干熱巖資源是一種儲量巨大、無污染、可再生的清潔能源，初步估算中國埋深3~10 km范圍內的干熱巖資源量相當于860萬億t標準煤，按2%的可開采資源量計算，相當于中國目前能源消耗總量的5200倍[1],實現干熱巖資源開發利用可有效改善中國能源結構，促進經濟發展。世界上很多國家都在開展干熱巖資源研究工作，部分國家已經建立增強型地熱系統（EGS），實現了干熱巖資源的開發利用[2].中國地熱資源利用歷史悠久，1975年西藏羊八井鉆成中國第一口濕蒸汽井，同時建立了中國大陸上第一臺兆瓦級地熱發電機組，進入了工業性發電階段，開創了世界中溫淺層熱儲資源發電的先列。目前中國已經將干熱巖資源開發利用提上日程，國土資源部、中國地質調查局也將其列為重點發展方向，然而中國的干熱巖資源開發利用工作尚屬起步階段，相關理論、技術、方法略顯不足。

　　國際上普遍采用建立EGS的方法開采干熱巖資源，即采用鉆井的方法鉆一口井作為注水井，鉆一口或多口井作為生產井，采用水力壓裂技術壓通生產井和注入井形成循環系統，從注水井注入冷水，利用生產井開采蒸汽用于發電[3,4].

　　可見，如何鉆開儲層形成EGS系統是干熱巖資源開發的關鍵。與石油和淺層地熱鉆探不同，干熱巖地層上部通常為沉積巖蓋層，下部儲層為火山巖，地層溫度高（通常高于200℃）、巖性復雜、可鉆性差，鉆探、壓裂難度極大。中國在干熱巖鉆探和水力壓裂方面經驗不足，開展干熱巖鉆探和相關關鍵技術研究對推動中國干熱巖資源開發利用具有重要意義。

1 高溫鉆井液技術

　　干熱巖地層特點是埋藏深，溫度為150~650℃。在開發干熱巖過程中，鉆井液起著至關重要的作用，井內鉆井液將長期處于高溫環境。惡劣環境對鉆井液性能造成極其嚴重的破壞，直接影響孔壁穩定、攜巖能力、施工安全及施工成本等；干熱巖鉆井過程中還可能遇到大量低壓力地層，鉆井液漏失嚴重。因此如何保證高溫環境下鉆井液性能的穩定是干熱巖鉆探必需解決的問題，也是國內外鉆井液技術研究的熱點和重點。

　　1.1 高溫鉆井液關鍵問題

　　1）抗高溫問題。高溫作用下，鉆井液的黏土顆粒（膨潤土）分散度增強，溫度越高，分散性越強，從而引起鉆井液增稠，流動性較差，高溫高壓（HTHP）失水量增加。高溫一方面會使有機處理劑分子鏈發生斷裂，降低高分子處理劑的相對分子質量，使其失去原有的特性，同時降低處理劑的親水性，減弱其抗污染能力，可能會導致泥漿性能惡化；另一方面會使處理劑分子中不飽和鍵和活性基團之間發生各種反應，發生高溫交聯，使得整個泥漿體系變成凝膠，失去流動性[5].

　　2）低壓地層井壁穩定。干熱巖體鉆遇變質巖或結晶巖，會有大量破碎地層，易發生坍塌、掉塊等孔壁不穩定現象。

　　3）堵漏問題。鉆井液漏失問題在國外干熱巖鉆探施工中比較常見，國內針對高溫堵漏材料的研究較少。

　　目前國內研究的高溫鉆井液抗溫性能不超過250℃，對抗高溫的處理劑及體系研究還很少，干熱巖預計孔底溫度會達150~650℃，面臨著超高溫問題，有待開展耐高溫鉆井液技術研究，主要有以下幾個方面：

　　1）高溫處理劑的研制，包括抗高溫降濾失劑、高溫增黏劑、高溫潤滑劑、高溫堵漏劑及高溫保護劑；

　　2）高溫鉆井液體系的研究，包括高溫高密度鉆井液體系、高溫泡沫鉆井液體系、高溫油基鉆井液體系等；

　　3）高溫檢測儀器的研究，包括高溫高壓流變儀、高溫高壓失水儀、高溫高壓頁巖膨脹量測定儀、高溫堵漏儀、高溫潤滑儀等；

　　4）高溫鉆井液地表冷卻系統研究，例如冷卻塔、冷凍房等。

　　1.2 干熱巖耐高溫鉆井液體系室內研究

　　通過室內實驗在優選大量的高溫造漿材料及高溫處理劑的.基礎上，重點針對抗高溫鉆井液體系--高溫保護劑進行研究，形成了由抗高溫復合造漿材料、高溫降濾失劑、高溫增黏劑、高溫保護劑等組成的抗260℃高溫的鉆井液配方（質量分數）：3% 鈉基膨潤土+2% 抗鹽黏土+4% 磺化褐煤+4%磺化褐煤樹脂+4% 高溫降失水劑1型+4% 高溫降失水劑2型+1.5% 高溫降黏劑+1% 高溫增黏劑+1% 高溫保護劑，性能如表1所示。【1】

