综述：地热井控制方法、设备及建模技术综述

《Geoenergy Science and Engineering》：Geothermal Well Control Methods, Equipment, and Modeling Technologies: A Review

　　陈伟 | 萨伊德·贝赫什蒂安 | 瓦希德·多卡尼 | 史蒂夫·纳斯 | 沙赫里亚尔·马哈茂德 | 陈元航
路易斯安那州立大学克兰福特与霍金斯学院石油工程系，巴吞鲁日，LA 70803，美国

**摘要**
随着对地热能兴趣的持续增长，高温地层中的钻井作业变得越来越普遍。尽管如此，地热钻井过程中的井控专业技术（如蒸汽涌出管理及地下过程的先进建模）仍属于发展中的领域。与石油和天然气作业相比，地热井控面临独特的挑战，因为其工作环境苛刻，包括高温蒸汽和破裂、易磨损的地层。本文详细回顾了现有井控策略及相关设备，并概述了支持这些技术的建模方法。

无论是地热还是石油领域，钻井都是一项高风险活动，设备和人员可能因蒸汽涌出和井喷而面临风险。因此，钻井团队必须随时准备采取适当的井控措施。石油和天然气行业的这些流程已经高度规范化和成熟，但地热作业往往缺乏这种成熟度。虽然钻井的基本原理相似，但地热项目存在独特的问题，需要不同的控制方法，例如高地层温度、蒸汽驱动的流动特性以及不稳定的压力条件。因此，如果不针对地热环境进行适当调整，直接使用传统的石油和天然气井控技术可能无效。

本文总结了地热钻井环境的独特特点及相关风险，强调了定制化井控方法的重要性。它介绍了目前使用的地热井控技术，包括冷水注入关闭井、封盖和重新进入技术以及减压井。此外，还探讨了用于地热井控的最新建模技术，包括瞬态热传递、汽水两相流和相变行为的建模，这些对安全和高效的地热作业至关重要。通过研究现有的地热井控和建模技术文献，本文旨在整合该领域的知识，识别知识空白，并提出未来研究的潜在方向。这些发现有助于推动地热钻井井控实践的进步，最终提高地热作业的安全性和效率。

**引言**
地热能作为一种可行且环保的替代传统化石燃料的发电方式，越来越受到关注。它利用地球内部的热量发电，具有多种环境和经济优势。地热井是地热发电厂的关键组成部分，负责开采高温流体并将其转化为可用能源。高效和安全的井控对于确保最佳性能、防止事故和最大化能源输出至关重要。地热钻井面临独特挑战，如坚硬的岩石地层和极端温度，这需要开发专门的钻井技术。先进钻井技术的出现（如使用耐热PDC钻头和高压喷射辅助钻井方法）显示出在地热环境中提高可靠性和效率的潜力（Isania和Elahifar，2024年）。

本文全面回顾了地热井控方法、设备和建模技术。通过分析当前领域的现状，我们旨在加深对地热井控挑战和进步的理解，并确定进一步研究和改进的领域。

“地热能”是指地球内部的热量，通常存在于加热的地层流体中或以蒸汽形式存在，可以将其捕获并转化为不同类型的可用能源。美国地质调查局（USGS）早期对地热系统的定义（Neuendorf，2011年）并未包含增强型地热系统（Williams等人，2011年）。后来将其扩展为任何通过循环流体从地下提取并输送到指定位置进行实际使用的地热系统。

在早期的USGS分类方案中，地热资源首先根据储层温度进行分组（Muffler，1978年）。目前广泛使用的分类方法将资源分为七个温度等级（Sanyal，2005年）：非电级（<100°C）、非常低 temperature（100–<150°C）、中等温度（150–<230°C）、高温度（230–300°C）、超高温（>300°C）以及以蒸汽为主的地层（约240°C和约33.5巴）。在较低温度下，液态水是主要循环流体；在较高温度下，流动相可以是液体、蒸汽或混合物。一般来说，温度越高的类别具有更大的发电潜力。基于深度或性质的分类方法（例如，通过渗透率）不太可靠，因为这些属性在不同区域差异很大。目前尚无广泛接受的对增强型地热系统的分类方法（Williams等人，2011年）。图1展示了这些分类，表1总结了它们的典型储层和井口条件。

在地热勘探项目中，通常会在深井钻井前进行地质、地球化学和地球物理的全面分析（Purba等人，2022年）。主要挑战是以安全和经济的方式获取和提取这些储层中的能源。地热钻井和井建设费用约占地热项目总成本的50%至70%（Feder，2021年）。地热井钻井是地热项目中的关键活动，其成功实施有助于降低开发地热资源的风险。然而，在高温区域钻井会因计划外停机、井下工具故障、井孔问题和井控问题而增加成本。因此，准确预测井下温度和压力对于优化钻井操作至关重要，因为这些参数显著影响井控措施。

