氣舉反循環(huán)鉆進工藝在貴州地熱井中的推廣應用

王 劍， 王 虎， 李 勇， 趙華宣， 陳 怡， 蘭永飛

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊，貴州 貴陽 550008；2.貴州地質(zhì)工程勘察設計研究院，貴州 貴陽 550008；3.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊，貴州 遵義 563000)

0 引言

地熱資源集熱、水、礦為一體[1]，是一種清潔和可再生的低碳能源[2]，在供暖[3-4]、發(fā)電、洗浴、醫(yī)療保健[5]、礦泉飲用、種植與養(yǎng)殖等方面應用廣泛[6]。貴州省地熱資源豐富，但開采水平不高[7]，所以不斷加強地熱資源分布及水化學特征和規(guī)律等方面的綜合研究[8]對做好本省地熱資源勘查與開發(fā)具有重要意義。

隨著鉆探工藝技術的不斷進步，地熱鉆井正從單一的正循環(huán)沖洗液回轉(zhuǎn)鉆進為主[9-10]，向螺桿鉆進工藝[11]、空氣正循環(huán)取心鉆探[12]、空氣潛孔錘鉆進工藝[13]、氣舉反循環(huán)鉆進工藝[14]及多工藝復合鉆進發(fā)展[15-16]。由于貴州省地層巖性多變，地質(zhì)條件極為復雜，主要表現(xiàn)為溶蝕洞隙發(fā)育、軟硬互層較多、水敏地層分布廣泛、地下水賦存及活動形式多樣等，加之地熱鉆井目的層多為斷層破碎帶，鉆探難度大，單一的鉆進工藝往往鉆進效率低下，施工成本也居高不下。為提高地熱鉆井施工效率與經(jīng)濟效益，貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局(簡稱“貴州省地礦局”)及其下屬各單位近年來不斷開展深井鉆探工藝技術研究工作，目前已經(jīng)建立了集常規(guī)牙輪正循環(huán)鉆進工藝、氣舉反循環(huán)鉆進工藝[17]、螺桿鉆進工藝[18]、空氣潛孔錘鉆進工藝[19-20]等多工藝復合鉆進體系[21-22]，已在20余口鉆井中得到推廣應用。使得貴州省地熱深井施工效率和經(jīng)濟效益顯著提高。

1 貴州省地熱井鉆探概況

1.1 主要鉆探設備

包括鉆機、泥漿泵、固控系統(tǒng)等。鉆機以水源鉆機為主，主要為RPS或SPS系列鉆機，鉆進深度2000～3200 m不等。隨著鉆井設備的發(fā)展和市場需求，石油鉆機和全液壓動力頭車載鉆機被大量引入地熱深井鉆探施工，石油鉆機主要型號為ZJ20和ZJ30型等，車載鉆機主要型號有德國寶峨RB-T100型多功能全液壓鉆機、國產(chǎn)CMD-150型大噸位全液壓動力頭模塊化鉆機等。2010年前，貴州省地熱深井鉆探主要使用3NB-350型和3NB-500型泥漿泵，隨著鉆井工藝的進步，目前已逐漸被3NB-1300型和F-800型等更為強大的泥漿泵所取代。為了加強沖洗液的固相控制，包含振動篩、除氣器、除砂器、除泥器、離心機等設備的固控系統(tǒng)也逐漸成為貴州省深井鉆探隊伍的標配(見表1)。

表1 貴州省地熱井主要鉆探設備配套

1.2 井身結構

根據(jù)不同深度、地層和巖性，貴州省地熱深井一般采用三開或二開井身結構，分別見圖1和圖2。

圖1 三開井身結構

圖2 二開井身結構

2 氣舉反循環(huán)鉆進工藝原理

氣舉反循環(huán)鉆進工藝工作原理是將壓縮空氣沿空氣輸送通道送入一定深度后，使壓縮空氣與鉆桿內(nèi)的沖洗液混合，混合后的沖洗液密度下降，致使鉆桿內(nèi)外沖洗液產(chǎn)生壓差，沖洗液在壓差的作用下沿鉆桿以較高的速度上返，從而將孔底的巖屑連續(xù)不斷地帶出地表，排入沉淀池，沉淀后的泥漿再流回孔內(nèi)，補充循環(huán)液的空間，如此不斷循環(huán)形成連續(xù)鉆進的過程[23]。該工藝是一種欠平衡鉆井工藝，在溶蝕洞隙及裂隙發(fā)育層段，沖洗液有漏失的情況下仍能保持較好的機械鉆速，具有鉆進效率高、鉆頭壽命長、成井質(zhì)量好等特點，在地熱井熱儲層中鉆進時，可以實現(xiàn)鉆進即洗井，減去了洗井程序，可有效地縮短工期、降低施工成本[24]。

