CN116096982A - 用于地热井钻探的冷却 - Google Patents
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Abstract
用于在地下区域中钻探地热井的方法，所述方法包括用钻柱在所述地下区域中钻探出所述地热井的井眼。邻近处在所述井眼的井下端处的岩面的岩石的固有温度为至少250摄氏度。在钻探时，钻井液在所述岩面处以一定温度流动，使得邻近所述岩面的岩石的固有温度与所述岩面处的所述钻井液的温度之间的差值至少为100摄氏度。
Description
技术领域
本公开涉及地热井钻探。
背景技术
为地热系统而钻探的井可能遇到高地层温度。这种高温可能对钻进速度、井下电子设备的运作和其它因素造成挑战。
发明内容
本公开涉及地热井钻探。
本文的主题的某些方面可以实现为用于在地下区域中钻探地热井的方法。该方法包括用钻柱在地下区域中钻探出地热井的井眼。邻近处在井眼的井下端处的岩面的岩石的固有温度为至少250摄氏度。在钻探时，使钻井液在该岩面处以一定温度流动，使得邻近该岩面的岩石的固有温度与该岩面处的钻井液的温度之间的差值为至少100摄氏度。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值导致岩面处的岩石中的热诱导应力大于岩面处的岩石的抗拉强度。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。井眼的井下端位于至少4000米的测量深度处。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。井眼的井下端位于至少6000米的竖直深度处。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值为至少175摄氏度。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。邻近岩面的岩石的固有温度为至少350摄氏度，并且邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值为至少200摄氏度。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。邻近岩面的岩石的固有温度为至少500摄氏度，并且邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值为至少350摄氏度。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。井眼是横向井眼。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。钻柱的井下端包括旋转钻头。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。钻头的井下端包括无接触钻头，该无接触钻头被构造用以在岩面处破碎地层材料，而不需要钻头与岩面之间的接触。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。形成包括所述井眼的闭环地热井系统。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。井眼是横向井眼。形成闭环系统包括从第一地表井眼钻探横向井眼，并通过横向井眼将第一地表井眼与第二地表井眼相连接。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值在井眼的井壁的至少一部分中诱发径向拉伸裂缝。该方法还包括用密封材料密封径向拉伸裂缝。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。钻柱包括多个管段。管段中的至少一个管段包括至少部分地覆盖管段的周向表面的涂层。管柱的带涂层的管壁部分的长度归一化热阻为至少0.002米开尔文每瓦。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。带涂层的管壁部分的长度归一热阻为至少0.01米开尔文每瓦。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。上述多个管段在连接接头处彼此连接。涂层至少部分地覆盖一个或多个所述连接接头的周向表面。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。井眼是第一井眼。该方法还包括形成与第一井眼相交的第二井眼。第二钻井液流顺着第二井眼流下，并且该第二钻井液流提供了在岩面处流动的钻井液的至少一部分。除了第二钻井液流之外或替代第二钻井液流，钻井液的回流从第一井眼的井下端分流到第二井眼。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。该方法还包括将中间管柱定位在井中，以及将钻柱定位在中间管柱内。以这种方式，在钻柱的外部与中间管柱的内部之间形成内部环状部，该内部环状部至少部分地沿钻柱的长度向井下延伸。该方法还包括用隔热材料至少部分地填充内部环状部。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。隔热材料是气体或包括气体。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。该方法还包括向钻井液添加相变材料，该相变材料被指定为在钻柱的井下端附近发生相变。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。钻柱包括井上部分和井下部分，其中该井上部分包括第一多个管段，该井下部分包括第二多个管段。第一多个管段中的大部分的抗拉强度比第二多个管段中的大部分的抗拉强度高至少25％。第二多个管段中的大部分比第一多个管段中的大部分至少轻35％。
本文主题的某些方面可以实现为用于在地下区域中形成地热系统的方法。该方法包括钻探第一地表井眼和第二地表井眼。从第一地表井眼钻探横向井眼，以在地下区域中将第一地表井眼与第二地表井眼相连接。钻探横向井眼包括将钻柱定位在横向井眼中。该钻柱限定一管道，以用于使钻井液流向横向井眼的井下端处的岩面，以将破碎的地层材料从岩面移位出来。该方法还包括用钻柱将横向井眼进一步钻入地下区域。邻近处在横向井眼的井下端处的岩面的岩石的固有温度为至少250摄氏度。钻井液在横向井眼中在岩面处以比邻近岩面的岩石的固有温度低至少100摄氏度的温度流动。从横向井眼中移走钻柱，并且使工作流体在第一地表井眼、第二地表井眼和横向井眼中以闭环方式循环。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。从工作流体中提取热能。