Purba等人（2022年）的综述研究表明，地热井和石油井的钻井作业总体上相似，但在地层和地下遇到的危险明显不同。在印度尼西亚，钻井承包商和服务提供商通常在地热和石油天然气作业之间交叉调配人员（Umam等人，2018年）。人员必须清楚认识到这两种井钻井作业的操作差异，因为错误可能造成高昂代价和潜在危险。未经专门针对地热钻井的培训或认证计划的人员可能无法应对地热钻井中的独特操作要求（Umam等人，2018年）。

文献强调，在人员在不同钻井环境中重新分配时调整井控实践的重要性，因为蒸汽涌出行为和失流机制存在根本差异。在地热作业中，涌出通常涉及高温盐水或蒸汽，并可能迅速加剧（例如蒸汽涌出），而在石油环境中，主要问题是涉及易燃流体的气体涌出，存在爆炸风险（Spada等人，2021年）。专家指出，石油和天然气作业中使用的传统井控策略可能不适用于地热环境，未经修改直接应用可能导致不当响应和严重的操作后果（表2）。

在大多数地热环境中，储层处于低压状态，即孔隙压力低于井筒内流体的静水压力；因此，井筒压力的任何下降都可能导致地层流体进入井中（Finger和Blankenship，2012年）。“涌出”是指地层流体无意中进入井筒的现象，通常发生在井的静水压力不足以平衡地层压力时（Professors，2017年；Schlumberger，2023年）。然而，在地热钻井中，涌出通常指蒸汽涌出，因为通常不涉及碳氢化合物气体。根据Grace等人（2003年；Bayutika，2018年；Purba等人，2022年），地热钻井中蒸汽涌出的可能原因包括：当热流体从井的深处上升时，在接近地表的过程中会变成蒸汽。这种蒸汽的形成会降低井内的静水压力，从而导致更多流体蒸发或沸腾（Finger和Blankenship，2012年；Delong等人，2014年；Wei等人，2023年）。温度变化会显著改变流体的粘度、密度甚至化学稳定性。这种现象与流体的沸点深度（BPD）密切相关，即流体在给定压力下从液态转变为气态的温度。在地热系统中，沸点取决于地层压力和垂直深度。压力越大（井越深），沸点越高；压力越小（井越浅或接近地表），沸点越低。沸点还用于指示蒸汽柱返回地表的起源深度。

图2（来自Hossein-Pourazad，2005年）展示了在不同压力条件下地热流体的沸点曲线。该曲线是理解地热流体热力学行为的重要工具。Clausius-Clapeyron方程提供了计算沸点曲线的理论基础，它将蒸汽压力的变化率与汽化焓和相变过程中的体积变化联系起来。当流体上升时，压力下降速度比热量传递速度更快，可能导致流体状态达到沸点深度（BPD）曲线，从而迅速变成蒸汽。该图展示了流体深度与沸腾行为之间的关系，说明密度和流变特性的变化如何破坏井筒稳定性。保持单相区域的条件对于防止快速沸腾和确保有效的钻井流体管理至关重要。例如，在新西兰的地热井设计标准中，建议绘制沸点深度（Nganga等人，2020年）。通过使用沸点深度作为指导，工程师可以更好地预测和控制系统沸腾的发生，优化套管深度，并设计在操作温度和压力范围内稳定的钻井流体系统。

蒸汽盖层（液水和蒸汽共存的二相区域）通常是热流体沸腾的结果，如图2所示。在蒸汽盖层内，压力梯度通常接近静水压力。然而，在某些情况下，整个蒸汽盖层范围内的压力保持恒定。一旦确定沸点，可以使用热力学关系计算相应温度和压力下的蒸汽密度（ρ）。在实际应用中，可以根据具体的热力学条件和流体性质估算蒸汽柱施加的压力。

