本發(fā)明屬于干熱巖地?zé)徙@井施工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種運(yùn)用顆粒狀干冰作為鉆井液，在地?zé)徙@井施工中吸收熱量發(fā)生相態(tài)變化，達(dá)到冷卻鉆具目的，同時(shí)在鉆頭前部巖體產(chǎn)生溫度梯度，致使巖體熱破裂而弱化，進(jìn)而在高溫高壓環(huán)境下生成的超臨界二氧化碳更易于破巖、排渣、護(hù)壁的鉆井方法，具體為一種用干冰鉆井液輔助破巖的鉆井方法。

背景技術(shù)：

地?zé)嶙鳛榫G色的、可再生的資源，被世界各國(guó)確定為維系社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的新的“綠色能源”。干熱巖地?zé)嵋话闶侵笢囟仍?00℃以上的巖體中蘊(yùn)藏的地?zé)崮苜Y源，可以經(jīng)過(guò)人工開(kāi)采從巖體中直接提取熱量用于發(fā)電。

在干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用中，首先需要解決的就是高溫高壓下鉆井破巖技術(shù)，高溫鉆井液技術(shù)一直被認(rèn)為是鉆井液技術(shù)乃至于鉆井技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志。鉆井過(guò)程中，鉆井液的主要作用是冷卻和潤(rùn)滑鉆頭、攜帶和懸浮巖屑、穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力，鉆井液是保證鉆井成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。高溫高壓下鉆井特點(diǎn)使其對(duì)于鉆井液的性能要求較高，主要表現(xiàn)為：(1)抗高溫高壓性；(2)有助于鉆井破巖；(3)對(duì)鉆具無(wú)腐蝕性；(4)對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

干冰是在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下、-78.5 ℃存在的固態(tài)二氧化碳，干冰蓄冷是水冰的2倍，吸收熱量后升華成二氧化碳?xì)怏w，無(wú)任何殘留、無(wú)毒性、無(wú)異味。其制作簡(jiǎn)單方便、二氧化碳來(lái)源充足、成本很低。干冰具有良好的物理特性：易揮發(fā)，當(dāng)溫度高于-78.5℃時(shí)就會(huì)發(fā)生升華，吸收熱量迅速轉(zhuǎn)化為無(wú)毒、無(wú)味的二氧化碳?xì)怏w；同時(shí)，體積會(huì)迅速膨脹600-800倍，故在有限容積內(nèi)，干冰遇高溫吸熱會(huì)發(fā)生相態(tài)的變化，轉(zhuǎn)化成的氣態(tài)二氧化碳會(huì)對(duì)容器壁產(chǎn)生高壓，且有可能發(fā)生爆炸。當(dāng)二氧化碳流體的溫度、壓力達(dá)到31.1℃和7.4MPa時(shí)，二氧化碳流體就處于超臨界狀態(tài)。超臨界二氧化碳兼有氣體和液體雙重性質(zhì)：密度大，通常是氣體的幾百倍，近于液體；粘度低，比液體粘度要小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，擴(kuò)散系數(shù)高，約為液體的10-100倍。故超臨界二氧化碳流具有氣體的低粘度和易擴(kuò)散、液體的高密度和易溶解的特性。

因此，在高溫高壓、低滲透性、致密堅(jiān)硬的干熱巖體中進(jìn)行鉆井施工，利用顆粒狀干冰作為鉆井液，隨鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中，干冰會(huì)吸熱發(fā)生物理相態(tài)變化，鉆進(jìn)處巖體溫度降低，在巖體內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，巖體發(fā)生熱破裂，巖體性質(zhì)弱化，便于鉆具破巖。同時(shí)由于顆粒狀干冰吸熱，降低了鉆具的溫度，提高了鉆具的穩(wěn)定性和使用壽命。此外，伴隨著顆粒狀干冰吸熱發(fā)生物理相態(tài)的轉(zhuǎn)變，生成的超臨界二氧化碳流可以潤(rùn)滑鉆頭，平衡鉆井井壁應(yīng)力以及地應(yīng)力，同時(shí)將鉆具破巖產(chǎn)生的巖屑攜帶出井底，保持井底清潔，避免鉆頭重復(fù)切削，減少磨損，提高了破巖速度及效率。干冰作為鉆井液，不僅可以起到冷卻鉆頭、排渣、護(hù)壁的作用，而且可以實(shí)現(xiàn)輔助破巖的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

