效果。

Figure 1. Stinger Blade Tapered tooth drill bit [19]

图1. Stinger Blade锥型齿钻头[19]

Figure 2. Phoenix series geothermal drilling bits [11]

图2. Phoenix系列地热钻井钻头[11]

3.2.2. 抗高温井下提速工具

目前常见的钻井提速工具主要有螺杆钻具、涡轮钻井、旋钻冲击器等动力钻具(见表3)。我国常用的螺杆钻具耐温通常在150℃~180℃，在干热岩钻井中无法耐高温长效工作，螺杆马达定转子橡胶部件易发生老化失效。涡轮钻具为全金属钻具，通常耐高温达260℃，配合孕镶钻头使用，适用于深层坚硬及研磨性强的地层。扭冲、旋冲等动力钻具由于是全金属密封，通常耐温性可达300℃，在常规油气开发中，深层超深层钻井中使用较多，干热岩钻井中使用较少。胜利工程公司钻井院研制的SLTIT扭冲工具，在坚硬地层有效减轻了钻柱扭转振动，并保护了PDC钻头，增强了破岩能力[22]。谭现锋设计了一种干热岩钻井用扭力冲击器，应用转盘 + 螺杆钻具 + 扭力冲击器复合钻井工艺，在破岩叠加作用下同提高了机械钻速[23]。

Table 3. Comparison of common downhole speeding tools

表3. 常用井下提速工具对比

工具类型	耐温上限(℃)	优点	国内工程案例
抗高温螺杆钻具	180	成本低、易维护	吉林长探1井三开段，适用于<180℃地层[25]
涡轮钻具	260	全金属结构，无橡胶部件，转速高达800~1200/min	青海共和GH-05井，配合孕镶钻头 钻速提升40% [11]
扭冲工具(SLIIT型)	300	减轻钻柱扭转振动，保护PDC钻头	胜利油田试验井，难钻地层进尺增加25% [22]

3.3. 部分地层裂缝发育，钻井安全风险高

受深部地质构造运动以及岩浆活动等影响，干热岩地层通常呈现出温度高、应力高，裂缝发育，岩石各项异性强的特征[24]，高温条件下钻井液的井壁稳定和携岩能力下降，岩石受到多场耦合作用，强度明显降低，极易造成井漏、井壁坍塌、卡钻等复杂。

抗高温井壁稳定钻井液技术

通过提高钻井液抗高温能力，以及应用随钻封堵和井壁强化手段，降低漏失风险，提高井壁稳定性。吉林油田长探1井井底温度约180℃，三开火成岩地层易坍塌掉块，针对以上难点优选了抗200℃高温防塌钻井液，流变性良好，携岩封堵能力强，保障了该井是顺利施工[25]。青海共和盆地GR1井井下温度高达236℃，钻进过程中钻井液恶化严重，随即将原钻井液转为抗240℃高温钻井液，该钻井液流变性好，抗污染能力强，泡沫显著减少，保障了该井的安全施工[26]。翼探1井预测井底温度约235℃，钻至5300~6194.22 m井段，采用抗240℃高密度复合有机盐钻井液钻进，具有良好的流变性和抑制性，同时加入了随钻封堵材料和抗高温纳米护壁材料，保障了井壁稳定和井下安全[27]。碱探1井设计井深6200 m，面对井底温度230℃~240℃，井壁易塌易漏的复杂难题，采用超高温有机盐钻井液有效解决了高温下减稠、携岩与稳定性之间的矛盾，提高了抑制性和封堵性，保障了碱探1井的顺利完井[28]。

4. 干热岩固完井难点及技术对策

4.1. 高温条件下水泥浆性能下降

由于干热岩地层温度普遍超过200℃，常规油井水泥会出现高温强度衰退、体积收缩加剧等问题，容易导致水泥环密封失效。针对上述问题，专家学者们开展了抗高温水泥浆体系研究。

于永金等针对当前降失水剂存在抗高温能力差的问题，从分子结构入手，引入了磺酸基及双羧基等基团，提高了降失水剂对水泥粒子的吸附能力，从而提高了降失水剂在高温下控制水泥浆失水的能力[29]。夏修建等针对井下220℃高温固井需求，优化分子结构设计，制备了一种新型超高温两性离子缓凝剂，耐高温效果优异[30]。周崇峰等针对200℃以上超高温水泥石强度衰退导致水泥环层间封隔失效问题，通过优选纳米尺寸含铝矿物及纳米管材料，研制了一种超高温水泥石抗强度衰退材料DRB-4S，水泥石28 d强度不衰退且大于50 MPa，效果良好[31]。针对干热岩高温下固井难题，刘会斌等研制出了高温缓凝剂，优选抗高温降滤失剂，探索了不同硅粉加量下水泥石强度的衰退机理，形成了干热岩超高温水泥浆体系，取得了良好的应用效果，为干热岩固井施工提供了借鉴经验[32]。

4.2. EGS储层改造技术

当前主流的干热岩开发技术之一为EGS (见图3)，但复杂地质条件对EGS储层改造技术适应性要求高，我国地热储层普遍存在天然裂隙发育不均、岩石力学性质差异大的特点，常规水力压裂技术难以形成有效连通缝网。高温高压环境对施工设备和材料要求高，现有井下工具在300℃以上工况下可靠性显著降低，压裂液体系在高温条件下的稳定性与携砂能力仍需突破。当前干热岩储层改造常用方法有水力压裂、化学改造、热改造等(见表4)。

