0 小序 小宝 探花
增强型地热系统是给与东谈主工树立储层，从低浸透性岩体中经济地采出相等数目深层热能的东谈主工地热系统。这种地热系统通过注入井将冷水注入东谈主工建造的、张开的连通过失带，在地下收尾轮回，冷水被高温岩体加热，通过坐褥井复返至大地，形成闭合回路，采出的热能通过大地发电装配改革为电能。增强型地热系统地热井时时埋藏较深，位于坚毅的结晶岩石中[1-3]。
增强型地热系统地热井的钻进需要精准打法注入井和坐褥井。若是从注入井到坐褥井的水谈中存在径直通路，那么热交换会光显不及。另一方面，若是热交换阻抗太高，流动会不顺畅，热交换仍将不及。其他问题包括注入压力和保藏中岩石的冷却速度等。精准布井有助于收尾最高的热交换恶果，提高增强型地热系统经济性。商量遣散标明，在地热资源开导中，由于过失目的的影响，与直井和斜井比拟，水平井更能减少不细目性。因此，开导增强型地热系统需要在坚毅结晶岩石深度进行定向钻进。诚然定向井和水平井钻井在惯例和尽头规钻井功课中极为常见[4]，然而油田惯例章向钻井系统不行承受地热井中际遇的300 ℃高温，其最高使命温度为175 ℃，高温系统最高着业温度约为225 ℃。
300 ℃高温定向钻井系统主要为地热井研发，可在300 ℃高温下使命至少50 h，功课深度不错达到10 000 m，好意思国能源部地热技巧技俩对该系统的研发提供了部分资金。300 ℃高温定向钻井系统由钻头、钻井液马达、钻井液及MWD仪器构成，稳妥ø215.9 mm井眼钻进。为了鼓舞我国增强型地热系统的开导，笔者对最高使命温度为300 ℃的钻头、钻井液马达及钻井液的研发、执行室与检修钻机测试和现场运用情况，以及最高使命温度为300 ℃的MWD仪器的研发和执行室测试进行了先容，以期为国内联系钻井工程技巧东谈主员提供参考。
1 金属-金属马达深井钻井功课泛泛使用容积式马达看成井下驱动器。典型的容积式马达主要由驱动商量、可调弯商量和能源部分构成[5]。在能源部分中，转子和定子形成一系列的密封腔，流体流经密封腔驱动转子联系于定子作念偏心、旋转通顺，传递扭矩至驱动机构和钻头。定子有2种类型，在弹性体内衬的打算上有所区别。惯例章子总共由弹性材料形成内定子轮廓，而预轮廓定子包含等间距的橡胶层(见图 1)[5]。预轮廓定子有诸多上风，如更高的最大输出扭矩和功率、更高的玄虚恶果、更耐温(高达190 ℃)。联系词，在流体温度可能逾越250 ℃以致300 ℃的地热井中，预轮廓定子并不适用，这是因为弹性密封材料不行承受250 ℃以致300 ℃的高温、高能源载荷以及化学侵蚀。
1.1 研发金属-金属马达的基础是打算有钻井液润滑轴承总成和钛传输的圭臬钻井液马达。研发承受300 ℃高温的轴承总成极为浅易，300 ℃的高温不影响大多数钢合金组件。
金属-金属能源部分的研发极具挑战性。金属-金属能源部分与惯例能源部分的主要死别在于：由于无弹性材料的回弹性，在定子和转子之间不存在过盈合作。惯例能源部分有轻渡过盈合作，定子和转子之间的液体渗漏达到最小化。金属-金属能源部分则会发生液体渗漏，濒临的挑战是最小化定子和转子之间的液体渗漏量。
从表面上讲，以总共密封的腔室口头打算定子和转子剖面，收尾无液体流露是可能的。事实上，制造小吏老是存在，形成总共密封的系统极为珍摄。定子和转子总成加工进程中较高的几何精度有助于能源部分恶果的提高。
为确保沿转子长度剖面的精度，对铣床进行了改造，以加工金属-金属转子。加工进程中需要严格限定直线度和俯仰度，铣刀的转移、铣刀联系于管件的可控位置和改造的铣刀技巧关于收尾定子的高精度极为重要。图 2对比了加工工艺改造前、后的定子轮廓。与改造前加工的定子比拟，改造后加工的定子精度提高了2~3倍[6]。
