肯尼亞地熱資源的利用

肯尼亞是東非經(jīng)濟社會發(fā)展最具活力的國家之一，近幾年來電力需求量以年均6.4%的速度遞增，然而電力供應(yīng)短缺、電價過高成為制約其國民經(jīng)濟發(fā)展的主要瓶頸之一。為了彌補電力不足和控制發(fā)電成本，肯尼亞政府主要通過建立地熱電站來替代燃油發(fā)電。

依據(jù)肯尼亞在2015年制定的能源政策，要在2030年達到地熱發(fā)電總裝機容量5 500 MW的目標。截至2018年6月，肯尼亞地熱發(fā)電總裝機容量683.9 MW，其中，肯尼亞發(fā)電公司地熱發(fā)電裝機容量533.9 MW，占比78.1%，獨立發(fā)電商地熱發(fā)電裝機容量150 MW，占比21.9%。

肯尼亞地熱資源勘探

作為唯一商業(yè)化開發(fā)的肯尼亞Olkaria地熱田位于肯尼亞裂谷谷底中部以南，局部及周邊的構(gòu)造情況如圖1所示，Olkaria地熱田整體面積大約100 km2，已探明資源面積大約40 km2。

Olkaria地熱田的勘探工作始于1950年，通過地質(zhì)特征分析、地球化學(xué)研究、地球物理勘探等技術(shù)，揭示了地下巖石和流體的相關(guān)屬性，以及儲層和滲透性通道的位置和展布，為鉆井提供有利信息，并在1970年取得了突破性進展，在區(qū)塊內(nèi)成功完鉆了溫度達300℃的地熱井。

地質(zhì)特征分析

Olkaria地熱田是一個被南北走向的正斷層切割的火山巖復(fù)合體（圖2），地下可劃分為4個主要地層，包括：Mau凝灰?guī)r層，Plateau粗面巖層，Olkaria玄武巖層及上Olkaria火山巖層。Olkaria系統(tǒng)內(nèi)的水主要來自于大氣降水，北東東走向的Olkaria斷層區(qū)是整個Olkaria地熱田最重要的滲透構(gòu)造，該斷層經(jīng)過東北和西部區(qū)塊，形成了系統(tǒng)內(nèi)最高產(chǎn)的部分和一個水文上的劃分。斷層北部的地熱儲層以液體為主，不含氣層；斷層南部儲層則是以液體為主的兩相系統(tǒng)，液體在下，上覆蒸汽。

圖1 Olkaria及周邊地熱田在東非大裂谷中的位置 

圖2 Olkaria地熱田巖性及溫度剖面（W-E)

地熱井鉆井難點

1）控制井筒溫度

地熱井和油氣井有很大的區(qū)別。在油氣井鉆井時，地層溫度都有規(guī)律可循，鉆井過程中考慮更多的是如何完成鉆井任務(wù)及在鉆井過程中不傷害油氣層。而地熱井則不同，首先表現(xiàn)在地溫梯度無規(guī)律可循，且地層溫度遠遠高于油氣井的溫度，地熱井水蒸氣的最高產(chǎn)出溫度近400℃，圖7是肯尼亞地熱井OW-49井完井12周后測試得到的溫度變化曲線。由測試結(jié)果可知，該井的溫度由井口的40.998℃變化為井底（3 622.1 m）的392.174℃，最高溫度為392.584℃。

鉆井過程中井口返出溫度高，對循環(huán)介質(zhì)的抗高溫性能提出了挑戰(zhàn)，同時對鉆井安全和井控工作亦是一個威脅。特別是當幾百度的水蒸氣一旦涌出地面，其控制程序完全不同于油氣的控制，首先是油氣井鉆井的相關(guān)控制設(shè)備在高溫下都有可能失效，需要在地熱井鉆井時避免地層中的水蒸氣噴到地面上來。

2）鉆井過程中存在較大的摩阻

由于地熱井井筒內(nèi)溫度高，因此，大部分時間使用空氣泡沫循環(huán)液等冷卻循環(huán)液體作為鉆井液，井壁沒有泥餅，起鉆過程中也沒有泥漿充當潤滑劑，再加上定向井井身軌跡不規(guī)則，導(dǎo)致摩阻變大，正常情況下，井深2 800 m起鉆時，懸重達到180 t左右。

3）鉆井液的循環(huán)和盲鉆

肯尼亞地層從地表至目的層均由火山噴發(fā)巖組成，整個井眼裂縫非常發(fā)育，漏失嚴重，部分時間是在盲鉆，沒有任何流體返出井口，這在油氣井鉆井中是不可想象的，而由于地層的特點及構(gòu)造，在盲鉆過程中鉆井液將巖屑帶入漏層及裂縫，保證了井底的清潔，從而也保證了正常作業(yè)；其次，由于熱交換的原理，循環(huán)鉆井液的溫度隨著時間的推移溫度持續(xù)升高特性下降。

4）井眼的清潔問題

肯尼亞地熱井所鉆地層除表層外，基本上都是火山噴發(fā)巖，從實鉆情況來看，多數(shù)后期都遇到了嚴重的井眼不穩(wěn)定問題，因此，解決井眼清潔問題尤為重要。

5）抗高溫鉆井液研制

在上部地層漏失不嚴重的情況下，地熱井高溫的特點對使用的鉆井液有其特殊的要求：(1)地層流體礦化度高，其化學(xué)作用對鉆井液體系造成一系列的嚴重化學(xué)危害并對鉆具產(chǎn)生腐蝕；(2)要求泥漿密度較低；(3)鉆井液抗高溫能力要強，一般要求達到180～200℃。