本文主题的某些方面可以实现为用于在地下区域中的地热井中钻探井眼的系统。邻近处在井眼的井下端处的岩面的岩石的固有温度为至少250摄氏度。该系统包括：钻柱，该钻柱具有钻头，以破碎岩面处的地层；以及钻井液，该钻井液在岩面处以一定温度循环，使得邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值为至少100摄氏度。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值导致岩面处的岩石中的热诱导应力大于岩面处的岩石的抗拉强度。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。井眼的井下端位于至少4000米的测量深度处。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值为至少175摄氏度。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。邻近岩面的岩石的固有温度为至少350摄氏度，并且邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值为至少200摄氏度。
可与任何其它方面组合的一个方面可以包括以下特征。井眼是横向井眼。
附图说明
图1A是根据本文构思的闭环地热系统的示意图。
图1B是图1A中示出的闭环地热系统的平面图。
图2是根据本文构思的钻探系统的示意图。
图3A是根据本文构思的钻头的示意图。
图3B是根据本文构思的钻头牙轮的截面的示意图。
图4A是根据本文构思的用于延性或塑性岩石中的脆性到半脆性转变的温度-压力关系的图形表示。
图4B是根据本文构思的脆性火成岩中的脆性-半脆性转变的图形表示。
图5是根据本文构思的应变和应力对脆性和延性岩石的影响的图形表示。
图6A是岩石脆性与钻进速度之间的关系的图形表示。
图6B是钻探操作造成的岩石损伤与冷却温度差之间的关系的视图。
图7是钻进速度随着钻井液与被钻探的岩石之间的温度差变化的实验室测试结果的图形表示。
图8A是根据本文构思的用于钻探的管柱的带涂层的管段的视图。
图8B是根据本文构思的用于钻探的管柱的带涂层的管段的视图。
图9A至图9D是根据本文构思的在具有不同涂层配置的管段的情况下的竖直深度与钻杆、环状部和岩石的温度之间的关系图。
图10是根据本文构思的用于不同管段涂层配置的最大可钻探岩石温度与热梯度之间的关系的视图。
图11是根据本文构思的通过环状部和不同配置的管的热传递阻力的示意图。
图12是根据本文构思的具有第二隔热环状部的井眼系统的示意图。
图13A至图13B是图12的第二隔热环状部的热效应的视图。
图14是根据本文构思的用于钻探的井眼系统的示意图，其中第二井用作钻井液的入口和/或出口。
具体实施方式
图1A示出了根据本文构思的闭环地热系统。闭环地热井眼系统可以例如是诸如由阿尔伯塔省卡尔加里的Eavor技术公司开发的系统，该系统包括密封的水平井眼构成的网络，这些水平井眼用作井下地层的散热器或热交换器。这种闭环地热系统在某些情况下所使用的方法和设备的描述可以例如见于美国专利申请公开第20190154010A1号、第20190346181A1号和第20200011151A1号，它们的内容通过引用结合于此。
参考图1A，闭环地热系统100包括入口地表井眼104和出口地表井眼106，该入口地表井眼和该出口地表井眼在地下区域108内由横向井眼110构成的网络连接。地下区域108是地质地层、地质地层的一部分或多个地质地层。在所示实例中，地表井眼104和106是基本上竖直的；在本公开的其它实例中，地表井眼中的一者或两者可以不是基本上竖直的。在所示实例中，连接地表井眼104和106的横向井眼110是基本上水平的；在本公开的一些实例中，横向井眼中的一些或全部可以不是基本上水平的，并且可以是基本上笔直的或弯曲的或具有螺旋形或其它构造。横向井眼110可以被密封，并且工作流体作为循环流体可以被添加到闭环中。发电站112布置在入口地表井眼104与出口地表井眼106之间的地表114上，以完成闭环系统。从在环路116中循环的工作流体中回收来自地下区域108的热量，该热量随后用于与发电站112中的发电机(未示出)一起生成电力。在本公开的一些实例中，横向井眼110的长度可以为2000米至8000米或更多，并且与地表114相距的深度为1000米至20000米。
图1B是形成图1A的闭环地热系统100的一部分的横向井眼110的平面图。参考图1B，横向井眼110以间隔的径向关系布置在地下区域108内。每个横向井眼110共同以闭环方式连接到入口井眼104和出口井眼106。在本公开的一些实例中，入口井眼104和出水井眼106中的一些或全部是套管式的。在本公开的一些实例中，横向井眼110不是套管式的，而是通过在横向井眼与地层之间形成基本上不可渗透流体的交界面而在不使用套管的情况下进行密封。
尽管图1A和图1B示出了入口井眼104与出口井眼106间隔得很远，但在本公开的其它实例中，井眼104和106可以靠近在一起，并且横向井眼110构成的网络可以堆叠或交错，并在它们的趾部处相交。
诸如图1A和图1B所示的地热系统的钻探可以涉及在非常高的温度(超过250℃，并且在某些环境下超过400℃或超过800℃)下钻探穿过非常坚硬的多晶体岩石，诸如花岗岩。例如，在钻探深层水平井段时，可能遇到这种坚硬的高温岩石，诸如图1A和图1B所示。
图2是根据本公开的实例的井眼钻探系统200的示意图，该井眼钻探系统可以适合用于钻探图1A和图1B的入口地表井眼104、出口地表井眼106和/或横向井眼110。参考图2，通过定位在井眼202中的钻柱206进行钻探而在地下区域204中形成井眼202。钻柱206在其井下端处包括底孔组件(BHA)210。BHA 210包括钻头208，并且还可以包括钻环、定向钻探仪器，以及用于操作和/或控制钻头208的各种电气部件和电子部件。钻柱206的内部限定一管道，以用于使钻井液212流向井眼的井下端，以将破碎的地层材料从岩面214中移位出来，然后这些地层材料由钻井液212带入限定在钻柱206的外部与井眼202的内表面之间的环状部216。
钻柱206包括在连接接头222处彼此连接的多个管段220。在本公开的一些实例中，连接接头222包括螺纹盒销式接头或另一种合适的连接。
热传递(由箭头224示出)可以从地下区域204流入环状部216，以及从环状部216流入钻柱206的内部并流入顺着钻柱206向下流动的钻井液212。因此，在钻井液212通过逆流交换机制输送到钻头208之前，从地下区域108到环状部216以及从环状部216到钻柱206内部的热传递有助于钻井液的温度升高。