1.2 测试在一个测功器上，用水对带有5/6叶结构的较短的2级ø120.65 mm能源部分进行了测试，遣散见图 3。当承受一定的载荷等第时，由于橡胶变形，胶衬里能源部分经常会失掉体作歹果，比拟之下，通过定子和转子之间的固定过失，金属-金属能源部分老是发生液体流露。
很光显，能源部分玄虚恶果较低，这是因为该马达样机莫得使用最新改造的加工工艺，且定子和转子王人莫得防磨保护涂层，导致相对较大的过失。随后的磨损测量阐发转子上的磨损很光显(见图 4)，而定子磨损未炫耀，这进一步增大了过失。
在吸取初步检修劝诫的基础上打算了ø171.45 mm能源部分，定子和转子上王人有防磨保护涂层。关于转子，给与了多种重要和材料，而金属-金属搏斗险些莫得涂层，影响了转子剖面精度。关于定子，长管形零件里面涂层工艺的劳苦领域了涂层的聘用。性能测试遣散见图 5。由图不错看出，与ø120.65 mm能源部分比拟，ø171.45 mm能源部分的性能获得极大改善。
初步测功器检修之后，在流量为150 m3/h和恒定压差下进行50 h经久检修，遣散见图 6。诚然马达转速从80 r/min降至50 r/min，但经久检修极为得手。
检修进程中，扭矩输出较高，毫无疑问，马达可在钻井功课中使用。钻井功课进程中，诚然金属-金属能源部分上的磨损会减少功率输出，但可瞻望并可控。比拟之下，弹性定子在高温下若是短时期内过载，或钻井液添加剂侵蚀弹性体，那么可能会严重失效。
ø171.45 mm金属-金属样机在检修钻机上得手进行了检修，炫耀了金属-金属马达的后劲。在250 ℃以上的高温下，弹性体内衬能源部分时时限于较短的使用时期，因此大于50 h的瞻望寿命将是一大上风。但也有需要编削的地方，比如转子涂层，诚然莫得磨损，但检修炫耀有剥落的迹象。通过采用研发时间细目的改造范例，村上里沙兽皇大概大幅提高能源部分使用性能，同期延伸其寿命[6]。
2 300 ℃牙轮钻头为了提高牙轮钻头在高达300 ℃轮回温度下的耐用性，需要贬责潜在的失效问题，比如在高温下弹性体和润滑脂的降解问题。在贬责一系列技巧问题后，得手研发了300 ℃牙轮钻头并进行了检修。重要技巧包括全金属锥形密封、润滑脂压力抵偿器全金属波纹管以及在高温下保捏润滑性的新式润滑脂。
2.1 全金属锥形密封全金属锥形密封是一种全金属雕镂自激勉密封(见图 7)，莫得使用弹性体激勉金属旋转密封件，具有以下重要特征：①材料耐温300 ℃；②一端为静态密封，另一端为动态密封；③低压差下大概激勉动态密封面收尾密封。
2.2 润滑脂压力抵偿器全金属波纹管压力抵偿系统不错均衡从润滑油储油槽至井下环境的压差。当井下压力升高或裁减时，允许隔阂表示于疏导的压力下，减小了旋转密封上的压差。隔阂时时由弹性材料制成，不行承受300 ℃高温。为此，研发了带有焊合翼缘的全金属波纹管(见图 8)。该波纹管使用的铬镍铁合金材料耐温300 ℃，大概焊合至钻头体，疲倦强度高。波纹管外部朝向润滑油储油槽，里面通过焊合翼缘中的孔表示于井下环境之中。
2.3 新式润滑脂在高温下，钻头中使用的圭臬润滑脂不行保捏润滑性能。跟着温度的升高，增稠剂降解，逾越某一温度，摩擦因数快速增大。为此，研发了新式润滑脂。对比检修中，新式润滑脂的摩擦因数比圭臬润滑脂的摩擦因数小许多小宝 探花，因此新式润滑脂大概保捏邃密的润滑性能。
表示于300 ℃高温环境50 h后的圭臬润滑脂和高温润滑脂见图 9。
香蕉鱼免费观看在线视频下载在41.37 MPa的围压下进行了井下模拟检修，岩石为花岗岩，钻压44.45~133.36 kN、转速90~180 r/min。检修给与了4种钻井液，包括含高温润滑油的300 ℃水基钻井液。检修进程中无润滑脂流露忻悦，抵偿器波纹管仍然完好意思无损。
