隨著全球能源的不斷幵發(fā)和利用,非可再生資源日益枯竭,探索可再生清潔能源已成為當前人類面臨的重要挑戰(zhàn)[”,地熱資源因其蘊含豐富且無污染逐漸成為世界各國解決能源危機的關注點。與傳統(tǒng)的有機能源相比,地熱資源無污染,可反復利用,屬于可再生資源。人類利用地熱資源可以追溯到很久以前,比如利用溫泉取暖、沐浴、養(yǎng)殖等等^。到20世紀初地熱資源才開始進行大規(guī)模的開發(fā)利用。目前全世界開發(fā)地熱資源的國家已經(jīng)有120多個,其中較為典型的國家有美國、冰島、日本、菲律賓、新西蘭等['],每年地熱資源年利用率達到3.65X106噸石油當量,并且每年以12%的速度遞增。專家預計到2100年,地熱資源利用率能達到全球能源總量的30%?80%。目前,歐美等國家已將地熱資源列為優(yōu)先開發(fā)的替代性能源。

 

  熱地資源的利用主要可以分為兩大類:直接利用和發(fā)電,而對于不同溫度的地熱介質(zhì)可利用的范圍也有所不同,按照儲熱體的屬性,可分為水熱型和干熱型,按照地熱井中介質(zhì)的溫度可分為三類:低溫地熱、中溫地熱、高溫地熱高于25°C、低于90°C,以溫水、溫熱水、熱水等形式存在的,屬于低溫地熱;9(rc?15(rC,以水和蒸汽的混合‘物等形式存在的,屬于中溫地熱;高于I5(rc,以蒸汽形式存在的,屬于高溫地熱。按照溫度不同利用的范圍包括以>下幾類-1)200?400°C直接發(fā)電及綜合利用;2)150?20{rc雙循環(huán)發(fā)電,制冷,工業(yè)干燥,工業(yè)熱加工;3)100?15(rc雙循環(huán)發(fā)電,供暖,制冷,工業(yè)干燥,脫水加工,回收鹽類等;4)50~10(rc供暖,溫室,家庭用熱水,工業(yè)干燥;5)20~5(rc沐浴,水產(chǎn)養(yǎng)殖,飼養(yǎng)牲畜,土壤加溫,脫水加工。

 

  目前可直接利用的地熱已廣泛應用于洗浴、采暖、灌溉、養(yǎng)殖、畜禽伺養(yǎng),節(jié)約能源的同時帶來了良好的經(jīng)濟效益。地熱能發(fā)電具有高效、穩(wěn)定、連續(xù)的優(yōu)點,相對其他能源來說,其利用率相對較高。

 

  但是同時高溫地熱的鉆采工藝較為落后,高溫地熱的利用和開釆程度比較低,我國可開采地熱點就有5500多個,地熱田45個,但在全球范圍內(nèi)利用率僅排名15位,整體利用水平較低。我國地熱資源幵發(fā)還處于起步探索階段,還不能形成供暖、發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。針對國內(nèi)對地熱資源利用率低下的情況,大力研發(fā)新技術以滿足在高溫地熱環(huán)境下的鉆井要求已成為高溫地熱井鉆探的關鍵。

 

  2006年中石油長城鉆探公司在肯尼亞獲得總額超過2300萬美元的地熱發(fā)電鉆探項目,預計能為肯尼亞增加70兆瓦發(fā)電量。在隨后的兩年內(nèi)該公司又與肯方簽訂了 25 口地熱鉆探項目,這是中國公司在國外舉接最大的地熱幵發(fā)項目,是提升我國地熱鉆井技1高溫地熱井牙輪鉆頭掉齒機理研究術很好的機會。肯尼亞位于非洲東部,境內(nèi)地區(qū)蘊含大量高溫地熱資源,其中OLKARIA地區(qū)是肯尼亞地熱面積最大的區(qū)塊,面積達80km2。此地區(qū)地質(zhì)多為火成巖,鉆井條件十分復雜,打井過程中隨時可能發(fā)生溫度高達200至35(rC的地熱井噴、氯化氧有毒氣體泄漏等,也很容易發(fā)生卡鉆現(xiàn)象,同時作業(yè)區(qū)位于環(huán)境敏感區(qū),土層單薄、植被脆弱,極易發(fā)生泥石流和滑坡,當?shù)丨h(huán)保要求高。肯尼亞地熱鉆井面臨技術和環(huán)保的雙重挑戰(zhàn)。

 

  在鉆井過程中由于地質(zhì)條件惡劣,井底漏失嚴重,井底溫度經(jīng)常能夠超過30(rc,鉆具磨損嚴重特別是在井底擔任超重負荷的鉆頭失效非常快。由于地層較硬,且不均質(zhì)地層較多,對鉆頭的牙齒會造成沖擊,而用燒結方法制成的PDC齒不耐沖擊,所以在均質(zhì)地層中表現(xiàn)優(yōu)良的PDC鉆頭并沒有被廣泛的用于高溫地熱鉆井中。目前高溫地熱井通常使用碳化媽鑲齒三牙輪鉆頭m,但地熱井的獨特鉆進環(huán)境使得傳統(tǒng)三牙輪鉆頭在井底掉齒現(xiàn)象非常普遍,如圖1-1、圖]-2,嚴重影響了鉆井速度,縮短了鉆頭的使用壽命,導致起下鉆次數(shù)增加。目前國際能源開釆正向著深井及超深井方發(fā)展,隨著地層深度增高,地層溫度也會顯著升高^,為了適應鉆采對深度的要求,為了滿足高溫地熱井中的需要,就需要對傳統(tǒng)的牙輪鉆頭提出新的要求,特別是針對牙輪鉆頭在高溫地熱井中掉齒的現(xiàn)象,分析其掉齒機理,提出有效的解決方案己成為當務之急。