在本公开的一些实例中，钻头208是接触型钻头，诸如聚晶金刚石复合片(PDC)钻头、旋转钻头和/或依赖与岩石接触来实现钻探的其它类型的钻头。合适的接触型钻头的示例是图3A和图3B所示的三牙轮钻头300。如图3A所示，三牙轮钻头300包括三个牙轮302，每个牙轮均具有多个切削元件304。图3B示出了沿图3A所示的线305A-305B的截面的细节。在该示例中，每个牙轮302包括在每个牙轮的面上呈特定间隔阵列的多个间隔的切削元件304。为了促进延长使用寿命和长期不间断的钻探，可以提供一系列附加切削元件306。在该示例中，附加切削元件306定位在切削元件304的下面，使得附加切削元件306的顶端与上覆的切削元件304的底座的接触点相邻。在这种布置中，随着元件304的磨损，附加切削元件306的顶端出现。通过在相邻元件304和306之间的间隙空间310中至少加入不同硬度的材料，可以进一步加速这一过程。利用这种布置结构，每个牙轮的切削面均是自我进行更新。这一特征的附加优点包括钻头300的更均匀的磨损，以减少偏心的钻探进度，并降低在正在形成的孔内卡住或被困住/不可收回的可能性。
在本公开的其它实例中，图2的钻头208可以是无接触钻头，该无接触钻头被构造用以在地下区域204的位于井眼202的井下端处的岩面214处破碎地层材料，而不需要钻头208与岩面214之间的接触，并且在本公开的一些实例中，可以包括用于电脉冲钻探的电破碎钻头。无接触钻探系统的示例包括等离子体钻探(诸如由，GA Drilling，A.S.开发的等离子体钻探系统)、激光钻探(诸如由Foro Energy开发的激光钻探系统)、微波钻探(诸如由Quaise开发的微波钻探系统)、热剥落技术(诸如超临界水喷射或火焰喷射)以及电脉冲钻探(诸如由Tetra Corporation开发的电脉冲钻探系统)。(可以理解，在钻探过程期间，无接触钻头的部分可以周期性地碰撞到、擦到地层或以其它方式与地层接触。)
在诸如由Tetra公司开发的电脉冲钻探系统中，利用具有多个电极的电破碎钻头生成高能量的火花以破碎地层材料，从而使其能够从钻探组件的路径上清除。使用特定激励电流曲线，钻头每秒可以生成多个火花，其使瞬时火花通过井眼的井下端处的岩面的最导电部分形成电弧。电弧使被电弧穿透的岩面的那一部分瓦解或碎裂，并被钻井液流冲走。对于这种电脉冲钻探使用了高电阻的钻井液。一些电脉冲钻头、钻井液以及相关系统和方法的描述例如见于美国专利第4,741,405号、美国专利第9,027,669号、美国专利第9,279,322号、美国专利第10,060,195号、美国专利公开第20200299562A1号以及PCT专利申请WO2008/003092、WO 2010/027866、WO 2014/008483、WO 2018/136033和WO 2020/236189，它们的内容通过引用结合于此。由于电脉冲钻探和其它形式的无接触钻探使岩石在拉伸(而不是压缩或剪切)下失效，因此可以与下面更详细讨论的冷却效果产生进一步的协同效应。
当岩石处于非常高的围压并且/或者由于在钻探深层地热环境中可能遇到的高温(诸如当钻探(例如)图1A和图1B所示的闭环系统的横向井眼110时)而具有延性/塑性特性时，钻进速度(ROP)可能降低。这种高温也可能干扰井下电子设备和/或传感器的功能。此外，对多个横向井眼的钻探(诸如图1B所示)可能需要广泛使用定向钻探技术。用于这种定向钻探的磁力计和其它井下设备可能受到井下高温的不利影响。定向钻探系统的一些井下部件具有150至250℃的温度限制。其它井下部件可以具有不同的(更高或更低)温度限制或范围。
在下文所描述的本公开的一些实例中，涂层组合、井眼几何形状、井下设备和/或添加剂用于在井眼的井下端处提供处于用于钻探的温度下的钻井液流，使得邻近岩面的岩石的固有温度(即，要不是钻井液的冷却效果，处于钻头前方的、将被内在地钻探穿过的岩石的温度)与岩面处的钻井液的温度之间的差值为至少100℃。岩面处的流体的温度是例如在被钻探岩面的大约1厘米范围内发生的岩面的对流冷却的大量流体温度。在本公开的一些实例中，这种温度差可以在地热环境中，在地热环境中，在4000米或更大的测量深度处，邻近岩面的岩石的固有温度为至少250℃；即，穿过地表井眼和横向井眼的测量深度。(如本文所使用的，测量深度是沿井眼路径的长度并且(除了真正的竖直井以外)与井的竖直深度不同)。在本公开的一些实例中，温度差可以更大。例如，在本公开的实例中，其中，邻近岩面的岩石的固有温度为至少约500℃，邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值可以为至少约350℃。在本公开的其它实例中，温度差可以是更大或更小的量。这样大温度差可以增加ROP，因为冲击冷却效应导致岩面热收缩。这使岩石受到拉力作用，并且减少了岩面处的有效围压。温度差还可以在岩石基质中产生拉伸微裂缝。
例如，图4A是用于延性或塑性岩石中的脆性到半脆性转变的温度-压力关系的图形表示。当温度降低或压力减小时，延性岩石转变到更脆的状态。当对热脆性岩石施加快速热冷却处理时，岩石的内部温度降低，并且岩石转变到相对于未处理的岩石更脆的状态。图4B总体上示出了这种结果。因此，通过温度操纵，这种从延性、半脆性和区域内的任何组合的区域性转变使得处理后的岩石相对于其初始的未处理的状态变脆。
岩石强度(引起不可逆变形所需的应力)不一定随着脆性的增加而改变，如图5所示。然而，脆性岩石的变形模式是突然失效并且断裂，而对于更具延性的岩石，失效模式是在失效前经受更多的塑性变形。
如图6A所示，无论采用何种钻探方法，钻进速度总体上随着岩石脆性而增加。特别地是，脉冲电钻探系统或其它无接触钻探系统可以特别适合用于脆性岩石。
图6B示出了岩石的内部损伤随着冷却温度(例如，在钻探操作中的)之间的关系。注意，除了前面讨论的脆化机制以外，内部损伤是单独的且附加的影响。相对于简单的脆化，需要更高的冷却温度差以在岩石内部造成不可逆的损伤。不可逆的损伤表现为微裂纹、裂缝以及由于差异热收缩造成的岩粒当中和之间的位移。在充分的热冷却下，脆化和随后的不可逆损伤都可以被诱发到被钻探的岩石。
图7是钻进速度随着钻井液与被钻探的岩石之间的温度差变化的实验室测试结果的图形表示。实验室测试是在直径为10英寸的花岗岩块上执行的，该花岗岩块在烤炉中被加热到目标温度。然后，将这些岩块放置在加压室中，该加压室相对于围压(其施加在岩石样品周围的套筒上)且相对于钻井液的静水压力被加压，以模拟约1000m的深度。然后，使用环境温度的钻井液以一致的钻头重量、每分钟转速和流量对岩石样品进行钻探。如从图7可见，当被钻探岩石的温度与钻井液的温度之间的差值超过大约175摄氏度时，钻进速度(ROP)显著增加。在这样的温度差下，岩面处的岩石中的热诱导应力可以大于岩面处的岩石的抗拉强度，这可以削弱岩石并导致岩石中的裂纹，这提高了钻进速度。温度差的进一步增加对ROP具有更大的改善。