随后在检修钻机上用该钻头进行了16 h的钻进检修，检修使用了金属-金属马达和300 ℃钻井液。切削结构炫耀，金刚石外压块失效，外包钢发生磨损。内排齿炫耀了平顶磨损的开始迹象，这是坚毅岩石钻进的典型特征。碳化合金外压块磨损轻细，因尔其后的现场检修钻头使用了碳化合金外压块。润滑脂压力抵偿器仍然完好意思无损，测量炫耀，波纹管平均伸长量仅为21.082 mm，可接受。波纹管翅片和止回阀保捏完整，无毁伤或失效。密封件很有用，仅仅其中的一个在通过薄激勉部位炫耀了屈服迹象(见图 10)，这是外排压块的失掉酿成牙轮和巴掌之间过大的角位移引起的[6]。
3 MWD及钻井液当今尚无沸腾300 ℃高温超深井和地热井功课要求的MWD/LWD仪器。高温电子元件的研发进程漫长，研发冷却现存传感器和电子元件的冷却系统更为骨子。因此，高温井下冷却系统获得了研发和考据，它由水分挥发冷却系统构成，大概在300 ℃的高温下功课，保捏电子元件和传感器温度低于175 ℃[6]。
3.1 冷却系统冷却系统的基础是液态水的挥发，隔热元件(杜瓦瓶)大概领域热量投入电子元件区域。水分挥发阀通过挥发适量的水限定冷却进程，保捏电子元件最高温度为175 ℃。水分挥发阀是受电子元件区域内的电子式温控器限定的电磁阀。挥发的水分预冷却来自滚水层的水，然后被拿获在吸附床中。吸附床位于压力容器内，是一种特等的沸石，在高温下吸附能力极强。
隔热元件将MWD仪器的电子元件和传感器与井下高温进攻开来，使对流、传导和辐照达到最低。隔热元件包括耐压壳与内管之间的环形真空过失和特等的抗钻井冲击与振动的复旧结构。为保捏水层中的水为液相，通过气垫增大了水层内的压力。吸附式冷却系统的上风是在表示于极点高温下后可再次使用，现场功课后大概再装满水并烘干吸附床以再生沸石。图 11为冷却系统的使命旨趣图。由图可见，水和沸石处于高达300 ℃的环境中，而电子元件和定向传感器则被冷却至175 ℃[6]。
3.2 MWD仪器MWD仪器包含圭臬MWD传感器和电子元件，测量井斜精度为±0.1°，处所精度为±1°。其打算重点之一是幸免磁搅扰，总共磁力计隔壁的组件由无磁材料制成。探管系统位于10 m长的钻铤内，非弹性吊挂(见图 12)。
MWD遑急的构成部分是数据传输。300 ℃ MWD仪器包含钻井液脉冲数据传输系统，脉冲发生器由主阀和限定阀构成，主阀与圭臬温度MWD探管系统所用的主阀一样，限定阀稳妥在300 ℃温度下功课。与可存放在隔热区域中的电子元件不同，脉冲发生器和交流发电机必须在环境温度下使命，这需要特等打算和加工，总共组件王人进行了全面测试。图 13为经过冷却系统测试后被置于300 ℃烤箱内的探管系统。
将整套仪器装配好后在流动回路上进行测试。图 14炫耀了300 ℃脉冲发生器的脉压。300 ℃涡轮驱动交流发电机为仪器供电，交流发电机有特等的高温绕组，仪器莫得在300 ℃温度下可能发生失效的塑料或弹性组件[6]。
3.3 钻井液由于井下马达和钻头去除了弹性体，为提高钻井系统的耐用性，钻井液中需要添加润滑油。对适用于300 ℃高温环境的钻井液[7]进行了测试，在300 ℃的温度下老化50 h后，钻井液性能保捏瓦解，剪切强度低。随后在不影响永久流变特质的前提下在高温钻井液中加入极少润滑油，并进行了大王人的检修考据。
在56和300 ℃温度下老化后，对配方进行了评价。评价遣散标明，优化的钻井液配方大大提高了钻井液性能。
图 15炫耀了有/无减磨添加剂钻井液环形试件磨痕死别。该300 ℃高温添加剂配方有助于提高金属-金属马达的瓦解性和耐用性。
4 现场运用在完成执行室检修和检修钻机测试后，300 ℃牙轮钻头、金属-金属马达和钻井液在冰岛的地热商量井IDDP-2井上进行了初次现场运用。冰岛深钻技俩(Iceland Deep Drilling Project，IDDP)的地热商量井时时定向钻进至约2 000 m，岩性主要为火成岩和玄武岩。惯例章向钻进BHA主要由容积式马达和牙轮钻头构成，但羼杂式钻头比牙轮钻头性能上风更光显[8-9]。当以低机械钻速钻进坚毅岩石时，由于振动较大，PDC钻头使用也受到领域。