由高溫高壓下鉆井特點(diǎn)及其對(duì)鉆井液性能的要求決定，常規(guī)的鉆井液已無(wú)法滿(mǎn)足干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)鉆井的要求。為了克服高溫高壓下鉆井施工中存在的由于高溫高壓導(dǎo)致的鉆具穩(wěn)定性差、鉆井液抗高溫性能差、巖層可鉆性差、鉆孔穩(wěn)定性差、鉆井施工成本高等技術(shù)不足，本發(fā)明公開(kāi)了一種干熱巖鉆井施工中運(yùn)用顆粒狀干冰作為鉆井液來(lái)輔助破巖的鉆井方法。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種用干冰鉆井液輔助破巖的鉆井方法：顆粒狀干冰作為干熱巖地?zé)徙@井施工用鉆井液，經(jīng)過(guò)鉆桿和鉆頭內(nèi)部通道到達(dá)井孔底部，干冰在高溫高壓的環(huán)境下吸收熱量發(fā)生相態(tài)變化，生成超臨界二氧化碳，達(dá)到冷卻鉆具目的，同時(shí)鉆頭前部巖體產(chǎn)生溫度梯度，致使巖體熱破裂，巖體性質(zhì)弱化，起到輔助破巖的作用。在干冰鉆井液循環(huán)過(guò)程中，充分發(fā)揮其功能：(1)冷卻、潤(rùn)滑鉆頭；(2)輔助破巖；(3)攜帶巖屑；(4)維持井壁系統(tǒng)穩(wěn)定性。經(jīng)一系列鉆井液功能后，攜帶巖屑由鉆桿與井壁之間的環(huán)空返回地面，然后進(jìn)行氣固分離、降溫冷卻，重新生成顆粒狀干冰，再次被注入到井底。與此同時(shí)，應(yīng)用排氣檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體排量及攜屑情況，并結(jié)合鉆壓、鉆速、泵壓、攜巖屑的二氧化碳?xì)怏w的各個(gè)參數(shù)，適時(shí)調(diào)整干冰鉆井液注入量，有效保證破巖效率和攜巖屑的能力，確保各工序有序進(jìn)行，直至鉆進(jìn)目標(biāo)層，鉆井結(jié)束。

其具體實(shí)施步驟為：

(1)在地?zé)岙惓^(qū)域，根據(jù)其地質(zhì)條件確定鉆井實(shí)施方案。

(2)完成鉆井施工前的準(zhǔn)備工作，如井孔定位、鉆機(jī)就位等。

(3)安裝干冰鉆井液循環(huán)利用系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備，并連通干冰鉆井液輸送管路，干冰鉆井液相關(guān)設(shè)備包括干冰鉆井液高壓注入泵、顆粒狀干冰制得裝置、CO2氣體制冷換熱器、固氣分離裝置、排氣檢測(cè)裝置。

(4)進(jìn)行干熱巖鉆井上部100-300m范圍內(nèi)的密封套管施工，從而保證二氧化碳或者超臨界二氧化碳?xì)怏w的密封，提供足夠的氣體壓力維持井壁穩(wěn)定。

(5)鉆井施工，鉆進(jìn)過(guò)程中，顆粒狀干冰作為鉆井液，經(jīng)過(guò)鉆桿和鉆頭內(nèi)部通道到達(dá)井孔底部，經(jīng)一系列鉆井液功能后，攜帶巖屑由鉆桿與井壁之間的環(huán)形空間返回地面，然后經(jīng)過(guò)固氣分離裝置、制冷換熱器，重新生成顆粒狀干冰，再次被注入到井底，從而達(dá)到連續(xù)循環(huán)的目的。

(6)在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)用排氣檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體排量及攜屑情況，并結(jié)合鉆壓、鉆速、泵壓、攜巖屑的二氧化碳?xì)怏w的各個(gè)參數(shù)，適時(shí)調(diào)整干冰鉆井液注入量，有效保證破巖效率和攜巖屑的能力，確保各工序有序進(jìn)行。

(7) 按照鉆井方案，依次循環(huán)進(jìn)行，直至鉆進(jìn)目標(biāo)層，鉆井結(jié)束。

上述一種用干冰鉆井液輔助破巖的鉆井方法，所述步驟（4）中，維持井壁穩(wěn)定的超臨界CO2氣體壓力P_氣≧P_地+P_孔，式中P_氣為超臨界CO2氣體壓力，P_地 為井壁處地層壓力，P_孔為井壁處地層巖體的孔隙壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：（1）顆粒狀干冰制備簡(jiǎn)單，成本低廉，安全無(wú)毒，本發(fā)明對(duì)井口排出的二氧化碳進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)利用；（2）利用干冰鉆井液進(jìn)行輔助破巖，顆粒狀干冰在遇高溫巖體吸熱，發(fā)生物理相態(tài)變化，造成鉆進(jìn)巖體接觸表面溫度降低，在巖體內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，從而在熱應(yīng)力作用下巖體發(fā)生熱破裂，產(chǎn)生微小裂隙，弱化了鉆進(jìn)巖體的力學(xué)性能；（3）干冰鉆井液發(fā)生物理相態(tài)的變化，會(huì)有效的降低鉆具的溫度，特別是鉆頭的溫度，使得鉆具的穩(wěn)定性大幅提升，使用壽命延長(zhǎng)，同時(shí)生成的超臨界二氧化碳流可以起到對(duì)鉆頭的潤(rùn)滑作用，大幅提高了鉆進(jìn)速度，使破巖效率大幅提升；（4）采用干冰鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的循環(huán)高效利用和保護(hù)環(huán)境的目的，降低鉆井成本。