当钻井过程遇到加压蒸汽区（通常位于热水流层上方的渗透岩中的蒸汽盖层）时，可能发生地层蒸汽涌出。随着深度增加，地下温度逐渐升高，这种现象称为地热梯度。全球范围内，该梯度平均约为每千米25°C（大约每77英尺1°F）。因此，在许多地区，地热能主要以热水的形式储存，而不是以蒸汽形式出现。然而，在高温、超高温或蒸汽环境中（如表2所示的第5类至第7类），其中地层温度达到230°C或更高时，储层中的流动相可能是蒸汽或蒸汽-水混合物。这种类型的地热储层有时也被称为“蒸汽地”。当在钻井过程中遇到这种加压蒸汽区域时，井环空内产生的蒸汽冲击通常非常危险，可能导致灾难性事故，如蒸汽喷发。同时，伴随直接地层流体冲击而流入的气体通常具有危害性，包括二氧化碳和硫化氢（Simatupang, Pratama等人）。例如，Wairakei地热田的WK26和WK204井发生的喷发事件突显了在地质热钻井作业中处理高温蒸汽的风险（Bolton等人，2009年）。在地热环境中，具有断层诱导裂缝或强烈变化岩石的区域通常表现出较高的渗透性。此外，机械因素（如过高的泥浆重量或地层不稳定性导致刀具脱落）也可能引发循环丢失。与常规钻井一样，循环丢失仍然是地质热作业中的一个主要挑战，通常会导致更广泛的地层完整性问题。循环丢失的成本可能占总地热井成本的20%（Fatemeh, Teodoriu等人，2020年）。最近的研究表明，在具有严重循环丢失的区域作业仍然是地质热钻井作业中最主要的停机原因（Cole, Young等人，2017年）报告称，循环丢失每个油田可能额外造成200万至2800万美元的成本。地质热井中的循环丢失表现与常规的油气钻井不同。地质热井往往穿透硬度大、多空洞的岩层，这些岩层缺乏足够的压力支撑，并且包含多层断裂和热变形的区域（Finger和Blankenship，2012年）。此外，地质热井中遇到的裂缝尺寸通常比典型的油气储层中的裂缝更大。因此，地质热钻井中循环丢失事件的风险和严重程度通常更高。在墨西哥的La Primavera破火山口中，由于断裂和多空洞地层导致的严重循环丢失带来了重大挑战。然而，使用先进的材料（如处理过的粘土膨润土和颗粒填充混合物），设计用于在高压下密封，成功将流体损失减少到8%以下。这些方法还有助于缩短钻井时间，证明了定制解决方案可以有效解决地质热井控制问题（Santoyo-Gutiérrez等人，1991年）。此外，地质热井的水泥设计需要特定的策略，因为这些作业中的流体损失概率显著高于常规井（Cole, Young等人，2017年）。当钻柱从孔中拔出时，钻柱的向上运动可能会降低井底压力，从而产生真空效应，将地层流体吸入井筒，这种现象称为“抽吸”。在地质热井中，如果在起下钻操作期间没有足够的新鲜冷水，也可能导致储层压力突然上升。这种压力冲击可能导致快速形成蒸汽，有时会在地面引发蒸汽冲击（Bayutika，2018年）。闪蒸现象是指由于压力降低和热不平衡引发的快速液相到气相转变，在地质热井钻井操作中是一个关键问题，尤其是在将高温钻井液通过环空泵送到接近地表的低压区域时。在较深的井筒段中，由于长时间停止钻井导致的高井底温度，钻井液可能会过热。一旦恢复循环，这些过热的液体会上升到静水压力较低且传热时间不足的区域。结果，液体的温度可能超过当地的饱和温度，引发闪蒸事件，从而影响井的控制和稳定性。钻井操作中的闪蒸现象受多种因素控制。其中关键的是热力学条件（温度、压力和饱和状态）与流体成分和性质之间的相互作用。钻井泥浆通常由非牛顿基液体制成，其中包含聚合物、加重剂以及各种固体颗粒——包括添加的成分和自然产生的钻屑（Bourgoyne Jr，1989年）。这些悬浮固体可以作为成核点，显著影响蒸汽生成的起始和速率。颗粒表面的异质成核可以降低形成气泡所需的能量障碍，从而相对于无颗粒流体来说，使闪蒸更早开始且更为明显（McGinty, Yazdanpanah等人，2020年）。此外，泥浆的流变性质受聚合物添加剂和颗粒负载的影响，进而影响湍流强度和压力梯度，这又影响过热水平和气泡动态。从均质和异质成核模型改编的经典成核理论为理解气泡形成提供了理论框架。异质成核率J可以通过经典成核理论估算，该理论考虑了由于固液界面导致的成核能量障碍的降低（Deligiannis和Cleaver，1992年）。动态气泡生长和破裂可以使用类似于Rayleigh-Plesset方程的公式进行建模，该方程描述了气泡半径R(t)在不同压力场下的演变：这里，ρl表示液体密度，σ代表作用在气泡表面的表面张力，μl表示液体的动态粘度，p∞(t)表示远离气泡处的环境压力，pb(t)表示气泡内部的压力。将流体粘度、表面张力和随泥浆上升而变化的压力场纳入考虑，可以深入了解气泡行为。然而，由于这些系统具有多组分性质、屈服应力行为和颗粒负载组成，直接将这些方程应用于复杂的钻井泥浆系统是具有挑战性的。现有的闪蒸模型通常分为热相变模型（强调热传递和过热 Dissipation）和压力相变模型（关注空化和成核阈值）（Nigmatulin, Melikhov等人，1993年）。半经验成核模型和工程相关性经常用于补充这些方法以提高计算效率。