此外，冲击冷却可以通过热收缩来降低岩面处的有效静岩围压。在没有冲击冷却的基准测试中，钻探的ROP通常随着围压的增加而下降。因此，冲击冷却效应本身可以使深层岩石在高围压下的性能得到改善。
在本公开的一些实例中，邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值足以诱发岩面处的地层脆化。当脆化的岩石失效时，它可以在没有材料塑性变形的情况下突然断裂。
在本公开的一些实例中，邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值足以降低岩石的抗拉强度并且/或者使岩石的微观结构受损(由于岩石基质内的小微裂缝和薄弱部，这可以降低岩石强度)并且/或者由于岩石的热收缩而诱发岩面处的剥落。在本公开的一些实例中，温度差足以降低岩面处的围压(通过使岩石热收缩并且诱发裂缝)。如果热收缩发生到在岩面中产生裂缝的程度，则它将失去围压，并且变得更容易破碎。
在本公开的一些实例中，邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值足以将底孔组件(BHA)保持冷却并处于相对恒定的温度，即使当在250℃至500℃或更高的温度并且在2至14千米或更深的深度下钻探岩石时也是如此。这种冷却在电脉冲钻探的情况下可能特别有利，因为这种技术本身就需要在BHA中的电力生成和传输，并且电阻随着温度的升高而增加。无论破岩方法如何，一些井下电子设备、电路板、电池和其它部件可以具有150至200℃的温度限制。(一些井下组件可以具有不同的(更高或更低)温度限制)。通过使用本公开的冷却系统，即使当钻探非常热的岩石时，这些部件也被保持在其温度限制以下。
同样地是，通过冷却定向钻探系统的磁力计和其它井下部件，本公开中描述的一些实例可以使定向钻探能够在比以前所能够使用的更高温度的岩石环境中使用。
因此，通过在邻近岩面的岩石与岩面处的钻井液之间提供大温度差，本文所公开的增强的冷却系统和方法可以使用钻探系统(诸如电脉冲钻探)和定向钻探部件在高地层温度环境(诸如图1B所示的环境)中钻探闭环地热系统的多个水平井，并且具有更好的井下电子设备性能和更高的ROP。
在本公开的一些实例中，增强的冷却可以用于钻探图1A和图1B所示的系统的所有井眼。因为在钻探横向井眼110所穿过的地层中可能遇到最高温度的岩石，所以在本公开的一些实例中，可以使用常规的没有先进的冷却的方式来钻探图1A和图1B的竖直井部件，并使用增强的冷却来钻探横向井眼110中的一些或全部横向井眼。当岩石很热时(例如高于250摄氏度时)，冲击冷却对ROP具有更大的影响；因此，增强的冷却可以特别适合用于大部分钻探在非常热的岩石内进行的井。在单个竖直井或偏斜井中，ROP的优势可能降低，然而，如果在热的岩石内的深度处钻探井眼构成的网络，诸如图1A和图1B所示示例，则优势可以很明显。
图8A示出了根据本公开的实例的应用于图2的钻柱206的管段220的冷却涂层。管段220在连接接头222处彼此连接，并且包括主体802。在本公开的一些实例中，主体802包括碳钢体。在本公开的其它实例中，主体802可以包括铝合金、钛合金和/或纤维复合材料(例如，聚合物粘合剂与碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、电子玻璃和/或其它结构纤维的复合材料)，如下文更详细描述的那样。内部涂层804至少部分地覆盖管段220的内周表面。在所示实例中，内部涂层覆盖管段220的整个长度，并且也覆盖连接接头222的内表面。在本公开的一些实例中，连接接头222可以是重要的热传递区域。通过用内部涂层804覆盖连接接头222的内表面，连接接头222处的热传递减少。
外部涂层806至少部分地覆盖管段220的外周表面。在所示实例中，连接接头222的直径大于主体802的主要部分的直径，并且因此可以受到更多的接触，并导致对井眼壁或井眼系统的其它部件的更大摩擦。在所示实例中，外部涂层806覆盖连接接头222之间的管段220的那一部分，但没有覆盖连接接头222周围的更大直径区域。以这种方式，外部涂层806较少受到连接接头222处发生的摩擦。
在本公开的一些实例中，内部涂层804包括环氧酚醛树脂(TK340XT和CP-2060)以及环氧酚树脂(TK34XT和CP-2050)中的一种或多种。TK产品可从NOV公司获得，而CP产品可从Aremco产品公司获得。包括环氧酚树脂的内部涂层804的厚度可以在150至250μm的范围内，而包括环氧酚醛树脂的内部涂层804的厚度可以在400至1270μm的范围内。环氧酚树脂的平均热导率可以为～0.8K/w m，而环氧酚醛树脂的平均热导率可以为～0.4K/w m。可以将隔热颗粒添加到这些树脂或其它树脂中，以进一步降低热导率。
在本公开的一些实例中，外部涂层806包括厚度为约2540μm的纤维复合材料外包层(诸如碳纤维、电子玻璃复合材料和/或另一纤维复合材料)。这些涂层可从ACPT公司和/或从Seal for Life Industries获得。电子玻璃的热导率可以为约0.288W/mk，而碳纤维的热导率可以为约0.8W/km。
在本公开的一些实例中，管柱的管壁的长度归一化热阻至少约为0.002米开尔文每瓦。在本公开的一些实例中，管柱的管壁的长度归一化热阻至少约为0.01米开尔文每瓦。参考图8A，管壁的厚度810由内部涂层804的内表面和外部涂层806的外表面限定。为了本公开的目的，“长度归一化热阻”是考虑到沿管柱的长度的不同材料而用于径向热传递的管柱的有效传导热阻，并且是在1米的轴向材料长度上传输1瓦特能量所需的温度差。
以下是在本公开的一些实例中具有钢制内部主体802和内部涂层804(其材料和厚度如下所示)(但没有外部涂层806)的管柱的管壁的长度归一化热阻：
以下是在本公开的一些实例中具有钢制内部主体802和内部涂层804(其材料和厚度如下所示)加上厚度如下所示的电子玻璃制成的外部涂层806(“护套”)的管柱的管壁的长度归一化热阻：
在本公开的实例中，图2的钻柱206包括如图8A所示的管段220，该管段包括厚度为约400微米的环氧酚醛树脂TK340XT的内部涂层804以及厚度为约5毫米的电子玻璃外部涂层806。在这样的实例中，假设地下区域的热梯度为约60℃/千米，钻柱长度为约8000米，水基钻井液的循环速度为约3米3/分钟，并且岩面处的温度为约490℃，则由这种管段220组成的这种钻柱206可以导致邻近岩面的岩石与岩面处的钻井液之间的温度差为约346℃。
在本公开的另一实例中，图2的钻柱206包括如图8A所示的管段220，该管段包括厚度为约250微米的环氧酚醛树脂TK34XT的内部涂层804以及厚度为约2.5毫米的电子玻璃外部涂层806。在这样的实例中，假设地下区域的热梯度为40℃/千米，管柱长度为约9000米，水基钻井液的循环流量为约3.5米3/分钟，并且岩面处的温度为约370℃，则由这种管段220组成的这种钻柱206可以导致邻近岩面的岩石与岩面处的钻井液之间的温度差为约196℃。
