周颉/译
 
工具中的新型马达和管道涂层旨在在炎热坚硬的岩石中钻井，而优化的钻头延长了锻造井的使用寿命
 
 
地热能不仅是地球上最大的潜在可再生能源，也是使用最少的。然而，随着石油和天然气行业加强脱碳工作，地热市场正在崛起，各公司越来越多地将地热能视为其减排战略的重要组成部分。雷斯塔能源公司预计，到2030年，地热发电的装机容量将几乎翻一番，达到近320亿瓦。
 
传统的地热生产技术，如热液技术，在地理上局限于具有天然地下储层的区域。这些水库的温度很低，通常为200摄氏度(392华氏度)，限制了它们的发电潜力。
 
非常规地热资源是通过增强型地热系统(EGS)和高级地热系统(AGS)生产的，前者依靠对流，后者是依靠传导的闭环系统。这些工程储层钻入温度超过300°C(572°F)的磨蚀性花岗岩地层。
 
技术进步是将地热能从一个小众角色转变为安全、可靠、可广泛获取的热能和基荷电能的主流供应商的关键因素。由于地热钻井成本约占项目开发的50%,该行业正在寻找更经济的方法，利用从石油和天然气行业转移的最新技术、知识和技能来获得热源。
 
NOV在应用成熟的石油和天然气钻井技术以帮助推进和扩大EGS和AGS方面发挥着关键作用。它正在开发延长井底钻具组合(BHA)部件和敏感电子设备寿命的技术，方法是将钻井液保持在较低的循环温度下，提高在热硬岩石中的机械钻速(ROP ),同时延长钻头切削结构的耐久性，以最大限度地减少钻头起下钻和维护。
 
绝缘钻杆涂层
 
许多BHA组件和电子传感器的设计不能承受极端的井下温度以及地热和定向钻井应用的恶劣环境。NOV的Tuboscope业务部门基于该公司最初为石油和天然气行业开发的技术，为地热钻井创造了一种新颖的温度控制解决方案。TK-340TC是一种绝缘钻杆涂层，可保持钻井液温度较低，以保护钻具免受高温相关故障的影响。
 
该涂层保留了在腐蚀性油气环境中延长管材寿命的相同特性，即可靠的防腐蚀、防磨损和防沉积保护，同时提高液压效率以降低泵送马力。它还包括最大限度降低热传导、降低通过钻柱的热传递率、保持钻井液温度较低以及在钻杆到达地面的过程中保持更多热量的技术。
 
在新墨西哥州的一口试验井中，一位地热作业者向温度高达250°C(482°F)的储层中钻了18，000英尺(5，486米)。使用隔热涂层钻杆时，钻井液温度从未超过95°C(203°F)，远低于作业者为防止BHA损害而设定的120°C(248°F)的目标温度。
 
此外，NOV的Tundra Max闭环泥浆冷却器增强了温度控制，进一步延长了井下工具寿命，同时最大限度地降低了HSE风险。该全自动系统采用双板组件热交换器、鼓风和冷却器技术，在单程中连续冷却钻井液。此外，该系统不需要恒定的水源，提高了地热钻井作业的效率、可靠性和环境可持续性。
 
保护井下设备
 
地热应用容易产生井下振动和钻井功能障碍，这可能对定向和测量工具有害。NOV在R&D以及耐用可靠的井下工具的工程开发方面投入巨资，以延长钻井间隔。
 
具有增强定子材料的井下马达通过产生高扭矩输出和可靠性为BHA提供了鲁棒性。Vector系列井下马达提供高钻压(WOB)能力、高离底和在底能力、短钻头弯曲以实现更好的方向控制，以及高扭矩/高温功率段。
 
钻井马达包括下一代万向节设计，具有坚固的泥浆润滑轴承组，结合NOV专利的驱动轴设计。这种传动轴设计有助于通过枢轴点处的平面从动力部分无缝传递扭矩，从而实现最大的可靠性和高扭矩处理能力。
 
传动系统包括由泥浆润滑轴承组支撑的高强度轴承心轴。轴承组具有定制的空间，允许推力组上的精确预载，最大化轴承组件处理轴向载荷的能力。还有一个选项添加近钻头稳定，这提高了建设率，稳定性和可操控性。
 
