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地热系统正成为一种日益重要的清洁能源，尤其是可作为基础能源。但深达数千米的地热井存在风险，有时也会出问题。Fraunhofer协会的科学家们现已开发出一种创新工具，可在主井筒之外钻出更多分支井筒。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
编译 | 流沙
地热能是一种取之不尽、用之不竭的能源。在厚度约30公里的地壳深处，可以发现储层、裂缝与裂隙中的热水。位于5000米深处的水已有200℃的温度。在地热应用中，热水被生产井抽上来，将其用于驱动蒸汽涡轮机发电，或通过热泵系统为建筑物供暖。冷却后的水通过注入井回注地下，在热岩中再次被加热，这是一个完整循环。这种可再生能源在应对气候变化方面能够发挥重要作用。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
这些深达数千米的井同时也带来了巨大的成本与风险，勘探风险高达30%。这正是Fraunhofer能源基础设施与地热系统研究机构IEG的专家们想要改变的事情。他们的想法是使用一个微型钻头在井筒周围50米的范围内钻井，并通过液压将周围充满水的裂缝与井眼相连。这为热水流入生产井开辟了通道，从那里可以将水抽上来。
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二次钻井探索周边区域
Niklas Geißler开发出微型涡轮钻井 (MTD) 技术，他在位于Bochum的Fraunhofer IEG研究机构与位于瑞典的Fraunhofer-Chalmers工业数学研究中心（FCC）开展了相关研究。Geißler解释道：“钻入地壳数千米的井需要花费数百万欧元，使用MTD技术可在主井筒上钻出更多分支井，增加了热水的开采面积，显著降低了勘探风险。”
1 技术原理
MTD的关键是一个紧凑的微型钻井涡轮，配备一只特殊钻头。它非常小，直径只有3.6厘米，长度只有10厘米。该微型涡轮与高压软管相连，通过高压软管，在大约100bar的进口压力下，泵速高达200L/min的水为其提供动力，从而使钻头旋转。钻头由含有金刚石颗粒的碳化钨基体组成，并以每分钟80000转的转速研磨岩石。因此，它特别适用于坚硬的结晶岩石，如花岗岩。此外，它还可以钻穿钢材。这一点很重要，因为井筒中通常下入钢制套管，以获得更好的井壁稳定性。在不更换钻具的情况下，MTD可以先钻穿钢制套管，然后再钻进岩石。Geißler说：我们可在一小时内钻进2至3米。驱动微型涡轮的水既可以冷却钻头，也能够冲洗井筒以清除岩屑。”过去也有使用加压水的类似技术，比如径向喷射钻井。然而，到目前为止，使用这些技术只能用于钻进软质岩石。特别是对于地热能而言，需要一种方法来钻穿经常发现地热储层的坚硬岩石。
图1 该微型钻井涡轮配有金刚石钻头，长度仅为10厘米，直径仅为3.6厘米。钻井时，它的转速可高达每分钟8万转。
如何利用该微型钻井涡轮从主井筒中以相对较大的作业角度侧钻进周围岩石是钻井过程中的挑战之一，这就是为何IEG研究人员开发出一套特殊的偏转装置。使用这种“斜向器”，可将该紧凑工具以大约45°的角度侧钻出主井筒。因此，该钻井工具能够在主井筒周围钻遇新的裂缝与裂隙。利用液压，也就是将水抽出来时，热水可从裂缝中流出，然后流入主井筒。
图2 简单且可靠：钢制斜向器能够以45度的角度向外引导钻具
Geißler热情地说道：“过去几个月里，我们在位于瑞士哥达隧道附近的Bedretto地下实验室（BUL）成功演示了这项技术，该过程已经非常稳定可靠。”石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
该微型钻井涡轮的叶片，在旋转时会发出特有的脉冲类型，其声音可作为声学参考来进行分析。通过分析音频记录，可以确定出钻头是否以正确的速度旋转，是否卡钻，甚至能判断钻头是否正在干转。该声音可作为结构声传递至钢管，然后在地面进行记录。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
2 技术前景
MTD技术不仅适用于地热应用，也可用于所有深层钻进作业。因为在这种情况下，探查井筒周围可能存在的非均质岩石是非常重要的，例如油气行业。在地质工艺或隧道建设领域，这种微型钻井技术也可用于在难以触及的区域钻出锚孔，因为那里的可用空间不允许使用常规设备。”
然而，该技术的主要应用还是提取地热能。该技术已于2020年提交了专利申请。专家们估计欧洲地热发电厂的数量将在未来5至8年内翻一番。Fraunhofer IEG的微型钻井涡轮可以发挥重要作用，降低生产井的风险与成本，甚至还能提高作业效率。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
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