在本公开的其它实例中，内部涂层804和/或外部涂层806可以具有更大或更小的厚度并且/或者可以包括其它类型的涂层，例如，陶瓷无机涂层(诸如硅酸盐键合陶瓷)。
图8B示出了根据本公开的另一实例的涂敷于图2的钻柱206的管段220的冷却涂层。在图8B所示的实例中，管段220是复合材料钻杆段，该钻杆段包括在连接接头222处连接的复合材料主体850(其可以由钢、钛、铝、纤维复合材料或另一合适的材料制成)，该连接接头同样可以包括钢、钛、铝、纤维复合材料或另一合适的材料。
参考图8B，内部涂层854至少部分地覆盖管段220的内周表面。在所示实例中，内部涂层854仅覆盖管段220在连接接头222处及连接接头附近的内周表面。通过用内部涂层854覆盖管段220在连接接头222处及连接接头附近的内周表面的区域，减少了连接接头222处的热传递。在本公开的其它实例中，内部涂层854覆盖管段220的整个内周表面。
在本公开的一些实例中，图8B的内部涂层854可以包括参考图8A的内部涂层804描述的相同材料和厚度。在本公开的一些实例中，内部涂层854可以包括其它合适的材料或厚度。在本公开的一些实例中，管段220可以包括真空隔热管(VIT)，其中，代替或除了内部涂层804(或854)和外部涂层806以外，隔热由管段220内的真空层提供。
在本公开的一些实例中，主体802和/或主体850可以包括较高的强度与重量比的钢制钻杆，诸如可从NOV公司获得的UD165钢制钻杆。在本公开的一些实例中，这种钢制钻杆可以是UD-165钢制钻杆，其在5.875英寸(14.92厘米)外径的钻杆中可以具有约165，000psi(1,138MPa)的屈服强度、约1，000，000lbf(4.45MN)的管抗拉强度、24.76lbf/英尺(361.3N/米)的长度归一化接头空气重量以及约900lbf/lbf(900N/N)的接头强度与重量比。
在本公开的一些实例中，主体802和/或主体850可以包括由钛合金制成的钻杆。在本公开的一些实例中，这种钛合金钻杆可以包括Ti-6Al-4V钛合金，并且可以在5.875英寸(14.92厘米)外径的钻杆中具有约120，000psi(827MPa)的屈服强度、约750，000lbf(3.34MN)的管抗拉强度、16lbf/英尺(233.8N/米)的长度归一化接头空气重量以及约1，000lbf/lbf(1000N/N)的接头强度与重量比。
在本公开的一些实例中，主体802和/或主体850可以包括由铝合金制成的钻杆。在本公开的一些实例中，这种铝合金钻杆可以包括Al-Zn-Mg II铝合金，并且可以在5.787英寸(14.699cm)外径的钻杆中具有约70，000psi(483MPa)的屈服强度、约600，000lbf(2.67MN)的管抗拉强度、15.5lbf/英尺(226N)的长度归一化接头空气重量以及约825lbf/lbf(825N/N)的接头强度与重量比。在一些实例中，这种铝合金杆可以包括可从AlcoaEnergy Systems获得的FarReachTM钻杆。在本公开的一些实例中，这种铝合金钻杆可以包括可从Aluminum Drill Pipe公司获得的铝合金钻杆。
在本公开的一些实例中，主体802和/或主体850可以包括碳纤维复合材料钻杆。在本公开的一些实例中，这种碳纤维复合材料钻杆可以包括可从Advance CompositeProducts&Technology公司获得的先进复合材料钻杆(Advance Composite Drill Pipe)。
在本公开的一些实例中，图2的钻柱206可以包括管段220，每个管段包括如上所述的钢、钛、铝和/或纤维复合材料的主体802和/或250。例如，在本公开的一些实例中，钻柱206的每个段包括单种材料(诸如铝合金)制成的主体802和/或250。在本公开的其它实例中，钻柱206可以包括不同的部分，每个部分包括由不同材料组成的多个段220。例如，在本公开的一些实例中，钻柱206的其中一些管段220可以包括一种主体材料(诸如铝合金)，而钻柱206的其余管段220可以包括另一主体材料(诸如钢)。在本公开的一些实例中，钻柱206可以包括两个、三个或更多个部分，这些部分中的每个部分包括多个管段220，其主体由不同于其它部分的材料组成。在另一实例中，以长度归一化空气重量为基础，在靠近钻头208的部分中的大部分的段220的主体的材料轻于离钻头208更靠近井上的那一部分。对于上述示例，钛制钻杆比钢制钻杆轻约35％，而铝制钻杆比钢制钻杆轻约37％。在离钻头208更靠近井上的部分中的那些段220可以包括具有更高强度材料的主体。对于上述示例，UD-165钻杆的抗拉强度比铝制钻杆高约67％，而钛制钻杆的抗拉强度比铝制钻杆高约25％。抗拉强度和长度归一化重量方面的差异也可以用单种材料实现，但与井下部分相比，井上部分中的钻杆的厚度/直径以伸缩的方式变化。在本公开的一个实例中，靠近钻头的那一部分中的大部分的段220比井上部分中的大部分的段220轻约35％，并且井上部分中的大部分的段220的抗拉强度比靠近钻头的那一部分中的大部分的段220高约25％。对于这种不同的钻柱材料的使用能够实现对于存在于更大深度处的温度高得多的岩石(并且因此需要有足够抗拉强度的隔热钻柱来延伸到这种深度)的钻探。当适当地相组合时，上文提及的材料能够在超过9千米的深度(包括高达14千米或更深)处进行钻探。地球的地热梯度导致更大深度处的岩石具有更高的温度。本发明的冲击冷却技术提供了一种方法来提高在高温岩石中的钻进速度和钻探性能。因此，通过将组合具有不同重量/强度的钻杆段而能够实现的更深的钻探与本文所述的冷却技术组合，产生协同效应。闭环多边井可以在足够的深度(并且因此，足够的岩石温度)下进行钻探，从而能够实现冲击冷却的效果，因此极大降低了钻探多边井眼的时间和成本。
图9A示出了在井下管状钻柱中流动的流体中的热传递的热力学模拟结果，该井下管状钻柱包括地下区域内的套管式井眼内的标准碳钢钻杆。该模拟假设水钻井液以每分钟3.5立方米的流量顺着管柱向下泵送，从地表(即，从井眼的井上端处的地表位置)到(井眼的井下端处的)岩面的温度梯度为50℃/千米。参考图9A，标有“钻杆”的曲线是在给定深度处在管状钻柱内流动的流体的温度，标有“环状部”的曲线是在给定深度处在管与套管之间的环状部内流动的流体的温度，并且标有“岩石”的曲线是在给定深度处的岩石的固有温度。如图9A所示，对热传递提供了一定的隔热，使得在井的底部，岩面处的流体温度为约206℃，而岩石温度为260℃，这表示温度差为约54℃。然而，这样的温度差可能不足以提供足够冷的钻井液流，以冷却井下电子设备或定向钻探设备，或者在岩面处提供冲击冷却效应，或者如上所述的冷钻井液在井眼的井下端处流动的其它优点。在图9A中，岩面处的流体的温度等于在流体已经离开钻头之后在井的底部处的环状部的温度。