此外，该电机与新型钻井搅拌器系统和扭转振动缓解工具相结合，通过减少与振动相关的工具故障和延长钻井间隔，提高了BHA的效率。 对于一个或多个分支井连接两个垂直井的闭环地热系统，NOV的AgitatorZP系统可以减少摩擦，并将更多重量转移到钻头上，从而提高机械钻速和钻井效率。该工具在井下产生破坏摩擦的轴向力，而不需要对钻井系统产生压力脉冲或额外的压降。由于整个系统的压力降为零，泥浆泵的运行效率更高，从而减少了燃料消耗和二氧化碳排放。
 
它的设计使操作者能够最大限度地提高侧向井段最深处的作业流量，同时获得工具的最大输出。保持最大流量可显著改善长侧向井段的作业，因为这样可以最大化马达压差，从而保持较高的机械钻速。
 
同时，PosiTrack扭转振动缓解工具旨在管理WOB的同时，吸收和缓解工具上方和下方的扭转振动。该工具使用获得专利的压力补偿伸缩机构，吸收粘滑、高频扭转振动、钻头过度啮合和不一致的重量转移引起的扭转振动和震动。额定温度为230°C(450°F ),扭转振动缓解工具保护旋转导向系统和随钻测量工具免受振动和潜在故障的影响。
 
优化的钻头
 
坚硬和磨蚀性地层是地热井中常见的火成岩和火山岩的特征。当在这些地层中钻井时，高WOB需求产生摩擦能量，这可能导致切削元件损坏并抑制钻头性能。NOV的ReedHycalog业务部门开发了Phoenix系列高性能PDC钻头，配有ION+刀具，可承受恶劣的高温环境，在抗压强度更高的坚硬岩石中钻得更快、更远。
  
图1  Phoenix PDC钻头具有热稳定的离子切削齿，可在高温坚硬的岩石中钻得更快、更远。
 
Phoenix钻头通过增强的切削深度控制降低了扭转振动的风险，从而提高了井位精度，同时减少了设备的磨损，并最大限度地降低了工具故障和不稳定性的风险。ION+ PDC刀具技术包括特定用途的刀具等级，这些刀具等级结合了精炼的金刚石进给、非平面界面和更厚的金刚石台，具有增强的热稳定性，从而提高了耐用性和耐磨性。
 
个案研究
 
ReedHycalog在犹他州美国能源部(DOE)地热能源研究(FORGE)项目前沿观测站测试了钻头选择过程。与能源部就地热钻井环境的性质和预期挑战进行的初步讨论产生了油井的最佳钻头设计。
 
先前油井的先进刀具测试和故障分析有助于确定最适合特定岩石成分和所用驱动类型的形状、金刚石等级、钻头体和倒角类型。由此产生的系统性改进有助于减轻类似的钻头失效风险，从而以更高的ROPs更可靠地钻探更长的井段。
 
基于前期的钻头分析和设计工作，ReedHycalog建造了一个9.5英寸的钻头。菲尼克斯TKC83钻头，用于锻井测试。这口试验井反映了之前钻探的一口井，真实垂直深度偏移为300英尺(91米)，曲线为5 /100英尺(30米)，到达目标层的切线角为65°，井底温度范围为220°C至230°C(428°F至446°F)。
 
钻井遵循德克萨斯A&M大学研究人员开发的限制器重新设计工作流程，以确定和解决限制建井过程效率的因素。在此工作流程中，ReedHycalog通过分析数字数据保持参与状态，并通过日常钝化和重新设计钻头来重新分配刀具磨损，提高侵略性，并对刀具等级和形状进行迭代更改。
 
这种优化的设计工作流程提高了钻头寿命和机械钻速，同时减少了钻井时间和成本。之前的油井记录的钻头总井底时间为312.3小时，而增强型Phoenix钻头将井底时间减少了63%，仅为115.6小时。此外，新钻头钻穿500英尺(152米)的花岗岩，平均钻速为109英尺/小时(33米/小时)，无需更换或维修。
 
通过将资源引入研究和开发可以在炎热、坚硬的岩石环境中运行的专用解决方案，NOV旨在提高效率、降低成本，并实现更复杂的非常规地热资源的获取，其中精确钻井至关重要。专注于推动地热钻井技术极限的投资和工程努力水平凸显了创新在推进和释放这一重要可再生能源领域的真正潜力方面发挥的关键作用。