4.1 IDDP-2井钻井功课IDDP-2井为冰岛深钻技俩标第2口井。RN-15井是Rekjanes地热田的一口惯例高温井，已于2004年钻至2 500 m，ø339.7 mm套管下至794 m，ø311.2 mm井眼钻至2 500 m。IDDP-2井运筹帷幄再投入该井眼并加深钻进至4 500~5 000 m之间。IDDP-2井于2016年8月11日开钻，2017年1月25日完钻，完钻深度4 569 m。5 d后，在井深4 560 m处34 MPa的压力下测得最高温度426 ℃，收尾了超临界条目功课。该井垂直钻进至2 750 m，然后造斜至30°，并稳斜钻进至完钻深度。
钻进进程中，大部分井段无返出，捏续泵入簇新的海水光显裁减了井下温度，井下骨子温度由MWD温度传感器测量。温度传感器位于马达上方4 m多，钻头上方14 m多，因此，马达下方的部件温度更高。因经济原因，钻进无返出导致300 ℃钻井液润滑剂用量较少。
表 1为这次钻井功课联系记录，不包括莫得收尾钻进进尺的记录以及在3 068~4 311 m之间进行的取心功课记录。
4.1.1 ø311.2 mm井眼第1、2、3趟钻：使用牙轮钻头和羼杂式钻头从2 500 m加深钻进至3 000 m，所用BHA为旋转和惯例马达BHA，然后下入ø244.48 mm套管固井。
4.1.2 ø215.9 mm井眼ø215.9 mm井眼是使用300 ℃牙轮钻头和金属-金属马达的井段，所用的牙轮钻头(见图 16)有一样的中等切削结构，切削齿为锥形碳化钨镶齿，主要死别在于达到最高使命温度给与的重要技巧——轴承/密封/润滑脂技巧。牙轮钻头给与金属面密封技巧，最高使命温度177 ℃；地热牙轮钻头给与金属面密封技巧，最高使命温度288 ℃；300 ℃牙轮钻头给与全金属密封/轴承/抵偿器技巧，300 ℃润滑脂配方。
所用的BHA包括旋转BHA、惯例章向马达BHA和金属-金属马达BHA。
旋转BHA由钻头、近钻头瓦解器、短钻铤、瓦解器及钻铤构成；惯例章向马达BHA由钻头、ø171.5 mm中速PDM(0.4°~0.8°单弯)、瓦解器、ø171.5 mm MWD、瓦解器、震击器、钻铤、加快器和钻铤等构成；金属-金属马达BHA由钻头、ø171.5 mm PDM(0.4°~0.80°单弯)、瓦解器、ø171.5 mm MWD、瓦解器、震击器、钻铤、加快器和钻铤等构成。
第5趟钻：第1只300 ℃牙轮钻头与惯例章向马达BHA合作从3 000 m钻至3 069 m，机械钻速达10.3 m/h。钻头磨损现象见图 17a，磨损等第为2-6-BT-H-E-0-WT/RG。MWD温度传感器测得最高温度为21℃，由于漏失起钻，随后进行取心功课。
第6趟钻：取心完成后，为了避让井内落物，使用地热牙轮钻头合作惯例章向马达BHA进行了侧钻施工，钻进井段为3 022~3 177 m，机械钻速为6.3 m/h。MWD温度传感器测得最高温度为27 ℃，为保捏BHA温度处于可接受的水平，上提钻具离开井底轮回很长一段时期，然而钻头在套管内旋转(转速为150 r/min)，导致钻头和套管损坏。
第7、8趟钻：第7趟钻使用牙轮钻头与旋转BHA合作从3 117 m钻至3 119 m，机械钻速极低，起钻更换牙轮钻头从3 119 m钻至3 178 m，机械钻速为6.6 m/h。
第10、11趟钻：第10趟钻下入第2只300 ℃牙轮钻头与旋转BHA合作从3 185 m钻至3 321 m，机械钻速为3.5 m/h，第11趟钻不时下入第2只300 ℃牙轮钻头与旋转BHA合作从3 321 m钻至3 648 m，机械钻速3.2 m/h。2趟钻总进尺463 m，远远逾越检修钻机收尾的钻进进尺和该井中惯例技巧收尾的最佳记载。钻头磨损现象见图 17b，磨损等第为2-3-BT-M-E-3-WT。