参考图8A和图8B描述的涂层和涂层几何形状可以减少在钻探时在管柱中下降的较冷流体与在环状部中返回的较热流体之间的热交换，并且可以导致邻近岩面的岩石的固有温度与岩面处的钻井液的温度之间的差值为至少100℃，即使在邻近岩面的岩石的固有温度为至少250℃的地热环境中也是如此。例如，在如下文所述的本公开的各种实例中，图9B至图9D示出了对井下管(假设如图8A所示的管段)的热传递的热力学模拟的结果。在图9B至图9D所示的模拟中，内部涂层804覆盖管段的整个长度，包括连接接头的内表面。在图9B至图9D中，标有“管”的曲线是在给定深度处在管状钻柱内流动的流体的温度，标有“套管”的曲线是在给定深度处在钻杆与套管之间的环状部内流动的流体的温度，并且标有“岩石”的曲线是在给定深度处的固有岩石温度。钻井液在地表处流入到管中、流经BHA、流经钻头、经过岩面并流入到环状部中。岩面处的钻井液的温度大约等于井的底部处的环状部内的流体的温度。
图9B示出了用于包括标准碳钢杆的实例的热力学热传递模拟，其中内部涂层804包括厚度为400μm的环氧酚醛TK340XT(并且没有外部涂层806)。该模拟假设水钻井液以每分钟约3.5立方米的流量泵送，从地球的地表到岩面的温度梯度为约50℃/千米。如图9B所示，与图7相比，该实例提供了增加的温度差；即，在5000米处为约91℃。
图9C示出了用于包括标准碳钢管的实例的热力学热传递模拟，其中内部涂层804包括厚度为400μm的环氧酚醛TK340XT，并且外部涂层806包括5mm的电子玻璃护套。该模拟假设水钻井液以每分钟约3立方米的流量泵送，从地表到岩面的温度梯度为约60℃/千米。如图9C所示，该实例在8000米处提供了约346℃的温度差。
图9D示出了用于包括标准碳钢杆的实例的热力学热传递模拟，其中内部涂层804包括厚度为250μm的环氧酚醛TK34，并且外部涂层806包括2.5mm的电子玻璃护套。该模拟假设水钻井液以每分钟约3.5立方米的流量泵送，从地表到岩面的温度梯度为约40℃/千米。如图9D所示，该实例在9000米处提供了约196℃的温度差。
图10示出了可以用于参考图9C和图9D描述的实例钻探井所处的最大岩石温度随着从地球地表到(在井眼的井下端处的)岩面的热梯度的变化，并且假设在岩面处离开钻头的钻井液的温度不应超过约150℃。上部曲线1002对应于参考图9C描述的实例。例如，使用参考9C描述的实例，在1004点处，温度梯度为约60℃/千米，并且最大可钻探岩石温度为约483℃。下部曲线1006对应于参考图9D描述的实例。例如，使用参考9D描述的实例，在1008点处，温度梯度为约40℃/千米，并且最大可钻探岩石温度为约335℃。
在本公开的一些实例中，代替或除了管段220上的涂层804和806，可以向钻探系统的钻井液(例如，图2的钻井液212)添加相变材料，诸如冰块或干冰。相变材料在其发生相变(例如，融化)时可以吸收热能。在本公开的一些实例中，可以以足够的流量泵送钻井液，使得相变材料在钻头附近发生相变。
在本公开的一些实例中，可以向图2的系统添加热交换器，以在钻井液212从井眼202返回并在井下再循环时冷却钻井液。在本公开的一些实例中，这样的热交换器可以定位在地表位置。
所有的钻井液不一定必须流经钻头以实现本文所述的结果。钻井液的一部分也可以通过位于钻头附近或BHA附近的端口或其它装置而从管进入到环状部中。如果底孔组件内的部件具有流动限制，则这样的构造可以使流量更高。
图11示出了对通过环状部和四个不同构造的管的热传递的阻力，即，热阻。当冷钻井液通过管在井下循环并通过环状部回升时，环状部中的钻井液被地下区域的周围岩石加热到T环状部。环状部中的钻井液进而将管内部的钻井液加热到T管。在每个实例中，通过填充有钻井液的环状部的主要的热传递机制是对流。流动的钻井液(不完善的对流介质)呈现热阻R对流,环状部。在一段未隔热的碳钢管(碳钢)的情况下，钢是不完善的传导介质，并呈现附加的(串联的)热阻R传导,钢。最后，在填充有钻井液的管内加热流动的钻井液本身的主要的热传递机制是对流。钻井液呈现附加的(串联的)热阻R对流,管。当管被隔热涂层(带涂层的碳钢)完全覆盖时，涂层呈现附加的(串联的)热阻R传导,涂层。当使用带有钢箍(接头)的复合材料管(复合材料和复合材料+带涂层的箍)时，复合材料管和碳钢呈现并联的热阻(分别为R传导,复合材料和R传导,钢箍)。换言之，热阻较低的材料(即，隔热性较差的材料)对管段的总热阻具有较大影响。由于复合材料的热阻通常高于钢的热阻，所以仅涂覆钢箍就能使管段的总热阻显著增加。
图12示出了根据本公开的实例的第二隔热环状部的形成。参考图12描述的本公开的实例将会参考图2的钻探系统200的部件来描述。参考图12，在钻柱206的井下端处，正在使用钻头208钻探井眼202。钻井液212沿着钻柱206流下，并从钻头208流出。环状部216被限定在井眼202的下部部分，位于钻柱206的外部与井眼202之间。中间管柱1202定位在井眼内，使得钻柱206定位在中间管柱1202内，从而在钻柱206的外部与中间管柱1202的内部之间形成内部环状部1204，并且在中间管柱1202的外部与井眼202之间形成外部环状部1206，内部环状部1204和外部环状部1206中的每个至少部分沿钻柱206的长度向井下延伸。在本公开的一些实例中，内部环状部1204可以填充有隔热材料。在本公开的一些实例中，隔热材料是气体，从而形成一个“气体覆盖层(gas blanket)”。在本公开的其它实例中，代替或除了气体，内部环状部1204可以填充有泡沫或隔热油或具有低热导率的任何流体或材料。
内部环状部1204将向下流动的钻井液212与外部环状部1206中的被加热的、向上流动的流体隔开。图13A和图13B是井系统中的井眼流体温度的比较。图13A示出了在没有隔热中间管柱的钻探系统中随深度变化的预测出来的钻井液温度，并且图13B示出了在具有隔热中间管柱的钻探系统中随深度变化的钻井液温度，该隔热中间管柱提供了填充有隔热气体的内部环状部，如参考图12所描述的那样。尽管在气体覆盖层的底部下方没有隔热层的情况下，井的底部部分继续加热，但岩面处的温度仍然被急剧冷却。本示例中的内部环状部1204仅延伸到最后的套管柱的底部，然而，(主井眼和/或从主井眼钻探出的横向井眼的)岩面处仍然实现了显著的冷却。由于密度低得多，隔热流体覆盖层保持在位，并且因此该隔热流体覆盖层基本上漂浮在钻井液的顶部上。
由于“覆盖层流体”的密度较低，因此该覆盖层流体在地表上的井口(未示出)处被加压。管理压力钻探(MPD)技术是一种维持旋转钻杆周围的环状部中的压力的系统。关键性挑战在于密封流体以防其漏过旋转钻杆。近来，已经对MPD系统进行了足够的改进以将加压流体覆盖层保持在位。因此，如果流体覆盖层填充与旋转钻杆同心的内部环状部，则优选地是可以使用现代MPD系统。