然而，这些简化方法可能无法准确捕捉实际钻井场景中流体流变学、颗粒诱导的异质成核和快速减压之间的相互作用（Mimouni等人，2010年）。更复杂的双流体或多场方法（多分散模型）可以更好地表示环空中的复杂界面交换和动态气泡群体。最近的综述（Liao & Lucas，2021年）进一步强调，由杂质和悬浮固体驱动的异质成核是闪蒸开始的决定性机制。已建立的模型（如Rohatgi–Reshotko（1975年）、Blinkov等人（1993年）已经通过可调的成核点密度和异质性因子考虑了颗粒和壁面效应。在此基础上，地质热井模拟可以扩展双流体或漂移通量公式，加入整体成核源项，或采用气泡数密度传输方程，以明确捕捉钻井流体颗粒对闪蒸起始的影响。这为克服当前模型限制提供了具体途径，并能够更真实地预测地质热钻井条件下的蒸汽冲击起始和严重程度。高温地质热作业中的井控制原则有两个方面。首先，保持井筒压力高于地层孔隙压力，以防止任何流体流入井筒。其次，控制井筒温度，确保流体温度低于给定系统压力下的沸点。在油气井中，使用稠密钻井泥浆控制静水压力对于对抗高地层压力和防止喷发至关重要（Purba, Adityatama等人，2022年）。这些流体还需要考虑不同碳氢化合物的密度和粘度，这使得冲击检测和管理更加复杂。（IADC 2020）提供了油气钻井中的标准化行业指南，包括关于井杀死计算的详细信息。然而，地质热井通常是水或蒸汽的低压系统，主要挑战是热膨胀或相变。与油气作业不同，地质热钻井没有完善的监管框架来规范井控制程序。解决这些挑战可以释放重要的地热资源，并为更可持续的能源格局做出贡献。对于地质热井控制，常用的方法包括用水进行冷却或顶部抑制。传统的井控制策略（如Driller’s Method和Wait-and-Weight技术）通常用于管理超压地层中的冲击。指南还详细说明了井杀死所需的计算，确保针对不同操作场景的全面策略。对于地质热井控制而言，温度比油气作业更为重要。尽管在油气井中温度效应也需要考虑，但它们相对于压力控制来说是次要的。地质热井的温度相对极端，需要能够抵抗热应力的特殊工具和流体。地质热井中的钻井液具有双重作用：维持压力并冷却钻头和井筒；而在油气作业中，泥浆主要用于控制压力和清除切屑。此外，地质热井中的井口装置（BOPs）必须承受高温和蒸汽，带来独特的工程和操作难题（Capuano，2014年）。地质热系统通常根据关键特征进行分类，如储层温度、地质环境和储层中存在的流体相。Sanyal（2005年）提出的分类系统实际上是唯一包括温度、资源分类以及储层和井口处流体相的已知分类系统。建议将此分类作为井控制方法的基础。这使得可以针对高温地质热系统（第4类至第7类系统）进行重点控制。此外，环境和安全关切强调了井控制机制的差异。油气井主要关注防止碳氢化合物泄漏、喷发和气体排放对环境的影响。法规和安全标准强调控制挥发性碳氢化合物以及使用标准化设备（如BOPs）。对于地质热井，挑战在于热水或蒸汽的管理，其中可能含有溶解气体（如CO2和H2S）（Purba, Adityatama等人，2022年）。这种类型的井需要特殊的热管理措施来维持操作安全。地质热井培训强调根据与高温系统相关的特定环境和操作风险来处理热力学和相行为。高温作业中的钻井液系统通常是加有增稠剂的水。与传统油气钻井液不同，地质热流体必须承受极端温度（通常超过300°C（572°F）并在这些条件下保持其性能。断裂的火山储层常常存在完全循环丢失的问题。如果预期会有损失，通常使用水进行钻井。对于完全循环丢失的情况，常采用充气钻井技术来减少用水量。另一方面，沉积地质热储层地层可能相对稳定，但存在与页岩不稳定性、结垢和化学相互作用相关的问题，因此可能需要定制的流体系统。尽管存在这些区别，但目前缺乏综合性的比较研究来分析当地地质条件如何决定最合适的井控制方法。此类现场分析对于确定最佳实践和开发针对地质热钻井操作的特定培训技术非常重要。本文的几个部分涵盖了地质热井控制的主要要素。第2节概述了适用于高温地质热环境的关键设备，如防喷器和旋转控制装置。第3节概述了关键的井控制方法，包括冷水注入井杀死、加盖和减压井钻井，并研究了这些技术在地质热条件下的有效性。第4节讨论了用于模拟地质热井控制挑战的先进建模技术，如热传递和相变。第5节包括案例研究，展示了地质热井控制方法和设备的实际应用和挑战。第6节探讨了未来研究方向，强调了在设备、方法和建模技术方面的创新需求，以解决现有差距。最后，第7节总结了本文的发现，指出了未解决的问题，并提出了地质热井控制的未来研究方向。这些地层通常具有严重的裂缝、非静水压力，并且化学性质较为活跃，经常含有腐蚀性流体和高比例的溶解固体，这给钻井带来了重大挑战。常见的现象是钻进速率低以及钻头磨损速度快。腐蚀是一个严重问题，同时还会出现井漏现象。现有的地热井控制方法包括一系列技术和策略，用于在钻井、生产和注水作业期间管理井筒内的流体流动。这些作业涉及处理高温高压的地热流体，因此具有与常规油气钻井不同的独特挑战和风险。因此，需要专门的井控制方法和设备来减轻危害并确保作业的高效进行。