Figure 3. EGS system schematic diagram

图3. EGS系统示意图

Table 4. Common methods for dry hot rock reservoir stimulation

表4. 干热岩储层改造常用方法

改造技术	原理	优点	缺点	案例
水力压裂	高压流体注入地层，产生人工缝网，形成裂隙网格	裂缝规模大，技术 成熟，应用广泛	需要大量水源， 易使地层漏失	青海共和EGS工程，GR1-GH05井组压裂后渗透率显著提升[10]
化学改造	注入酸性溶液溶解 胶结物，扩大天然裂隙	风险低，穿透性好	易损伤设备， 对地层造成损坏	美国芬顿山EGS工程，作为压裂辅助技术[3]
热改造	使岩石升温产生 热破裂，形成裂隙	无液漏风险，辅助水力 压裂与化学改造方法	应用较少	/

化学改造方面，Watanabe等研发了一种使用化学药剂溶解特定矿物的化学改造方法，溶解岩石形成流动通道，使储层渗透率增大近6倍[33]。Xu等研究了高温高压条件下酸性液体和碱性液体对干热岩样品的溶蚀情况，酸蚀后岩石渗透率提高了1.62倍，与碱性溶性反应后，岩心渗透率提高了2.45倍[34]。化学改造及热改造方法均为复杂改造技术，现场应用少，作用范围有限，还需进一步深入研究。

5. 干热岩钻井工程案例分析

根据上述问题及对策，对国内近两年两个干热岩钻井区块的工程案例进行分析。

5.1. 唐山马头营干热岩M-2井

M-2井为干热岩开采试验井组的采出井，位于马头营凸起区，直井，设计井深4500 m，储层主要岩性为变质花岗闪长岩、黑云斜长片麻岩等为主[35]。该区块存在的主要难点为：(1) 变质花岗岩地层较硬、研磨性强，导致钻进效率低且损伤钻头。(2) 新近系地层造浆严重，出现钻头泥包及井径缩径。(3) 井下高温导致钻井液性能失效。针对以上技术难点：现场采取了技术措施。针对机械钻速慢点问题，现场采取了强化钻井参数，优化钻具组合的手段，采用大钻压、大排量，粗径钻具，大直径螺杆复合钻井技术，有效提高了在变质花岗岩地层的机械钻速。此外，现场还应用了旋锤机，该工具由螺杆钻具各冲击器组成，能够产生轴向冲击力，起到旋转冲击钻井，提高钻速的作用。对于钻头泥包现象，现场采取补充钻井液钾基不分散聚合物、控制粘度等手段，结合固控设备，有效去除泥包物。针对3880 m出现的溢漏同存问题，现场改善泥浆材料，提高密度，同时加入随钻堵漏剂，有效保障了井壁稳定及井下安全。

5.2. 共和盆地干热岩GH-05井

GH-05井为一口设计井深4000 m的双靶点定向井，井底温度超200℃，主要岩性为斜长石、黑云母花岗岩。主要技术难点为：(1) 致密花岗岩坚硬、研磨性强，导致机械钻速慢，同时损伤钻头及井下工具。(2) 井下温度高，导致钻井液性能退化及井下工具故障。(3) 压裂井段井壁稳定性差、漏失风险高。针对以上技术难点，现场采取了技术措施。首先是增加表层套管和技术套管的下深，封隔浅部不稳定地层，提高井壁稳定性，为下步安全施工打好了基础。其次，优化了钻具组合，现场为防止发生卡钻并针对钻头振动问题，增加了随钻震击器和减震推力器，有效缓解了井下振动，保障了井下安全。同时，通过优化钻压、转速、排量等关键钻井参数，实现了高效破岩，机械钻速提速了34%~47%。再者，现场研发了抗220℃高温复合有机盐钻井液，具有良好的抗高温流变性和稳定性，有效避免了井漏、井塌等复杂，保障了井壁稳定。多重技术手段的应用，使得GH-05井有效提高了机械钻速，缩短了钻井周期，降低了生产成本。

6. 结论及认识

(1) 干热岩是一种具有低碳环保、稳定高效的清洁地热资源。国内干热岩钻完井技术处于探索实践阶段，钻完井过程中面临高温条件下机械钻速慢、钻井液性能恶化，井壁失稳、固井质量差、压裂改造难等技术难题。

(2) 对于干热岩钻完井技术难题，国内外专家学者在抗高温高效破岩钻头、提速工具、抗高温钻井液及抗高温水泥浆体系上均有较多的研究，并且有较多成功的实践案例，能够保证高温条件下的钻井施工，应基于当前的研究现状，继续针对干热岩钻完井关键技术开展研究。

(3) 当前国内干热岩钻完井关键技术仍需继续攻关，建议从理论机理入手，开展高温条件下地层抗钻特性评价，钻井液性能变化规律，井壁失稳原因分析，水泥石强度衰退特征等方面研究，同时开展抗高温材料、工具、装备、仪器研发，综合提升干热岩抗高温钻完井能力。