周頡/譯
工具中的新型馬達和管道涂層旨在在炎熱堅硬的巖石中鉆井，而優(yōu)化的鉆頭延長了鍛造井的使用壽命
地熱能不僅是地球上最大的潛在可再生能源，也是使用最少的。然而，隨著石油和天然氣行業(yè)加強脫碳工作，地熱市場正在崛起，各公司越來越多地將地熱能視為其減排戰(zhàn)略的重要組成部分。雷斯塔能源公司預計，到2030年，地熱發(fā)電的裝機容量將幾乎翻一番，達到近320億瓦。
傳統(tǒng)的地熱生產(chǎn)技術，如熱液技術，在地理上局限于具有天然地下儲層的區(qū)域。這些水庫的溫度很低，通常為200攝氏度(392華氏度)，限制了它們的發(fā)電潛力。
非常規(guī)地熱資源是通過增強型地熱系統(tǒng)(EGS)和高級地熱系統(tǒng)(AGS)生產(chǎn)的，前者依靠對流，后者是依靠傳導的閉環(huán)系統(tǒng)。這些工程儲層鉆入溫度超過300°C(572°F)的磨蝕性花崗巖地層。
技術進步是將地熱能從一個小眾角色轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩⒖煽?、可廣泛獲取的熱能和基荷電能的主流供應商的關鍵因素。由于地熱鉆井成本約占項目開發(fā)的50%,該行業(yè)正在尋找更經(jīng)濟的方法，利用從石油和天然氣行業(yè)轉(zhuǎn)移的最新技術、知識和技能來獲得熱源。
NOV在應用成熟的石油和天然氣鉆井技術以幫助推進和擴大EGS和AGS方面發(fā)揮著關鍵作用。它正在開發(fā)延長井底鉆具組合(BHA)部件和敏感電子設備壽命的技術，方法是將鉆井液保持在較低的循環(huán)溫度下，提高在熱硬巖石中的機械鉆速(ROP ),同時延長鉆頭切削結(jié)構(gòu)的耐久性，以最大限度地減少鉆頭起下鉆和維護。
絕緣鉆桿涂層
許多BHA組件和電子傳感器的設計不能承受極端的井下溫度以及地熱和定向鉆井應用的惡劣環(huán)境。NOV的Tuboscope業(yè)務部門基于該公司最初為石油和天然氣行業(yè)開發(fā)的技術，為地熱鉆井創(chuàng)造了一種新穎的溫度控制解決方案。TK-340TC是一種絕緣鉆桿涂層，可保持鉆井液溫度較低，以保護鉆具免受高溫相關故障的影響。
該涂層保留了在腐蝕性油氣環(huán)境中延長管材壽命的相同特性，即可靠的防腐蝕、防磨損和防沉積保護，同時提高液壓效率以降低泵送馬力。它還包括最大限度降低熱傳導、降低通過鉆柱的熱傳遞率、保持鉆井液溫度較低以及在鉆桿到達地面的過程中保持更多熱量的技術。
在新墨西哥州的一口試驗井中，一位地熱作業(yè)者向溫度高達250°C(482°F)的儲層中鉆了18，000英尺(5，486米)。使用隔熱涂層鉆桿時，鉆井液溫度從未超過95°C(203°F)，遠低于作業(yè)者為防止BHA損害而設定的120°C(248°F)的目標溫度。
此外，NOV的Tundra Max閉環(huán)泥漿冷卻器增強了溫度控制，進一步延長了井下工具壽命，同時最大限度地降低了HSE風險。該全自動系統(tǒng)采用雙板組件熱交換器、鼓風和冷卻器技術，在單程中連續(xù)冷卻鉆井液。此外，該系統(tǒng)不需要恒定的水源，提高了地熱鉆井作業(yè)的效率、可靠性和環(huán)境可持續(xù)性。
保護井下設備
地熱應用容易產(chǎn)生井下振動和鉆井功能障礙，這可能對定向和測量工具有害。NOV在R&D以及耐用可靠的井下工具的工程開發(fā)方面投入巨資，以延長鉆井間隔。
具有增強定子材料的井下馬達通過產(chǎn)生高扭矩輸出和可靠性為BHA提供了魯棒性。Vector系列井下馬達提供高鉆壓(WOB)能力、高離底和在底能力、短鉆頭彎曲以實現(xiàn)更好的方向控制，以及高扭矩/高溫功率段。
鉆井馬達包括下一代萬向節(jié)設計，具有堅固的泥漿潤滑軸承組，結(jié)合NOV專利的驅(qū)動軸設計。這種傳動軸設計有助于通過樞軸點處的平面從動力部分無縫傳遞扭矩，從而實現(xiàn)最大的可靠性和高扭矩處理能力。
傳動系統(tǒng)包括由泥漿潤滑軸承組支撐的高強度軸承心軸。軸承組具有定制的空間，允許推力組上的精確預載，最大化軸承組件處理軸向載荷的能力。還有一個選項添加近鉆頭穩(wěn)定，這提高了建設率，穩(wěn)定性和可操控性。