氣舉反循環(huán)鉆進工藝所用鉆具分雙壁鉆桿和懸吊式鉆桿兩種形式。圖3為雙壁鉆桿氣舉反循環(huán)鉆進工藝原理示意圖，其空氣輸送通道為雙壁鉆桿內(nèi)管和外管之間的環(huán)狀空隙，壓縮空氣在氣水混合器處進入雙壁鉆桿內(nèi)管，實現(xiàn)氣體、液體、固體三相流混合。

圖3 雙壁鉆桿氣舉反循環(huán)鉆進工藝原理

圖4為懸吊式氣舉反循環(huán)鉆進工藝原理示意圖，其空氣輸送通道為插在單壁鉆桿內(nèi)的空氣管，高壓空氣從空氣管底部的出氣孔進入單壁鉆桿內(nèi)與鉆桿內(nèi)的氣體、液體、固體三相流混合。

3 設備配套及鉆具組合

3.1 設備配套

除常規(guī)鉆探設備外，氣舉反循環(huán)鉆進工藝還需要配備適合的空壓機以提供壓縮空氣。同時，為了及時判斷地層情況，還需要使用反循環(huán)連續(xù)取樣排渣裝置。氣舉反循環(huán)鉆進工藝要求空壓機高壓力、低風量，一般選擇風量10～16 m3/min，啟動風壓6～15 MPa，目前貴州省地熱深井施工中主要使用風量10 m3/min、壓力15 MPa的國產(chǎn)活塞+螺桿復合式電動空壓機。

圖4 懸吊式氣舉反循環(huán)鉆進工藝原理

3.2 鉆具組合

雖然氣舉反循環(huán)鉆進工藝鉆具分為雙壁鉆桿和懸吊式兩種鉆桿，但市場上主要以雙壁鉆桿為主。目前貴州省地熱深井一般使用?127 mm雙壁鉆桿，單壁鉆桿根據(jù)情況可選擇使用?127或89 mm兩種規(guī)格；此外，轉(zhuǎn)盤鉆機和全液壓動力頭鉆機因鉆機結構不同，也有一定的區(qū)別，轉(zhuǎn)盤鉆機通過氣盒子實現(xiàn)反循環(huán)，而全液壓動力頭鉆機一般也通過氣盒子送氣，只是轉(zhuǎn)盤鉆機氣盒子上下是反扣，動力頭鉆機是正扣，但有些動力頭鉆機的動力頭本身就設計為雙通道，故不需要氣盒子。氣舉反循環(huán)鉆進用鉆具組合見表 2。

表2 氣舉反循環(huán)鉆進工藝鉆具組合

3.3 沉沒比

沉沒比是指氣水混合器下入水中的深度與自混合器算起的揚程高度之比。它是氣舉反循環(huán)鉆進中重要的參數(shù)之一，它的大小直接影響鉆進效率及反循環(huán)的形成[25]。鉆進工藝要求不小于0.5，沉沒比越大，鉆桿內(nèi)外形成的壓力差越大，攜帶巖屑上返的速度就越高，孔底也越清潔，重復破碎機率越小，有利于提高鉆進效率。孔內(nèi)動水位深時可采用向孔內(nèi)補水的方式增加沉沒比以提高鉆進效率。

4 鉆進參數(shù)

氣舉反循環(huán)鉆進工藝的主要參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、風壓、風量等，根據(jù)實踐經(jīng)驗，不同條件下具體鉆進參數(shù)見表3。

表3 氣舉反循環(huán)鉆進工藝參數(shù)

5 關鍵技術措施

為確保該工藝在鉆進中的正常進行，減少孔內(nèi)事故的發(fā)生，達到提高鉆進綜合效益的目的，通過對實施地熱鉆孔的總結分析，在鉆進過程中擬采取如下技術措施。

(1)采用氣舉反循環(huán)鉆進工藝時，應先對所鉆地層的巖性、鉆速及富水程度、動水位進行預測，以選擇合適的沉沒比和風壓，可采用井內(nèi)補水以加大沉沒比。

(2)加減桿及起大鉆時，認真檢查雙壁鉆桿內(nèi)管的完好性及密封性能，有問題及時更換。

(3)下鉆到底前應先送風，待出渣正常后方可鉆進；起鉆(加桿)時，應將鉆渣排盡并待主動鉆桿提出井口后方能停風，以防井內(nèi)液柱反壓造成巖屑堵塞內(nèi)管。

(4)鉆進中應隨時觀測氣壓表的壓力變化和返水量的變化，以判斷雙壁鉆桿內(nèi)管密封性能是否完好。

(5)做好“三看”“二聽”“一及時”，仔細判斷孔內(nèi)情況。三看——看壓力表和進尺速度，看氣壓表和井口返水情況，看膠管跳動和水籠頭接頭情況；二聽——聽機器運轉(zhuǎn)聲音，聽孔內(nèi)震動聲；一及時——發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

