激光喷射复合钻井技术
发布时间：2018-08-20
钻井成本占整个地热发电投资的50%以上,当钻井深度超过5000米时,则较高的成本主要与硬岩(抗压强度超过200MPa)中的较低钻进速度有关。目前采用的钻井工具(如聚金金刚石PCD钻头)因孕镶金刚石钻头的破碎而造成寿命较短,钻井作业面临耗时且昂贵的起钻/下钻作业问题。一般来说,预计的建井成本会随深度的增加成指数增加。
德国Herrenknecht钻机设备有限公司、位于德国波鸿的国际地热中心(GZB)、德国IPG激光有限公司、德国KAMAT泵设备有限公司、德国Fraunhofer生产技术研究所(IPT)等机构正在合作开发激光喷射复合钻井技术,目标是通过显著降低钻井工艺的时间和成本以确保德国的深部地热能开发利用。
激光喷射复合钻井技术是利用激光和高压水力喷射结合来提高钻井工具的钻进速度和寿命。高达30千瓦的高功率工业激光源将能量传递到钻头端面。在机械载荷上增加热载荷可以改善岩石粉碎过程,因为足够高的热载荷可以产生足够大的热应力使岩石破碎。将激光束照射到岩石面会产生热应力,并利用高压水力喷射来保护激光光学装置。结合机械载荷和热载荷,机械钻头能够更容易地破碎及移除岩石。随着钻柱上钻压(WOB)和扭矩的降低,有可能产生更高的钻进速度和更低的工具磨损。
在概念开发和设计之后,GZB于2017年建立了等比例的实验钻机。装备包括新设计的含有由IPT开发的含激光头的6in钻头。通过新的“多管中管”钻柱实现所需液体的供应。对于初始钻井测试,目标是2m的净钻井深度。这一阶段的目标是研究新技术的基本相互作用机理,特别是激光和机械岩石破碎工艺的相互耦合。其次,将利用GZB的高压高温模拟器(HPHT)研究原位储层条件对钻井工艺和系统技术的影响。
图1 激光喷射的示意图
在2017年的初始测试之后,将能获得有关激光喷射钻井技术有效性的准确数据。理论评估表明,利用激光喷射复合钻井技术可将硬岩的钻进速度增加至10m/h。与具有低于1.5m/h钻进速度的最先进钻井工艺相比,到达目标深度的净钻井时间减少了约7倍。由于破碎岩石所需要的钻压更低,所以工具的寿命显著增加,反过来需要更少的起钻/下钻次数,从而减少总体钻井时间,缩短非生产时间,以及降低工具维护的要求。即使与常规钻井技术相比,额外的激光部件需要支出更多的资金,但是通过节省成本,预计激光喷射复合钻井系统的总作业成本更低。与最先进的钻井过程相比,预计节约成本约10%至20%。