这方面的变型是安装另一个套管柱，以产生两个内部环状部(未示出)。一个内部环状部与旋转钻杆、可以填充有覆盖层流体的第二个内部环状部以及加热的钻井液返回所经的外部环状部同心地且相邻地定位。这种设定需要较大井眼的成本和复杂性，从而为附加的环状部腾出空间，然而这避免了使用高压MPD系统，因为内部环状部可以填充有钻井液。
根据本公开的替代实例，为了减少从环状部到管的逆流热传递，使用第二井，该第二井用作钻井液的入口和/或出口。图14示出了这种“滑流井”的示意图。
参考图14，如也参考图2所描述的，在钻柱206的井下端处，正在使用钻头208钻探井眼202。钻井液212沿着钻柱206流向钻头208。环状部216被限定在管柱的外部与井眼202之间。井眼202可以包括主井眼和/或横向井眼。
在图14所示的实例中，井眼202是第一井眼，并且第二井眼1402被钻探以与第一井眼202相交。第二钻井液流1404沿着第二井眼1402流下。第二钻井液流1404提供了在井眼202的井下端(即，靠近钻头208的岩面)处流动的钻井液的至少一部分。第二井眼1402离第一井眼202足够得远，以减少或消除热传递，使得第二钻井液流1404在井眼202的井下端处提供附加冷却。
在本公开的一些实例中，钻井液和切屑可以被定向成沿第二井眼1402向上返回到地表。在这种变型中，不存在被加热流体向上流入到环状部216中，并且因此在相交点1406上方消除了逆流热交换。这种定向流用数字1408以虚线表示。
可以理解，第二井眼1402可以被钻探出来并用来冷却来自地表位置的任何数量的附加井眼/管道。例如，可以通过钻探出四个角部井来构建闭环地热井系统。在四个角部井中的一个角部井完成钻探之后，“滑流”相交井段被堵住并放弃，并钻探出另一相交井段以与角部井中的另一角部井相交。以这种方式，单个井可以多次用来冷却其它井，并且每次仅需钻探出相交井段即可。
用本文所描述的技术对热的岩石进行冲击冷却可能导致在钻探过程中在钻头后方出现一些挑战。冷却增加井眼的抗压强度，但降低抗拉强度。循环钻井液与井眼壁之间的巨大温度差可能导致径向远离井眼的冷却诱发的拉伸裂缝。这些拉伸裂缝可能必须用井眼加强材料(诸如石墨或碳酸钙)或其它损耗循环材料来密封或控制。此外，裂缝可能必须用化学密封剂进行密封，例如硅酸钠或硅酸钾。在钻探过程中进行欠平衡操作是另一种方法，其可以单独使用或与所公开的其它技术一起使用，以减轻钻头后方的拉伸裂缝的影响。特别适合用于电脉冲钻探的一种系统设计将是利用管理压力钻探系统和具有高电阻和低于静水压的等效循环密度的油基钻井液。这将使得在控制井下压力方面具有灵活性，但仍然能为电破碎供应合适的钻井液。
与冲击冷却相关联的另一挑战是诱发的拉伸裂缝有可能传播成剪切裂缝或产生进一步的复杂性，从而导致大量的切屑或从钻头后方的井眼壁上脱落出不同尺寸的岩石碎片。将其它方法与粘稠的钻井液和高流量(>2.5米3/分钟)结合可以移走通过冲击冷却过程生成的额外碎片。在本公开的一些实例中，钻井液可以具有至少80至100秒的Marsh漏斗粘度。通过系统的高粘性流体体积的各种重击或冲扫也将有助于移走额外碎片。较大的碎片循环到地表的成功循环是两个主要参数的作用：环状部流体速度(由流量和环状部容量驱动)和流体流变学(塑料粘度/屈服点(PV/YP)以增加运载能力/降低滑移速度，以及凝胶强度以在进行连接的同时悬浮)。定期进行的低体积/高粘度冲扫的循环可以将大块碎片运送并悬浮到地表。在本公开的一些示例中，可以在地表处捕获(即，过滤并且移走)这些碎片，以防止或减少对基础钻井液的污染。
通过减少在钻探时沿管柱下降的较冷流体与在环状部中返回的较热流体之间的热交换，参考图8A和图8B描述的涂层和涂层几何形状以及参考图12和图14描述的方法和系统还可以减少较高的地层温度对管柱的管段(诸如图2的钻柱206的管段220)的抗拉强度和其它性能的负面影响。
上文描述的用于增强钻井液的冷却的方法、系统和设备可以单独使用或彼此结合使用。
在本公开中，除非上下文另有明确规定，否则使用术语“一”、“一个”或“该”包括一个或一个以上。除非另有说明，否则使用术语“或”指代非排它性的“或”。表述“A和B中的至少一个”与“A、B或A和B”具有相同的含义。此外，应当理解，如果没有以其它方式定义，则在本公开中使用的短语或术语仅用于描述目的而不是限制性的。任何章节标题的使用均旨在帮助阅读本文档，并且不应被解释为限制性的；与章节标题相关的信息可能出现在该特定章节内或该特定章节外。
虽然本公开包含许多具体的实现细节，但这些不应被理解为对主题或可能被要求保护的内容的限制，而是应被理解为对可能特定于具体实现方式的特征的描述。本公开在单独的实现方式的上下文中描述的某些特征也可以以结合的方式实现，或在单一实现方式中实现。反之，在单一实现方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实现方式中单独实现，或以任何合适的子组合实现。此外，尽管先前描述的特征可以被描述为在某些组合中起作用，甚至最初也是如此被要求保护的，但在一些情况下，来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从该组合中删去，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。
已经描述了本发明主题的具体实现方式。然而，可以理解，可以进行各种修改、替换和替代。虽然在附图或权利要求书中以特定的顺序描述了操作，但这不应被理解为要求以所示的特定顺序或按依次顺序执行这种操作，或执行所有示出的操作(一些操作可被视为可选的)，以实现理想的结果。因此，前面描述的示例实现方式并不限定或限制本公开。
Claims (29)
1.一种用于在地下区域中钻探地热井的方法，所述方法包括：
用钻柱在所述地下区域中钻探出所述地热井的井眼，其中，邻近处在所述井眼的井下端处的岩面的岩石的固有温度为至少250摄氏度；以及
在钻探时使钻井液在所述岩面处以一定温度流动，使得邻近所述岩面的所述岩石的固有温度与所述岩面处的所述钻井液的温度之间的差值为至少100摄氏度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，邻近所述岩面的所述岩石的固有温度与所述岩面处的所述钻井液的温度之间的差值导致所述岩面处的所述岩石的热诱导应力大于所述岩面处的所述岩石的抗拉强度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述井眼的井下端位于至少4000米的测量深度处。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述井眼的井下端位于至少6000米的竖直深度处。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，邻近所述岩面的所述岩石的固有温度与所述岩面处的所述钻井液的温度之间的差值为至少175摄氏度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，邻近所述岩面的所述岩石的固有温度为至少350摄氏度，并且邻近所述岩面的所述岩石的固有温度与所述岩面处的所述钻井液的温度之间的差值为至少200摄氏度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，邻近所述岩面的所述岩石的固有温度为至少500摄氏度，并且邻近所述岩面的所述岩石的固有温度与所述岩面处的所述钻井液的温度之间的差值为至少350摄氏度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述井眼是横向井眼。
