地热钻头行为概要可能有助于缩短钻井时间

Josiah02

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桑迪亚国家实验室的研究人员最近对地热能研究前沿观测站的钻探记录进行了分析，旨在为根据位置和深度选择合适的地热井钻探钻头提供这种指导，以降低钻探成本。FORGE 是犹他州西南部的一个现场实验室，致力于测试地热技术以降低风险并加速商业可行性。
地热发电厂的优势在于，无论天气如何，它都能全天候提供清洁电力，从而平衡太阳能电池板和风力发电场等间歇性可再生能源。然而，寻找合适地点和钻井所需的高昂启动成本阻碍了商业发展。FORGE 项目与桑迪亚分析旨在提高钻头在地热场地恶劣条件下的性能，并降低钻井成本。
“在 FORGE 现场，许多井的深度约为 10,000 英尺，大部分都是用聚晶金刚石复合片钻头钻的，”桑迪亚机械工程师兼分析负责人戴维·雷蒙德 (David Raymond) 说。“这是金刚石钻头 40 年历史上在地热钻探中最大的应用之一。我们制作了一份关于所有使用过的钻头及其性能的汇总表。”
由雷蒙德领导的桑迪亚研究小组分析了 FORGE 现场最近钻探的钻井数据，查看了每个聚晶金刚石复合片钻头的响应数据和操作后照片。该分析结果最近与地热界分享。事实证明，聚晶金刚石复合片钻头比滚轮钻头在石油和天然气钻探方面更具成本效益。本汇编可以帮助地热钻探实现同样的效果。
分析以获得更好的结果
在犹他州大学管理的 FORGE 现场，钻探了四口井，用于注入、生产和监测，主要使用聚晶金刚石复合片钻头。这些钻头以盘状切削器的形式利用实验室制造的金刚石的强度。许多切削器以特定的排列方式嵌入钻头中，以最好地切割岩石。这些钻头中的工业金刚石很小，在实验室中生长是为了强度而不是为了美观。
“有两件事让 FORGE 能够使用这些先进的金刚石钻头进行钻探，”道格·布兰肯希普 (Doug Blankenship) 说道，他是桑迪亚地热专家，担任美国能源部地热技术办公室的高级顾问。“一是钻头公司开发的先进技术，使钻头更有能力在炎热坚硬的岩石中钻探。二是德克萨斯州农工大学的弗雷德·杜普里斯特 (Fred Dupriest) 和萨姆·诺伊纳特 (Sam Noynaert) 为钻探项目带来的操作这些钻头的方法。”
雷蒙德和他的团队（包括机械工程师梅拉妮·施耐德）查看了 FORGE 现场的每日报告。他们收集了四个关键参数——钻机对钻头施加的力、操作员设置的转速、钻井速度以及达到该速度所需的功率——并将这些数字输入计算机模型。他们使用该算法模拟钻头与岩石之间的相互作用，并将其与单个标准化金刚石切割机的响应进行比较。
桑迪亚团队还研究了成本限制、钻井速度和钻井距离之间的平衡，以及这对每钻头每英尺钻井成本的影响。雷蒙德说，地热井钻井的主要成本之一是租用钻机的每日费用。但施耐德说，这并不意味着更快的钻井速度总是最具成本效益的解决方案。雷蒙德补充说，根据已经钻出的深度和将新钻头送入井底所需的时间，较慢、更稳定的方法可能更具成本效益。
“最大的成本在于当你钻到深井时，钻进和钻出井眼需要多长时间，”施耐德说。“从我们的报告中得出的一个关键结论是，钻头不一定需要钻得快或用力大，而是要尽量延长钻头的使用寿命，并最大限度地发挥每个钻头的功效。我们已经看到 FORGE 四口井的钻井性能有了很大的提高。”
金刚石钻头的历史
雷蒙德说， 20 世纪 80 年代初，在两次石油危机和人造金刚石制造业问世之后，桑迪亚国家实验室开始研究开发用于在地热系统炎热坚硬的岩石中钻探的金刚石钻头。
多晶金刚石复合片钻头由许多金刚石刀具组成，这些刀具以专有配置嵌入钻头中。每个刀具都是实验室制造的金刚石圆盘，有时厚度不到 1/16 英寸，与碳化钨螺柱粘合在一起。
布兰肯希普说，40 多年前，由大卫·格洛卡 (David Glowka) 领导的桑迪亚研究人员在实验室中测试了不同制造商的金刚石刀具，根据切削角度和其他参数测量了刮擦岩石所需的力。雷蒙德说，这些实验的数据被输入到计算机模型中，该模型可以模拟任何钻头设计上的力。布兰肯希普说，该代码已公开发布并提供给钻头公司，以指导其钻头上的刀具设计，这对促进该行业的发展起到了重要作用。
从那时起，钻石钻头就被石油和天然气行业广泛使用，因为它们比滚轮钻头更耐用、钻进速度更快。但他补充说，早期的钻石钻头在坚硬的岩石和地热区的高温下磨损得太快了。布兰肯希普说，在地热区钻探的另一个挑战是岩石通常含有裂缝，他将撞上这些裂缝比作骑自行车时撞上意想不到的坑洞：最好的情况是颠簸不会造成损坏。
雷蒙德表示，多年来，桑迪亚国家实验室一直在改进用于地热钻探的金刚石钻头，包括对硬岩中可能发生的特定振动进行计算建模，这些振动可能导致钻头弹跳和断裂。桑迪亚国家实验室还参与了诊断现场测试，以提高金刚石钻头在极硬岩石中的使用率。
雷蒙德希望，FORGE 现场钻头性能汇总能够帮助钻头制造商设计出性能更好的钻头，并帮助地热井钻井工人根据自己的条件选择最佳钻头。两者都将有助于降低稳定、清洁发电的地热发电厂的启动成本。
“经过漫长的路程，我们终于让聚晶金刚石复合片钻头成为地热钻探的可行解决方案，”雷蒙德说道。“如何将切削齿置于钻头上以平衡速度和使用寿命并不是直观上显而易见的，但这就是我们的分析所取得的成果。这里有大量关于这些人造金刚石钻头哪些方面有效、哪些方面无效的信息。”