通过封井作业处理地热井井喷事件（Toni, Irawan等人，2017年）报道了印度尼西亚三口地热井中的井喷事故处理情况。距离井口2公里的山体滑坡导致这三口生产井的井口断裂，从而引发了井喷。该事件还伴随着盐水对河流的污染、社会影响以及附近发电厂的供水中断。初步尝试使用了铅笔法（Pencil Method），但后来发现井口并未发生垂直断裂。

鉴于井筒温度分布对钻井性能的显著影响，许多研究探讨了地热井施工过程中的热行为（Nwaka, Wei等人，2020年；Abdelhafiz, Hegele等人，2021年；Arista, Zarrouk等人，2022年；Gabaldon, Gonzalez Luis等人，2022年；Adeyemi, Wei等人，2024年；Rangel-Arista, Zarrouk等人，2024年；Yang, Li等人，2015年）研究了井涌事件如何影响井筒及其周围地层的温度分布。

高温设备的局限性给地热钻井带来了重大挑战，因为防喷器（BOP）及相关井控制设备通常是从油气系统回收而来的，用于提供弹性密封元件。这些设备在面对高达500华氏度的严酷地热条件下的长期使用并不适用。尽管像Camlast这样的新技术为解决问题提供了潜在的解决方案，但由于成本和可用性的限制，其广泛应用仍然受到限制。

在上一节中，我们指出了几个需要进一步研究的研究空白。然而，现有的关于地热井控制方法、设备和建模技术的研究成果提供了宝贵见解，回答了关键问题，并为希望在地热钻井作业中实施井控策略的专业人员提供了实用的建议。

作者贡献声明：
陈伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法论。
Vahid Dokhani：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，概念化。
Saeed Beheshtian：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。
Shahriar Mahmud：概念化。
Steve Nas：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念化。
Yuanhang Chen：监督。

未引用的参考文献：
Abdelhafiz等人，2021年；Adeyemi等人，2024年；Adityatama等人，2020年；Adrian等人，2015年；Akasaka等人，2011年；Ambrus等人，2016年；Arista等人，2022年；Avelar等人，2009年；Bahonar等人，2010年；Bird等人，2002年；Brown等人，2023年；Chadha等人，1993年；Chen等人，2021年；Cole等人，2017年；Corre等人，1984年；Delong等人，2014年；Falavand-Jozaei等人，2022年；Fatemeh等人，2020年；Forouzanfar等人，2015年；García-Valladares等人，2006年；Ghobadpouri等人，2017年；Grace等人，2003年。

利益冲突声明：
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Yuanhang Chen表示获得了地热技术办公室的财政支持。如果还有其他作者，则声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢：
本研究得到了能源部（DOE）地热技术办公室（GTO）的支持和资助，该办公室通过“Geothermal Limitless Approach to Drilling Efficiencies”（GLADE）项目（项目编号DE-EE0010444）进行资助，该项目由Oxy USA, Inc.牵头实施。