肯尼亞地?zé)豳Y源的利用

肯尼亞是東非經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展最具活力的國(guó)家之一，近幾年來(lái)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(jià)過(guò)高成為制約其國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸之一。為了彌補(bǔ)電力不足和控制發(fā)電成本，肯尼亞政府主要通過(guò)建立地?zé)犭娬?/a>來(lái)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(dá)到地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量5 500 MW的目標(biāo)。截至2018年6月，肯尼亞地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量683.9 MW，其中，肯尼亞發(fā)電公司地?zé)?/a>發(fā)電裝機(jī)容量533.9 MW，占比78.1%，獨(dú)立發(fā)電商地?zé)?/a>發(fā)電裝機(jī)容量150 MW，占比21.9%。

肯尼亞地?zé)豳Y源勘探

作為唯一商業(yè)化開(kāi)發(fā)的肯尼亞Olkaria地?zé)崽?/a>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?zé)崽?/a>整體面積大約100 km2，已探明資源面積大約40 km2。

Olkaria地?zé)崽?/a>的勘探工作始于1950年，通過(guò)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(chǔ)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(jìn)展，在區(qū)塊內(nèi)成功完鉆了溫度達(dá)300℃的地?zé)峋?/a>。

地質(zhì)特征分析

Olkaria地?zé)崽?/a>是一個(gè)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(gè)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(lái)自于大氣降水，北東東走向的Olkaria斷層區(qū)是整個(gè)Olkaria地?zé)?/a>田最重要的滲透構(gòu)造，該斷層經(jīng)過(guò)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(gè)水文上的劃分。斷層北部的地?zé)醿?chǔ)層以液體為主，不含氣層；斷層南部?jī)?chǔ)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?zé)?/a>田在東非大裂谷中的位置 

圖2 Olkaria地?zé)崽飵r性及溫度剖面（W-E)

地?zé)峋?/a>鉆井難點(diǎn)

1）控制井筒溫度

地?zé)峋?/a>和油氣井有很大的區(qū)別。在油氣井鉆井時(shí)，地層溫度都有規(guī)律可循，鉆井過(guò)程中考慮更多的是如何完成鉆井任務(wù)及在鉆井過(guò)程中不傷害油氣層。而地?zé)峋?/a>則不同，首先表現(xiàn)在地溫梯度無(wú)規(guī)律可循，且地層溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油氣井的溫度，地?zé)峋魵獾淖罡弋a(chǎn)出溫度近400℃，圖7是肯尼亞地?zé)峋甇W-49井完井12周后測(cè)試得到的溫度變化曲線。由測(cè)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(guò)程中井口返出溫度高，對(duì)循環(huán)介質(zhì)的抗高溫性能提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)鉆井安全和井控工作亦是一個(gè)威脅。特別是當(dāng)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?zé)峋@井時(shí)避免地層中的水蒸氣噴到地面上來(lái)。

2）鉆井過(guò)程中存在較大的摩阻

由于地?zé)峋矁?nèi)溫度高，因此，大部分時(shí)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(méi)有泥餅，起鉆過(guò)程中也沒(méi)有泥漿充當(dāng)潤(rùn)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(shí)，懸重達(dá)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(gè)井眼裂縫非常發(fā)育，漏失嚴(yán)重，部分時(shí)間是在盲鉆，沒(méi)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(diǎn)及構(gòu)造，在盲鉆過(guò)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(shí)間的推移溫度持續(xù)升高特性下降。

4）井眼的清潔問(wèn)題

肯尼亞地?zé)峋@地層除表層外，基本上都是火山噴發(fā)巖，從實(shí)鉆情況來(lái)看，多數(shù)后期都遇到了嚴(yán)重的井眼不穩(wěn)定問(wèn)題，因此，解決井眼清潔問(wèn)題尤為重要。

5）抗高溫鉆井液研制

在上部地層漏失不嚴(yán)重的情況下，地?zé)峋?a href="http://stolid.cn/t/高溫.html" >高溫的特點(diǎn)對(duì)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(duì)鉆井液體系造成一系列的嚴(yán)重化學(xué)危害并對(duì)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(qiáng)，一般要求達(dá)到180～200℃。

目前，國(guó)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(hù)過(guò)程中，通過(guò)抗高溫發(fā)泡劑和抗高溫保護(hù)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(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)。

6）高溫固完井問(wèn)題

在高溫環(huán)境中，水泥漿的封固能力、套管腐蝕性、套管強(qiáng)度以及地層蠕變對(duì)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(guó)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(wèn)題

地?zé)徙@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。肯尼亞地層主要由堅(jiān)硬的火山巖組成，幾乎無(wú)泥砂巖，地層研磨性強(qiáng)，機(jī)械鉆速非常低。通常地?zé)峋?a href="http://stolid.cn/t/鉆頭.html" >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(duì)于牙輪鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)的主要問(wèn)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(guò)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?zé)?a href="http://stolid.cn/t/鉆進(jìn).html" >鉆進(jìn)中，為了延長(zhǎng)軸承壽命會(huì)要求降低鉆壓，而低鉆壓導(dǎo)致低鉆速，其后果往往使地?zé)?a href="http://stolid.cn/t/鉆進(jìn).html" >鉆進(jìn)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(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，其獨(dú)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(lái)越廣，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前在世界范圍內(nèi)鉆井總進(jìn)尺數(shù)的80%都是由PDC鉆頭完成的，占有絕對(duì)的重要地位。

在高研磨性地層中鉆進(jìn)時(shí)，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(shí)，高抗壓強(qiáng)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?zé)徙@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(jìn)時(shí)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(wèn)題，這也是一種在2 000 m以下頻繁出現(xiàn)的失效形式，此時(shí)牙輪鉆頭的工作壽命一般都比較短（多介于15～40 h），說(shuō)明深部井段的地層研磨性很強(qiáng)。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(yán)重縮徑的現(xiàn)象頻繁發(fā)生。

通過(guò)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(qiáng)、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(shí)際過(guò)盈量小于設(shè)計(jì)過(guò)盈量，降低了牙齒的固緊力，造成鉆頭掉齒，且牙齒磨損嚴(yán)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?zé)?/a>井鉆頭必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

8）空氣鉆井技術(shù)問(wèn)題

肯尼亞地?zé)崽锏貙幼陨系较铝芽p和溶洞非常發(fā)育，從實(shí)際的工況來(lái)看，全井從地表至目的層中的任何一點(diǎn)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(wú)漏層或漏點(diǎn)規(guī)律可循，常規(guī)的油井鉆井堵漏技術(shù)在此無(wú)用武之地。

依據(jù)地?zé)峋纳a(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(wèn)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。空氣鉆井是以空氣代替常規(guī)鉆井液作為循環(huán)介質(zhì)，通過(guò)空氣設(shè)備為載體實(shí)現(xiàn)的鉆井工藝。

同時(shí)，由于泡沫流體的應(yīng)用，制約了MWD（無(wú)線隨鉆）和有線隨鉆的使用，因此，該地區(qū)只能采用單點(diǎn)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(wèn)題。