地熱資源按照介質的溫度不同可分為高溫(>150 ℃)、中溫(90 ～ 150 ℃)和低溫(<90 ℃)。

 

  對于不同地熱溫度井的開采, 選用的鉆井流體各不相同。對于低溫和中溫地熱井, 通常采用常規鉆井液;對于高溫地熱資源, 特別是超高溫地熱資源的開采, 常選用穩定泡沫鉆井流體。這是因為, 構成高溫地熱(蒸氣型)地層的主要是裂隙發育的變質巖和火山巖, 地層壓力低, 漏失嚴重, 而穩定泡沫流體能較好地起到防漏堵漏作用和在低壓狀態下建立欠平衡條件, 提高鉆井速度、降低鉆井成本。解決它的關鍵問題是鉆井流體的抗溫能力。

 

  1  鉆井流體的技術要點

 

  地熱井的地溫變化極其異常, 有的井深只有幾百米, 地層溫度可達150 ℃以上;有的井深在1 000m 左右, 地溫可達250 ℃以上, 有的井底溫度甚至達到350 ℃。因而對形成泡沫流體的發泡劑而言,最關鍵的技術是它的抗溫能力。超高溫對發泡劑的影響主要是高溫降解作用, 在高溫下, 發泡劑的一些基團會發生變異, 而失去它的起泡作用, 從而在鉆井過程中導致一系列井下事故或復雜情況的發生。

 

  表面活性劑能降低表面張力, 促進泡沫形成, 但是泡沫的穩定性取決于氣泡間液膜的黏彈性和機械強度, 而液膜的黏彈性和機械強度主要取決于由表面活性劑產生的吸附膜的柔韌能力和抗沖擊能力。

 

  在超高溫地熱井施工中, 要求形成氣泡間的液膜具有抗超高溫(抗蒸發)、抗壓和抗剪切的能力。

 

  2  泡沫鉆井流體研究

 

  發泡劑主鏈以—C —C — 、—C —S — 、—C —N —鍵或含有苯核為最佳, 這些化學鍵在高溫條件下不易斷裂, 穩定性好;其次是分子鏈的柔順性影響著抗溫性, 柔順性好的分子鏈抗溫性差, 側鏈帶有磺酸基等大基團的分子鏈, 剛性較強, 抗溫性也較強。這種發泡劑較常用鉆井液發泡劑價格昂貴。由于泡沫鉆井用鉆井流體是一次性使用, 提高了鉆井成本, 因而在現有鉆井用發泡劑的基礎上, 通過加入抗高溫保護劑, 提高泡沫流體抗溫能力是一種切實可行的方法。

 

  作為目前鉆井用發泡劑, 大多為陰離子型表面活性劑, 屬親水型, 形成溶液的表面張力大, 化學活性高, 表現為泡沫體積大, 氣泡孔徑大, 泡沫結構疏松, 因而液膜的抗溫性也較差。要在原泡沫流體的基礎上提高其抗溫性, 可在其中加入溶解度小、分子量小的物質, 使溶液的表面活性增大, 泡沫穩定性提高, 泡沫直徑減小, 排液速度慢, 強度提高, 壽命延長;同時加入這種物質對形成的液膜具有良好的抗高溫作用, 隨著溫度升高, 在損耗一部分的情況下仍能保持表面活性劑在水溶液中的活性和形成泡沫后的良好發泡作用和穩定性, 該物質為抗高溫保護劑。

 

  3  室內實驗

 

  3 .1  抗溫性實驗

 

  3.1.1 實驗材料與方法

 

  實驗材料:地熱井現場使用的普通發泡劑, 抗高溫保護劑H T-1(自制)。

 

  測定方法:將一定量的發泡劑加入到含有抗高溫保護劑H T-1 的溶液或清水中, 在指定的溫度下熱滾16 h , 冷卻后取100 mL 置于鉆井液用高速攪拌器中, 在(11 000 ± 300)r/min 下攪拌1 min , 立即取下攪拌杯, 同時開始記錄消泡時間;將攪拌杯中的所有物質全部倒入1 000 mL 量筒中, 讀取發泡體積, 這步操作應在10 s 內完成;讀取從泡沫中析出液體達到50 mL 時的時間, 即為半衰期。

 

  3.1.2 實驗結果與討論

 

  加入抗高溫保護劑H T-1 前后泡沫抗溫性的對比結果見圖1 。從圖1 可以看出, 加入1 %HT-1 后,在溫度低于150 ℃時, 發泡體積與沒有加入HT-1時變化不大, 但半衰期(即泡沫穩定性)有較大增加;溫度超過150 ℃后, 沒有加入H T-1 的泡沫發泡體積和半衰期明顯下降, 到200 ℃時發泡劑已完全損壞, 不能起泡;加入1 %HT-1 的泡沫發泡體積在溫度達到240 ℃時與溫度低于150 ℃時都基本一致,而半衰期在溫度超過150 ℃后開始顯著下降, 但是仍能使泡沫流體具有良好的泡沫性能, 保證鉆井施工的完成。

 

  3 .2  抗污染實驗

 

  在非油氣層, 鉆井流體的主要污染因素是Cl - 、Ca2 + , 特別是Cl-和Ca2 +共同存在時對鉆井流體的污染更大。不同溫度下泡沫流體同時抗Cl - 、Ca2 +污染的能力對比見圖2 。從圖2 可以看出, 加入HT-1 有助于發泡劑抗污染能力的提高。

 

  3 .3  表面張力實驗

 

  將一定量的發泡劑加入到清水或抗高溫保護劑溶液中, 在指定的溫度下熱滾16 h , 冷卻, 用Sigma701 型自動表面張力測定儀測定其表面張力, 結果見圖3 。從圖3 可以看出, 當沒有加H T-1 時, 隨著溫度的升高, 表面張力有增大的趨勢, 發泡劑隨著溫度的升高在逐漸降解, 當溫度超過它的臨界值后, 表面張力有一個較大的下降, 這是由高分子量的物質降解成低分子量的物質導致的;加入HT-1 后, 在高溫條件下通過損失HT-1 使溶液保持良好的表面活性, 溶液的表面張力逐漸下降。從而證明, HT-1 是一種良好的抗高溫保護劑。

 

  4  結論

 

  1.抗高溫保護劑H T-1 對于泡沫流體具有良好的抗高溫保護作用, 在形成泡沫的基液中加入H T-1 , 能在一定程度上提高發泡劑的抗溫能力, 能將發泡劑的抗溫極限從180 ℃提高到240 ℃。

 

  2.HT-1 對Ca2 + 、Cl-的污染不敏感, 不會影響原有發泡劑的抗污染能力;適用范圍廣, 在增加較少成本的條件下, 就可提高泡沫流體的抗溫性, 對現場工藝無特殊要求, 且維護方便。