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述钻柱的井下端包括旋转钻头。
10.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述钻柱的井下端包括无接触钻头，所述无接触钻头被构造用以在所述岩面处破碎地层材料，而不需要所述钻头与所述岩面之间的接触。
11.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，还包括形成闭环地热井系统，其中，所述闭环地热井系统包括所述井眼。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述井眼是横向井眼，并且其中，形成所述闭环系统包括从第一地表井眼钻探所述横向井眼，并通过所述横向井眼将所述第一地表井眼与第二地表井眼相连接。
13.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，邻近所述岩面的所述岩石的固有温度与所述岩面处的所述钻井液的温度之间的差值在所述井眼的井壁的至少一部分中诱发径向拉伸裂缝，并且所述方法还包括用密封材料密封所述径向拉伸裂缝。
14.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述钻柱包括多个管段，其中，所述管段中的至少一个管段包括至少部分地覆盖所述管段的周向表面的涂层，并且其中，所述管柱的带涂层的管壁部分的长度归一化热阻为至少0.002米开尔文每瓦。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述带涂层的管壁部分的长度归一化热阻为至少0.01米开尔文每瓦。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个管段在连接接头处彼此连接，并且其中，所述涂层至少部分地覆盖一个或多个所述连接接头的周向表面。
17.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述井眼是第一井眼，并且所述方法还包括：
形成与所述第一井眼相交的第二井眼；以及
以下至少一项：
使第二钻井液流顺着所述第二井眼流下，其中，所述第二钻井液流提供了在所述岩面处流动的所述钻井液的至少一部分，以及
使钻井液的回流从所述第一井眼的井下端分流到所述第二井眼。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将中间管柱定位在所述井中；
将所述钻柱定位在所述中间管柱内；由此在所述钻柱的外部与所述中间管柱的内部之间形成内部环状部，所述内部环状部至少部分地沿所述钻柱的长度向井下延伸；以及
用隔热材料至少部分地填充所述内部环状部。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述隔热材料包括气体。
20.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，还包括向钻井液添加相变材料，所述相变材料被指定为在所述钻柱的井下端附近发生相变。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述钻柱包括井上部分和井下部分，其中所述井上部分包括第一多个管段，所述井下部分包括第二多个管段，并且其中，所述第一多个管段中的大部分的抗拉强度比所述第二多个管段中的大部分的抗拉强度高至少25％，并且所述第二多个管段中的大部分比所述第一多个管段中的大部分轻至少35％。
22.一种用于在地下区域中形成地热系统的方法，包括：
钻探第一地表井眼和第二地表井眼；
从所述第一地表井眼钻探横向井眼，以在所述地下区域中将所述第一地表井眼与所述第二地表井眼相连接，其中，钻探所述横向井眼包括：
将钻柱定位在所述横向井眼中，其中，所述钻柱限定一管道，以用于使钻井液流向所述横向井眼的井下端处的岩面，以将破碎的地层材料从所述岩面移位出来；
用所述钻柱将所述横向井眼进一步钻入到所述地下区域中，其中，邻近处在所述横向井眼的井下端处的所述岩面的所述岩石的固有温度为至少250摄氏度；以及
使所述横向井眼中的所述钻井液在所述岩面处以比邻近所述岩面的所述岩石的固有温度低至少100摄氏度的温度流动；
从所述横向井眼中移走所述钻柱；以及
使工作流体在所述第一地表井眼、所述第二地表井眼和所述横向井眼中以闭环方式循环。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括从所述工作流体中提取热能。
24.一种用于在地下区域中的地热井中钻探井眼的系统，其中，邻近处在所述井眼的井下端处的岩面的岩石的固有温度为至少250摄氏度，所述系统包括：
钻柱，所述钻柱包括钻头，以破碎所述岩面处的地层；以及
钻井液，所述钻井液在所述岩面处以一定温度循环，使得邻近所述岩面的所述岩石的固有温度与所述岩面处的所述钻井液的温度之间的差值为至少100摄氏度。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，邻近所述岩面的所述岩石的固有温度与所述岩面处的所述钻井液的温度之间的差值导致所述岩面处的所述岩石中的热诱导应力大于所述岩面处的所述岩石的抗拉强度。
26.根据权利要求24所述的系统，其中，所述井眼的井下端位于至少4000米的测量深度处。
27.根据权利要求24所述的系统，其中，邻近所述岩面的所述岩石的固有温度与所述岩面处的所述钻井液的温度之间的差值为至少175摄氏度。
28.根据权利要求24所述的系统，其中，邻近所述岩面的所述岩石的固有温度为至少350摄氏度，并且邻近所述岩面的所述岩石的固有温度与所述岩面处的所述钻井液的温度之间的差值为至少200摄氏度。
29.根据权利要求24所述的系统，其中，所述井眼是横向井眼。
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