　　由實驗結果（表 1）可以看出，該耐高溫鉆井液體系抗260℃高溫，流變性能好，可以滿足鉆井液長時間高溫循環的要求。

2 高溫井下鉆具

　　干熱巖地層通常為火山巖，溫度通常高于200℃，地層巖石研磨性強、可鉆性差，對井下鉆具的耐溫能力、工作性能要求較高。

　　2.1 耐高溫渦輪鉆具

　　井下動力鉆具是提高鉆井效率的重要工具之一，目前最常用的井下動力鉆具有渦輪鉆具、螺桿鉆具、液動沖擊器等。螺桿鉆具耐溫能力通常不高于150℃，高溫螺桿鉆具耐溫能力通常不高于180℃，且在高溫環境下螺桿鉆具表現出性能不穩定、工作壽命短等問題。液動沖擊器可以有效提高鉆速，然而現有的液動沖擊器工作壽命普遍較短，且受鉆井液性能和固相含量影響較大。

　　渦輪鉆具具有耐高溫、轉速高、工作壽命長等優點，適合火山巖地層鉆進[6].國外干熱巖高溫鉆探通常采用高溫渦輪鉆具配合金剛石鉆頭進行復合鉆進，鉆探效率明顯提高[7].

　　北京探礦工程研究所研制了Φ127規格渦輪鉆具，渦輪節采用獨立懸掛結構，渦輪葉片為不銹鋼精密鑄造（圖1），可以有效提高渦輪葉片壽命和水力效率；采用獨立軸承節結構，軸承為金剛石止推軸承（圖2）；整套鉆具采用全金屬結構，無橡膠元件，鉆具耐溫性能大幅提高。該規格渦輪鉆具外徑為127 mm,匹配井徑為152 mm,工作轉速為1000~1400 r/min,工作壓降為7.5~10.0 MPa,制動扭矩為1300~1740 N·m,工作排量為14~16 L/s.

　　2.2 鉆頭優選及設計

　　1）鉆頭選型技術。鉆頭選型技術目前已廣泛應用于石油鉆井過程中，目前常用的鉆頭選型方法是通過聲波測井曲線預測地層的巖性特征和可鉆性，通過對國內各區塊鉆頭使用情況的調研，建立鉆頭參數數據庫，從而進行地層與鉆頭的匹配和選型。應用計算機軟件建立地層巖性預測模型和鉆頭數據庫系統，應用該系統可以對地層巖石的巖性和可鉆性進行預測，從而進行鉆頭優選[8,9].

　　2）金剛石鉆頭。目前在火山巖地層鉆進過程中通常采用高速牙輪鉆頭或金剛石鉆頭鉆進。牙輪鉆頭具有低轉速、可承受高鉆壓的特點，可適應軟到堅硬等各種地層。但牙輪鉆頭鉆頭牙掌與鉆頭主體間采用軸承連接，在高溫、高鉆壓情況下，其軸承壽命相對較短。金剛石鉆頭具有耐高溫、高轉速的特點，其中孕鑲金剛石鉆頭適合在高溫硬巖環境中使用，配合井下動力鉆具進行復合鉆進可大幅提高鉆探效率[6].為解決硬巖鉆進難的問題，史密斯公司研制了一種GHI熱壓鑲嵌齒，將該GHI齒二次鑲焊于胎體中，形成超高工作層、多種切削機理的Kinetic孕鑲金剛石鉆頭（圖3）。該類鉆頭在刀翼上鑲嵌了特殊工藝材料的熱壓鑲嵌齒，這種凸起在孕鑲鉆頭胎體外部的GHI熱壓鑲嵌齒較PDC更加堅硬耐磨，鉆進過程中，由于其降低了鉆頭表面與巖石的接觸面積，增加了單顆金剛石的工作壓力，故在硬巖鉆進中，金剛石產生新陳代謝加快，提高了鉆頭的鉆進效率。該鉆頭配備渦輪鉆具更能體現出在硬巖鉆進中的優勢。

　　3）個性化鉆頭設計。個性化鉆頭設計是指針對地層巖性及可鉆性特點對鉆頭進行優化設計，從而達到提高機械鉆速和鉆頭壽命的目的。對于金剛石而言，在個性化設計時金剛石的粒度設計應重點考慮巖層的完整度、硬度、鉆進參數、金剛石參數等因素[11],鉆頭結構設計應重點考慮地層結構、巖性、壓力、鉆頭穩定性等因素，根據地層巖性及鉆進工況合理設計鉆頭胎體硬度和強度，針對地層研磨性合理設計鉆頭保徑形式及長度等。此外，在鉆頭設計過程中還應考慮復合鉆進條件下工作轉速、鉆壓、壓降等鉆進參數的要求。

　　北京探礦工程研究所根據干熱巖地層特點研制了高溫硬巖金剛石鉆頭，采用雙圓弧冠部曲線設計，熱壓鑲嵌天然金剛石和孕鑲金剛石，具有長方體聚晶及復合片保徑，該鉆頭具有壽命長、鉆探效率高的特點（圖4）。