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(nèi)的干熱巖資源量相當(dāng)于860萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤，按2%的可開采資源量計(jì)算，相當(dāng)于中國目前能源消耗總量的5200倍[1],實(shí)現(xiàn)干熱巖資源開發(fā)利用可有效改善中國能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)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(jīng)建立增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS），實(shí)現(xiàn)了干熱巖資源的開發(fā)利用[2].中國地?zé)豳Y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(shí)建立了中國大陸上第一臺兆瓦級地?zé)岚l(fā)電機(jī)組，進(jìn)入了工業(yè)性發(fā)電階段，開創(chuàng)了世界中溫淺層熱儲資源發(fā)電的先列。目前中國已經(jīng)將干熱巖資源開發(fā)利用提上日程，國土資源部、中國地質(zhì)調(diào)查局也將其列為重點(diǎn)發(fā)展方向，然而中國的干熱巖資源開發(fā)利用工作尚屬起步階段，相關(guān)理論、技術(shù)、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(chǎn)井，采用水力壓裂技術(shù)壓通生產(chǎn)井和注入井形成循環(huán)系統(tǒng)，從注水井注入冷水，利用生產(chǎn)井開采蒸汽用于發(fā)電[3,4].

　　可見，如何鉆開儲層形成EGS系統(tǒng)是干熱巖資源開發(fā)的關(guān)鍵。與石油和淺層地?zé)徙@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(fù)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(jīng)驗(yàn)不足，開展干熱巖鉆探和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究對推動中國干熱巖資源開發(fā)利用具有重要意義。

1 高溫鉆井液技術(shù)

　　干熱巖地層特點(diǎn)是埋藏深，溫度為150~650℃。在開發(fā)干熱巖過程中，鉆井液起著至關(guān)重要的作用，井內(nèi)鉆井液將長期處于高溫環(huán)境。惡劣環(huán)境對鉆井液性能造成極其嚴(yán)重的破壞，直接影響孔壁穩(wěn)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(yán)重。因此如何保證高溫環(huán)境下鉆井液性能的穩(wěn)定是干熱巖鉆探必需解決的問題，也是國內(nèi)外鉆井液技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

　　1.1 高溫鉆井液關(guān)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(qiáng)，溫度越高，分散性越強(qiáng)，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(jī)處理劑分子鏈發(fā)生斷裂，降低高分子處理劑的相對分子質(zhì)量，使其失去原有的特性，同時(shí)降低處理劑的親水性，減弱其抗污染能力，可能會導(dǎo)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(tuán)之間發(fā)生各種反應(yīng)，發(fā)生高溫交聯(lián)，使得整個(gè)泥漿體系變成凝膠，失去流動性[5].

　　2）低壓地層井壁穩(wěn)定。干熱巖體鉆遇變質(zhì)巖或結(jié)晶巖，會有大量破碎地層，易發(fā)生坍塌、掉塊等孔壁不穩(wěn)定現(xiàn)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(nèi)針對高溫堵漏材料的研究較少。

　　目前國內(nèi)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(yù)計(jì)孔底溫度會達(dá)150~650℃，面臨著超高溫問題，有待開展耐高溫鉆井液技術(shù)研究，主要有以下幾個(gè)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(hù)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(tǒng)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(nèi)研究

　　通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在優(yōu)選大量的高溫造漿材料及高溫處理劑的.基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對抗高溫鉆井液體系--高溫保護(hù)劑進(jìn)行研究，形成了由抗高溫復(fù)合造漿材料、高溫降濾失劑、高溫增黏劑、高溫保護(hù)劑等組成的抗260℃高溫的鉆井液配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：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(hù)劑，性能如表1所示。【1】

　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間高溫循環(huán)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(qiáng)、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(huán)境下螺桿鉆具表現(xiàn)出性能不穩(wěn)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(xiàn)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(zhuǎn)速高、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適合火山巖地層鉆進(jìn)[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(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，鉆探效率明顯提高[7].

　　北京探礦工程研究所研制了Φ127規(guī)格渦輪鉆具，渦輪節(jié)采用獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)，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(dú)立軸承節(jié)結(jié)構(gòu)，軸承為金剛石止推軸承（圖2）；整套鉆具采用全金屬結(jié)構(gòu)，無橡膠元件，鉆具耐溫性能大幅提高。該規(guī)格渦輪鉆具外徑為127 mm,匹配井徑為152 mm,工作轉(zhuǎn)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(yōu)選及設(shè)計(jì)

　　1）鉆頭選型技術(shù)。鉆頭選型技術(shù)目前已廣泛應(yīng)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(yù)測地層的巖性特征和可鉆性，通過對國內(nèi)各區(qū)塊鉆頭使用情況的調(diào)研，建立鉆頭參數(shù)數(shù)據(jù)庫，從而進(jìn)行地層與鉆頭的匹配和選型。應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件建立地層巖性預(yù)測模型和鉆頭數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)可以對地層巖石的巖性和可鉆性進(jìn)行預(yù)測，從而進(jìn)行鉆頭優(yōu)選[8,9].

　　2）金剛石鉆頭。目前在火山巖地層鉆進(jìn)過程中通常采用高速牙輪鉆頭或金剛石鉆頭鉆進(jìn)。牙輪鉆頭具有低轉(zhuǎn)速、可承受高鉆壓的特點(diǎn)，可適應(yīng)軟到堅(jiān)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(zhuǎn)速的特點(diǎn)，其中孕鑲金剛石鉆頭適合在高溫硬巖環(huán)境中使用，配合井下動力鉆具進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)可大幅提高鉆探效率[6].為解決硬巖鉆進(jìn)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(jī)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(jiān)硬耐磨，鉆進(jìn)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(jìn)中，金剛石產(chǎn)生新陳代謝加快，提高了鉆頭的鉆進(jìn)效率。該鉆頭配備渦輪鉆具更能體現(xiàn)出在硬巖鉆進(jìn)中的優(yōu)勢。

　　3）個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)。個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)是指針對地層巖性及可鉆性特點(diǎn)對鉆頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到提高機(jī)械鉆速和鉆頭壽命的目的。對于金剛石而言，在個(gè)性化設(shè)計(jì)時(shí)金剛石的粒度設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮巖層的完整度、硬度、鉆進(jìn)參數(shù)、金剛石參數(shù)等因素[11],鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮地層結(jié)構(gòu)、巖性、壓力、鉆頭穩(wěn)定性等因素，根據(jù)地層巖性及鉆進(jìn)工況合理設(shè)計(jì)鉆頭胎體硬度和強(qiáng)度，針對地層研磨性合理設(shè)計(jì)鉆頭保徑形式及長度等。此外，在鉆頭設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)考慮復(fù)合鉆進(jìn)條件下工作轉(zhuǎn)速、鉆壓、壓降等鉆進(jìn)參數(shù)的要求。

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