林朝光／台灣中油股份有限公司
地熱鑽井在整個地熱發電開發計畫中扮演著重要角色，其可提供地熱資源評估和地熱發電營運規劃所需之直接證據。現今的地熱鑽井技術中，以傳統泥漿鑽井與充氣泥漿鑽井最為普遍。本文介紹充氣泥漿鑽井技術在地熱鑽井領域之應用及作者於日本八丁原地區的實作經驗。未來，台灣地熱開發或可利用充氣泥漿鑽井技術鑽鑿地熱井，除能減少鑽井泥漿之不循環現象且不會破壞儲集層，更能有效提升鑽進率和產能。
【內文精選】
鑽井技術簡介
為了取得地下資源，必須進行各式鑽井(Drilling)工程，如鑽鑿水井抽取地下水資源、油氣井開採石油和天然氣、地熱井開發地熱發電以及地質井探勘地下地質特性等。鑽井設備包含動力系統、捲揚系統、旋轉系統、循環系統、井架與底座、防噴系統及監控系統。
鑽井為高風險作業，井本身會否崩塌受鑽井泥漿與地層壓力影響，而地層壓力則與井的垂直深度呈正相關。當鑽井泥漿壓力高於破裂壓力曲線時，井孔會發生破裂；倘若鑽井泥漿壓力低於坍塌壓力曲線，則井孔會崩塌（圖一）。而藉由控制鑽井泥漿壓力便能安全鑽達預定深度且避免目標層受到汙染。
圖一、深度與地層壓力關係概念示意圖
充氣泥漿鑽井
地熱鑽井工法基本上與油氣井鑽鑿相似，兩者所使用之工具設備及技術流程大同小異，最大的差別在於地熱鑽井的地層溫度較高和容易面臨鑽井泥漿漏漿的問題。然上述狀況都可藉由調控鑽井泥漿的比重與壓力加以排除和避免，以順利達到安全鑽至目標深度又不會汙染熱儲集層通道之目的。
充氣泥漿鑽井(Aerated Mud Drilling)是一種負壓鑽井技術。方法是將空氣壓縮後加入鑽井泥漿中，造成人工氣切降低鑽井泥漿的比重，使井孔中的靜水壓力(Hydrostatic Pressure)低於地層壓力。因空氣具有可壓縮之特性，在井底的靜水壓力大，空氣被高度壓縮，造成該處的鑽井泥漿比重最大；反之，在井口的靜水壓力小，空氣會因此膨脹，從而導致鑽井泥漿的比重減小。是故鑽井泥漿柱壓量測在規劃執行充氣泥漿鑽井工程時尤為重要。
2. 空氣量/泥漿量
充氣泥漿鑽井工程中之空氣排量是以標準溫壓條件狀態而言，不同的海拔高度、大氣壓力、氣溫、流體溫度均會對其有所影響，故需經校正計算。鑽井工程中普遍採用孔流板測定氣體流量，而孔流板參數、大氣壓力、溫度、氣體比重等因子亦與之相關。
鑽井工程師根據理論計算出不同配比之空氣量/泥漿量（5:1、10:1、20:1）、靜水壓力及深度間的變化趨勢，製成關係圖方便現場工作者快速查詢參考。是故依據已知深度井之井內量測資料，如：井下靜水壓力減少量或鑽井泥漿洩降量，查詢圖三後可得知充氣泥漿中空氣量/泥漿量的建議比值。
圖三、靜水壓力變化與充氣泥漿中空氣量/泥漿量之比例關係示意圖
充氣泥漿鑽井技術實例
充氣泥漿鑽井技術最早應用於地熱領域為西元1978年至1982年時期，由紐西蘭地熱能源有限公司(GENZL)在參與肯亞Olkaria地熱田及日本本州Kakkonda地熱田鑽鑿計畫時所發展。至今數十年，先後被多個國家所採用。
1. 日本八丁原經驗
台灣在這股世界的浪潮中並無缺席，中油公司曾於西元1980年代前後4次參與日本九州八丁原地區的地熱鑽井工程。中油公司在八丁原地區鑽鑿的地熱井溫度最高達250˚C，遠高於當地既有的幾口淺井。數年間多次的鑽井經驗在日本做出口碑，屢獲當地業界矚目及好評，中油探勘隊一夕之間在日本聲名大噪，自此台灣的地熱鑽井技術亦向前邁進了一大步。
2. 操作實務
充氣泥漿鑽井之操作實務主要可分為4步驟說明：下鑽、鑽進及接管、鑽進中測井、起鑽，詳細程序列於表一。而用來操作控制空氣注入或排放之工作檯面循環歧管配置…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》401期，更多資料請見下方附檔。