此外，該電機與新型鉆井攪拌器系統(tǒng)和扭轉(zhuǎn)振動緩解工具相結(jié)合，通過減少與振動相關的工具故障和延長鉆井間隔，提高了BHA的效率。 對于一個或多個分支井連接兩個垂直井的閉環(huán)地熱系統(tǒng)，NOV的AgitatorZP系統(tǒng)可以減少摩擦，并將更多重量轉(zhuǎn)移到鉆頭上，從而提高機械鉆速和鉆井效率。該工具在井下產(chǎn)生破壞摩擦的軸向力，而不需要對鉆井系統(tǒng)產(chǎn)生壓力脈沖或額外的壓降。由于整個系統(tǒng)的壓力降為零，泥漿泵的運行效率更高，從而減少了燃料消耗和二氧化碳排放。
它的設計使操作者能夠最大限度地提高側(cè)向井段最深處的作業(yè)流量，同時獲得工具的最大輸出。保持最大流量可顯著改善長側(cè)向井段的作業(yè)，因為這樣可以最大化馬達壓差，從而保持較高的機械鉆速。
同時，PosiTrack扭轉(zhuǎn)振動緩解工具旨在管理WOB的同時，吸收和緩解工具上方和下方的扭轉(zhuǎn)振動。該工具使用獲得專利的壓力補償伸縮機構(gòu)，吸收粘滑、高頻扭轉(zhuǎn)振動、鉆頭過度嚙合和不一致的重量轉(zhuǎn)移引起的扭轉(zhuǎn)振動和震動。額定溫度為230°C(450°F ),扭轉(zhuǎn)振動緩解工具保護旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)和隨鉆測量工具免受振動和潛在故障的影響。
優(yōu)化的鉆頭
堅硬和磨蝕性地層是地熱井中常見的火成巖和火山巖的特征。當在這些地層中鉆井時，高WOB需求產(chǎn)生摩擦能量，這可能導致切削元件損壞并抑制鉆頭性能。NOV的ReedHycalog業(yè)務部門開發(fā)了Phoenix系列高性能PDC鉆頭，配有ION+刀具，可承受惡劣的高溫環(huán)境，在抗壓強度更高的堅硬巖石中鉆得更快、更遠。
圖1 Phoenix PDC鉆頭具有熱穩(wěn)定的離子切削齒，可在高溫堅硬的巖石中鉆得更快、更遠。
Phoenix鉆頭通過增強的切削深度控制降低了扭轉(zhuǎn)振動的風險，從而提高了井位精度，同時減少了設備的磨損，并最大限度地降低了工具故障和不穩(wěn)定性的風險。ION+ PDC刀具技術包括特定用途的刀具等級，這些刀具等級結(jié)合了精煉的金剛石進給、非平面界面和更厚的金剛石臺，具有增強的熱穩(wěn)定性，從而提高了耐用性和耐磨性。
個案研究
ReedHycalog在猶他州美國能源部(DOE)地熱能源研究(FORGE)項目前沿觀測站測試了鉆頭選擇過程。與能源部就地熱鉆井環(huán)境的性質(zhì)和預期挑戰(zhàn)進行的初步討論產(chǎn)生了油井的最佳鉆頭設計。
先前油井的先進刀具測試和故障分析有助于確定最適合特定巖石成分和所用驅(qū)動類型的形狀、金剛石等級、鉆頭體和倒角類型。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)性改進有助于減輕類似的鉆頭失效風險，從而以更高的ROPs更可靠地鉆探更長的井段。
基于前期的鉆頭分析和設計工作，ReedHycalog建造了一個9.5英寸的鉆頭。菲尼克斯TKC83鉆頭，用于鍛井測試。這口試驗井反映了之前鉆探的一口井，真實垂直深度偏移為300英尺(91米)，曲線為5 /100英尺(30米)，到達目標層的切線角為65°，井底溫度范圍為220°C至230°C(428°F至446°F)。
鉆井遵循德克薩斯A&M大學研究人員開發(fā)的限制器重新設計工作流程，以確定和解決限制建井過程效率的因素。在此工作流程中，ReedHycalog通過分析數(shù)字數(shù)據(jù)保持參與狀態(tài)，并通過日常鈍化和重新設計鉆頭來重新分配刀具磨損，提高侵略性，并對刀具等級和形狀進行迭代更改。
這種優(yōu)化的設計工作流程提高了鉆頭壽命和機械鉆速，同時減少了鉆井時間和成本。之前的油井記錄的鉆頭總井底時間為312.3小時，而增強型Phoenix鉆頭將井底時間減少了63%，僅為115.6小時。此外，新鉆頭鉆穿500英尺(152米)的花崗巖，平均鉆速為109英尺/小時(33米/小時)，無需更換或維修。
通過將資源引入研究和開發(fā)可以在炎熱、堅硬的巖石環(huán)境中運行的專用解決方案，NOV旨在提高效率、降低成本，并實現(xiàn)更復雜的非常規(guī)地熱資源的獲取，其中精確鉆井至關重要。專注于推動地熱鉆井技術極限的投資和工程努力水平凸顯了創(chuàng)新在推進和釋放這一重要可再生能源領域的真正潛力方面發(fā)揮的關鍵作用。
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