目前，國內(nèi)外除了研發(fā)抗高溫的鉆井液外，解決超深井抗高溫難題的另一種鉆井液體系為高溫泡沫鉆井液體系。在配制和維護過程中，通過抗高溫發(fā)泡劑和抗高溫保護劑，提高泡沫在高溫條件下的穩(wěn)定性，采用常規(guī)泡沫鉆井技術(shù)實現(xiàn)高效鉆進。

6）高溫固完井問題

在高溫環(huán)境中，水泥漿的封固能力、套管腐蝕性、套管強度以及地層蠕變對套管的擠壓作用都影響著固井質(zhì)量。哈里伯頓公司的高溫緩凝劑與硼酸（鹽）復(fù)配，最高適用的循環(huán)溫度為316℃；斯倫貝謝公司的UNIFSET緩凝劑適用溫度小于232℃；國內(nèi)水泥漿體系及添加劑仍以循環(huán)溫度200℃以下為主，性能參數(shù)和穩(wěn)定性難以滿足200℃以上地層的固井要求。

7）高效破巖問題

地熱鉆井常用的是牙輪鉆頭，部分情況下使用PDC（人造聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭鉆井?？夏醽喌貙又饕蓤杂驳幕鹕綆r組成，幾乎無泥砂巖，地層研磨性強，機械鉆速非常低。通常地熱井鉆頭要鉆高研磨性的變質(zhì)巖、火成巖層，通常它們都屬于基巖。對于牙輪鉆頭，鉆進時的主要問題是鉆頭壽命短，牙輪鉆頭的軸承損壞和牙輪錐邊保徑齒圈的過度磨損都是損壞的主要形式。軸承和保徑齒圈的磨損有直接的關(guān)系，一種磨損將導(dǎo)致另一種磨損，因此，在地熱鉆進中，為了延長軸承壽命會要求降低鉆壓，而低鉆壓導(dǎo)致低鉆速，其后果往往使地熱鉆進更糟。

PDC鉆頭用于石油鉆井已有近60 a的歷史。隨著切削齒材料技術(shù)和鉆頭設(shè)計技術(shù)的不斷進步，其獨特的鉆井安全性、結(jié)構(gòu)形式的靈活性以及剪切破巖的高效切削性，使PDC鉆頭在油氣鉆井工程中的地層適應(yīng)范圍越來越廣，據(jù)統(tǒng)計目前在世界范圍內(nèi)鉆井總進尺數(shù)的80%都是由PDC鉆頭完成的，占有絕對的重要地位。

在高研磨性地層中鉆進時，常規(guī)PDC鉆頭的切削齒磨損速度快，鉆頭的工作壽命很短。同時，高抗壓強度的巖層使PDC鉆頭難以有效地吃入地層，PDC鉆頭的應(yīng)用受到很大限制。

肯尼亞地熱鉆井所使用的牙輪鉆頭典型的失效形式主要有2類：其一，在高研磨性地層中鉆進時導(dǎo)致的牙齒脫落、斷裂；其二，牙齒快速磨損及其所導(dǎo)致的縮徑問題，這也是一種在2 000 m以下頻繁出現(xiàn)的失效形式，此時牙輪鉆頭的工作壽命一般都比較短（多介于15～40 h），說明深部井段的地層研磨性很強。上述2種失效形式在鉆頭外排和次外排齒表現(xiàn)得最突出，外排齒的脫落或磨損導(dǎo)致鉆頭嚴重縮徑的現(xiàn)象頻繁發(fā)生。

通過上述牙輪鉆頭應(yīng)用現(xiàn)狀及失效分析，總結(jié)如下：(1)在井深2 600 m以下井段，地層的硬度高、研磨性強、溫度高，從鉆頭使用情況看，隨著溫度的升高，牙輪齒孔膨脹量大于硬質(zhì)合金齒，造成牙齒和齒孔的實際過盈量小于設(shè)計過盈量，降低了牙齒的固緊力，造成鉆頭掉齒，且牙齒磨損嚴重，鉆頭使用壽命明顯下降；(2)齒形技術(shù)、固齒技術(shù)以及鉆頭保徑技術(shù)是高溫地熱井鉆頭必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

8）空氣鉆井技術(shù)問題

肯尼亞地熱田地層自上到下裂縫和溶洞非常發(fā)育，從實際的工況來看，全井從地表至目的層中的任何一點都有可能發(fā)生漏失，而每一次發(fā)生的漏失幾乎都是完全漏失，無漏層或漏點規(guī)律可循，常規(guī)的油井鉆井堵漏技術(shù)在此無用武之地。

依據(jù)地熱井的生產(chǎn)特性，生產(chǎn)層也不允許堵漏，空氣泡沫鉆井的目的是為了解決井眼的漏失問題，所以低密度氣基流體鉆井技術(shù)在此是不可缺少的鉆井技術(shù)之一?？諝忏@井是以空氣代替常規(guī)鉆井液作為循環(huán)介質(zhì)，通過空氣設(shè)備為載體實現(xiàn)的鉆井工藝。

同時，由于泡沫流體的應(yīng)用，制約了MWD（無線隨鉆）和有線隨鉆的使用，因此，該地區(qū)只能采用單點定向，存在火山巖地層可鉆性差和空氣泡沫定向螺桿效率低的問題。