附圖說(shuō)明

圖1為干冰鉆井液輔助破巖鉆井過(guò)程示意圖。

圖2為干冰鉆井液循環(huán)利用系統(tǒng)示意圖。

圖3為干冰鉆井液輔助破巖機(jī)理圖。

圖中：1-天車(chē)，2-游動(dòng)滑車(chē)，3-大鉤，4-干冰鉆井液控制閥，5-井架，6-轉(zhuǎn)盤(pán)，7-干冰鉆井液輸送管路，8-干冰鉆井液高壓注入泵，9-顆粒狀干冰制得裝置，10-CO₂氣體制冷換熱器，11-固氣分離裝置，12-固井水泥環(huán)，13-套管，14-鉆桿，15-井壁，16-鉆鋌，17-攜帶巖屑的超臨界CO₂氣體，18-耐高溫鉆頭，19-顆粒狀干冰鉆井液，20-排氣檢測(cè)裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1、圖2、圖3對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

在某圈定的干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)區(qū)域施工注入井和生產(chǎn)井，施工過(guò)程中運(yùn)用顆粒狀干冰作為鉆井液輔助破巖的鉆井方法，具體步驟如下：

(1)根據(jù)地質(zhì)條件勘查結(jié)果，決定將注入井和生產(chǎn)井布置在深度2000m、溫度200℃的花崗巖層中，鉆井液為顆粒狀干冰，注入壓力大于50MPa 。

(2)完成鉆井施工前的準(zhǔn)備工作，如井孔定位、鉆機(jī)就位等。首先根據(jù)井組布置方案及間距進(jìn)行井孔定位，然后進(jìn)行鉆井設(shè)備安裝。按作業(yè)規(guī)程組裝井架5，包括天車(chē)1、游動(dòng)滑車(chē)2、大溝3、干冰鉆井液控制閥4、轉(zhuǎn)盤(pán)6、干冰鉆井液輸送管路7等設(shè)備。并按要求選取鉆桿14、鉆鋌16、耐高溫鉆頭18，保證鉆井設(shè)備具有一定的耐高溫特性。

(3)安裝干冰鉆井液循環(huán)利用系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備，并連通干冰鉆井液輸送管路7，干冰鉆井液相關(guān)設(shè)備包括干冰鉆井液高壓注入泵8、顆粒狀干冰制得裝置9、CO₂氣體制冷換熱器10、固氣分離裝置11、排氣檢測(cè)裝置20。

(4)進(jìn)行干熱巖鉆井上部100-300m范圍內(nèi)的密封套管施工，從而保證二氧化碳或者超臨界二氧化碳?xì)怏w的密封，根據(jù)2000m處巖層應(yīng)力狀況與孔隙壓大小，需要60Mpa的氣體壓力才能夠維持井壁穩(wěn)定。

(5)進(jìn)行鉆井施工，鉆進(jìn)過(guò)程中，顆粒狀干冰作為鉆井液，經(jīng)過(guò)鉆桿14和鉆頭18內(nèi)部通道到達(dá)井孔底部，經(jīng)一系列鉆井液功能后，攜帶巖屑由鉆桿14與井壁15之間的環(huán)形空間返回地面，然后經(jīng)過(guò)固氣分離裝置11、CO₂氣體制冷換熱器10、在顆粒狀干冰制得裝置9中重新生成顆粒狀干冰，再次被注入到井底，從而達(dá)到連續(xù)循環(huán)的目的。在干冰鉆井液循環(huán)過(guò)程中起到以下作用：①冷卻、潤(rùn)滑鉆頭；②輔助破巖；③攜帶巖屑；④維持井壁系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(6)在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)用排氣檢測(cè)裝置20實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體排量及攜屑情況，并結(jié)合鉆壓、鉆速、泵壓、攜巖屑的二氧化碳?xì)怏w的各個(gè)參數(shù)，適時(shí)調(diào)整干冰鉆井液注入量，有效保證破巖效率和攜巖屑的能力，確保各工序有序進(jìn)行。

(7)按照鉆井方案，依次循環(huán)進(jìn)行，直至鉆進(jìn)目標(biāo)層，鉆井結(jié)束。

圖2為干冰鉆井液循環(huán)利用系統(tǒng)示意圖，圖中干冰鉆井液高壓注入泵8、顆粒狀干冰制得裝置9、CO₂氣體制冷換熱器10、固氣分離裝置11、排氣檢測(cè)裝置20依次連接，干冰鉆井液高壓注入泵8通過(guò)干冰鉆井液控制閥4和干冰鉆井液輸送管路7連接，排氣檢測(cè)裝置20的入口與井口密封連接。

圖3為干冰鉆井液輔助破巖機(jī)理圖，其機(jī)理為干冰吸熱使鉆頭前部巖體產(chǎn)生溫度梯度，巖體發(fā)生熱破裂，力學(xué)性能劣化，從而起到輔助破巖的功能。