(6)氣舉反循環(huán)鉆進時，應加強對井口水溫、水量及井內(nèi)靜、動水位的觀測，以了解井內(nèi)水資源情況。

(7)在裂隙發(fā)育地層、破碎地層及孔壁掉塊時，在鉆頭水眼處加設擋砂板，使井底較大粒徑的巖屑進不了鉆具內(nèi)，以防止堵鉆頭。

(8)復雜地層鉆進井壁欠穩(wěn)定時，可視地層巖性及欠穩(wěn)定情況，從井口補入性能適宜的沖洗液進行護壁。

6 典型應用分析

6.1 工程概況

自2010年以來，氣舉反循環(huán)鉆進工藝已經(jīng)在貴州省內(nèi)地熱井施工中廣泛應用，其中楓香1井較為有代表性。該井0～455 m為寒武系下統(tǒng)明心寺組至牛蹄塘組頁巖、粉砂巖、炭質(zhì)頁巖，為熱儲蓋層；455～1045 m為燈影組儲熱蓄水層。該井鉆井結構如下：

一開井段0～250.15 m，?311 mm井段揭穿第四系后鉆至250.15 m，下入?244.5 mm套管水泥固井；

二開井段250.15～496 m，井徑216 mm，在確認進入燈影組后，下?177.8 mm石油套管水泥固井；

三開井段496～1266.56 m，井徑152 mm裸孔鉆至1266.56 m終孔。

6.2 施工情況簡介

一開井段井深較淺，無法形成足夠的壓差建立反循環(huán)，且地層水敏性強，因此采用牙輪正循環(huán)鉆進工藝鉆進，配合使用聚合物沖洗液護壁。

二開井段250.15～464.4 m采用氣舉反循環(huán)鉆進工藝，鉆至464.4 m后，因檢修空壓機停待時間較長(5 d)，強水敏性的牛蹄塘組井段井壁因頁巖吸水膨脹而崩塌嚴重失穩(wěn)，該井段下部采用牙輪正循環(huán)鉆進、聚合物沖洗液護壁。

三開井段496～644.02 m由于?127 mm雙壁鉆桿返廠家檢修而采用牙輪正循環(huán)鉆進、聚合物沖洗液護壁，鉆至644.02 m遇裂隙，沖洗液失返(水位34.9 m)；下部井段采取氣舉反循環(huán)鉆進工藝。鉆至1159.48 m后直接進行測井和抽水工作，達到勘探目的而終孔。

6.3 氣舉反循環(huán)鉆進工藝應用效果分析

楓香1井鉆進情況統(tǒng)計見表4。

表4 楓香1井鉆進情況統(tǒng)計

從表4可以看出，同樣的井況下，氣舉反循環(huán)鉆進工藝的機械鉆速超過牙輪正循環(huán)鉆進工藝近1倍，提高鉆效明顯。

7 結論與建議

7.1 結論

實踐表明，氣舉反循環(huán)鉆進工藝在貴州省溶蝕裂隙地層地熱井施工中具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)提高了鉆進速度。氣舉反循環(huán)鉆進是將一定壓力的壓縮空氣沿雙壁鉆具輸氣管道送入一定深度經(jīng)混合器進入管內(nèi)循環(huán)液，使混合后的液體密度小于沖洗液(管外)的密度，在井筒與管內(nèi)形成壓差，并在井筒液柱壓力作用下，將管內(nèi)混合的氣液屑以較高的速度向上流動，實現(xiàn)將孔底的巖屑(巖心)連續(xù)不斷地帶出地表。只要輸入的空氣量和壓力足夠，就能實現(xiàn)孔底清潔而避免重復破碎，從而提高了鉆進速度。

(2)減少孔內(nèi)事故的發(fā)生。氣舉反循環(huán)鉆進沖洗液為清水或低粘度沖洗液，減少了沖洗液的粘度，降低了吸附力，可有效減少井內(nèi)事故的發(fā)生；氣舉反循環(huán)鉆進過程中，可有效解決大裂隙井段沖洗液失返的鉆進難題，節(jié)約了堵漏時間和避免了堵漏失敗的風險。

(3)洗井效果明顯。氣舉反循環(huán)鉆進沖洗液為清水時，鉆進過程中的孔底抽吸作用，也起到了疏通裂隙通道的目的，實現(xiàn)了鉆進即洗井，減去了洗井程序，可有效縮短工期、降低施工成本。

7.2 建議

(1)淺井段不適宜采用氣舉反循環(huán)鉆進工藝。由于氣舉反循環(huán)鉆進工藝使用的前提是需要形成足夠的壓差以建立有效的反循環(huán)，因此本工藝使用必須滿足一定的井深，根據(jù)實踐經(jīng)驗，井深至少要達到200 m以深。

(2)破碎地層、水敏性地層不宜采用氣舉反循環(huán)鉆進工藝。