美國有將近2/3的石油資源來自PDC鉆頭鉆探的油井，這種金剛石聚晶復合片鉆頭發(fā)明于30多年前，用來降低地熱鉆井的成本。近日，Sandia結(jié)合油氣勘探行業(yè)近年來的最新技術發(fā)展來展示地熱鉆頭是如何利用PDC技術工作的。

        作為美國巧克力山地熱資源評估的項目之一，Sandia和美國海軍地熱項目辦公室（USN GPO）主持了一期示范試驗。         Sandia在地熱研究和鉆頭技術發(fā)展方面有著三十多年的工作經(jīng)驗，他曾經(jīng)領導主持了地熱勘探用PDC鉆頭的研發(fā)。該項研發(fā)工作主要包括鉆頭材料、實驗設計、數(shù)據(jù)搜集等；為后來的鉆頭行業(yè)發(fā)展打下了基礎。近日，Sandia獲得美國恢復和再投資法案基金贊助，用來研究如何進一步改善PDC鉆頭，使之高效地在堅硬基底巖石層中勘探更深、更熱的地熱資源。

        研究者David Raymond說，由于油氣勘探開發(fā)的難度比地熱鉆探難度小，PDC鉆頭起初都是用來鉆探石油和天然氣。油氣資源的鉆探地質(zhì)環(huán)境通常是一些質(zhì)地疏松，結(jié)構(gòu)較為完整的巖層，這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)一般不需要液體循環(huán)技術來清除巖石碎屑，也不必過多考慮鉆頭冷卻降溫的問題。

        但隨著油氣資源更深層的鉆探開發(fā)，鉆探就不可避免地遇到了跟地熱鉆探過程中類似的一些問題：鉆探地層越深，巖石越堅硬，巖石碎屑也就越多，而地下溫度也越來越高。

        Raymond解釋，地熱資源所在地層往往由火成巖、變質(zhì)巖構(gòu)成，這種巖石遠比油氣資源地層的沉積巖堅硬許多。而且，火成巖和變質(zhì)巖富含石英，像石英這樣的磨料又往往對鉆頭的磨耗和鉆頭工作時的振抖產(chǎn)生很大影響。這些以破碎形態(tài)存在的巖石，會改變鉆頭的沖擊載荷并對鉆頭產(chǎn)生很大的損壞。

        現(xiàn)階段，地熱鉆探就成本而言仍然是一項亟待改善的技術攻關難題，Raymond補充道，鉆頭必須鉆破堅硬的巖石，還要承受高溫高壓。美國能源部的未來規(guī)劃就是通過鉆頭技術的改善，力爭達到30000英尺的鉆深深度，以獲取更多的地熱資源。

        在經(jīng)濟風險方面，地熱鉆探的前景也不容樂觀。美國每年都有數(shù)量眾多的油氣井田被開發(fā)，豐富的井田開發(fā)資源能夠為油氣鉆探用鉆頭的研發(fā)和改善提供很大的發(fā)展空間。而地熱鉆探行業(yè)的發(fā)展卻一直步履維艱，每年開發(fā)的地熱井田寥寥無幾，配套設施和相應鉆頭的研發(fā)成本高，技術難度大；每開發(fā)一個地熱井田就意味著一次很可能收不回成本的風險。

        Sandia的項目在比利瑪沁營礦區(qū)進行，該礦區(qū)的巖石構(gòu)成為花崗巖和安山巖，都是地熱鉆探中常遇到的巖層類型。該項目的一個關鍵要素就是在一個真實的鉆探工作環(huán)境中測試評估PDC鉆頭和相應技術。         參與項目合作的有美國PDC鉆頭生產(chǎn)商NOV，NOV提供現(xiàn)場專家為鉆井承包商提供技術支持和解決辦法。此外，鉆井承包商Barbour公司也參與了項目。

        實地試驗中，兩個PDC鉆頭在一個3000英尺深的井田中鉆探了1291英尺，每小時鉆深30英尺，鉆深速度是對照組中牙輪鉆頭速度的三倍；兩個鉆頭僅四天時間就被磨耗壞了。

        在未來的二期研究項目中，Sandia將繼續(xù)和NOV合作，研究鉆頭的工作性能并進一步改善鉆頭的設計和構(gòu)成材料。該項目得到了美國恢復和再投資法案的支持贊助，由能源部EGS鉆探系統(tǒng)技術發(fā)展和實地實驗項目組領導監(jiān)管。（編譯自"Polycrystalline diamond drill bits open up options for geothermal energy"；翻譯：王現(xiàn)）