第12、13趟钻：第12趟钻和第13趟钻使用了地热牙轮钻头和金属-金属马达。第12趟钻从3 650 m钻进至3 865 m，机械钻速为2.7 m/h，钻进进程中马达性能优良，从未出现失速忻悦。MWD温度传感器测得最高温度为46 ℃。第13趟钻从3 869 m钻进至4 090 m，机械钻速为2.5 m/h。MWD温度传感器测得最高温度为53 ℃。钻进进程中，诚然在较高的机械钻速下马达出现了一些失速忻悦，但总体性能邃密。金属-金属马达总进尺为436 m，钻进时期169.3 h，轮回时期269.8 h，再次远远逾越检修钻机收尾的进尺和该井中惯例技巧收尾的最佳记载。
第14趟钻：使用地热牙轮钻头与惯例直马达BHA合作从4 091 m钻进至4 254 m，机械钻速为4.98 m/h。MWD温度传感器测得最高温度为66 ℃。由于所用的马达为直马达，井斜限定通过改变钻进参数收尾。
第15、16、17趟钻：这是用地热牙轮钻头与旋转BHA合作钻进的临了3趟钻，莫得树立MWD。第15趟钻从4 255 m钻进至4 310 m，机械钻速为2.0 m/h；第16趟钻从4 311 m钻进至4 537 m，机械钻速为3.6 m/h；第17趟钻从4 537 m钻进至4 626 m，机械钻速为1.9 m/h。
4.1.3 ø152.4 mm井眼第20、21、22趟钻：用ø152.4 mm碳化物镶齿牙轮钻头钻进至4 634 m轮回洗井后，第20、21和22 3趟钻下入ø152.4 mm×ø66.7 mm PDC取心钻头进行取心功课，岩心切割长度25 m，收成23.44 m，收成率为93.88%，最终到达深度4 659 m。电缆测井测得4 560 m深静态温度为426 ℃[6]。
4.2 马达和钻头钻后评价 4.2.1 马达将第12趟钻和13趟钻所用的金属-金属马达起至大地后，在测功器上对其进行了性能评价，遣散见图 18。与50 h经久检修后的性能一样，由于转子和定子磨损，马达转速裁减，但能源部分正常滥觞并凭证技巧模范提供扭矩，其他性能合适预期。
拆卸零部件商量阐发，转子和定子磨损导致性能裁减的假定成立，尤其是转子涂层产生了磨损和损坏(见图 19)。
4.2.2 300 ℃牙轮钻头第5趟钻的第1只300 ℃牙轮钻头切削结构损坏严重，导雅致封过早失效。抵偿器总共展开，钻井液一经浸透到润滑脂。由于切削结构损坏，该趟钻300 ℃技巧测试不得手。
第10趟钻和11趟钻中的第2只300 ℃牙轮钻头起至大地后评价发现，总共的牙轮活动自如，旋转顺畅，莫得不雅察到光显的扭矩波动。全金属压力抵偿波纹管总共伸出。由于运用了全金属波纹管，约莫0.31 MPa的静态压力存在于拼装和润滑时的润滑系统中。磁粉探测发现，金属焊合波纹管周围的热影响区域中莫得裂纹。
外不雅查验标明轴承润滑脂样品的黏度下跌，考据了冰岛深钻技俩研发的润滑脂在执行室高温测试中的性能。图 20中的灰色外不雅标明无液体投入。时时，在失效的密封件中，钻井液与润滑脂羼杂形成绿色颜色。另外，尽管黏度裁减，但润滑脂中的增稠剂体系莫得与基础油差别。总的来说，润滑脂性能邃密。
5 论断(1) 研制的300 ℃定向钻井系统主要由钻头、定向马达和MWD仪器等构成。钻头、定向马达和钻井液给与了大王人的执行室和检修钻机测试，MWD仪器仅完成了执行室测试，仍需要完整的钻进测试。
(2) 钻头、马达和钻井液添加剂在增强型地热系统商量井中的得手运用有助至今后在冰岛钻进更深和温度更高的井。冰岛钻探技俩中研发的钻井系总共统组件的性能均沸腾以致逾越了预期，从而使增强型地热系统地热井定向钻进和水平钻进成为可能。
(3) 300 ℃定向钻井系统不仅为油气井温度明锐钻井和测量技巧提供了技巧支捏小宝 探花，何况为惯例油气钻井系统提高耐用性和可靠性提供了模仿。