內(nèi)插管式氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在基巖地?zé)峋械膽?yīng)用

生龍，張晴，馮帆，肖軍，任洪成，顏丙生

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省地礦工程勘察院)，山東 濟(jì)南 250014；2.臨沂經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)管委會(huì)，山東 臨沂 276002)

0 引言

地?zé)崾且环N清潔、蘊(yùn)藏量豐富的綠色能源，地?zé)崮艿拈_發(fā)利用能夠有效地替代經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)石化能源的需求，減少二氧化碳及硫化物的排放量，提高生態(tài)環(huán)境保護(hù)水平[1-3]。地?zé)峋菍?shí)現(xiàn)地?zé)衢_發(fā)的主要途徑，地?zé)豳x存于裂隙發(fā)育、涌水或漏水地層中，正循環(huán)鉆進(jìn)工藝攜渣能力差，易造成鉆頭重復(fù)破碎，降低鉆進(jìn)效率，同時(shí)易造成含水層通道堵塞，影響涌水量，增加洗井難度，在地?zé)峋貏e是生產(chǎn)層鉆進(jìn)存在諸多弊端[4-6]。氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)和氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝具有特殊的優(yōu)勢(shì)。

(1)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)。氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)效率較高，最多比常規(guī)鉆井工藝高10倍以上，特別是在淺井和中深井、較硬地層中施工更具優(yōu)勢(shì)[7-9]。但在地質(zhì)條件復(fù)雜、坍塌掉塊、含水、漏失和涌水地層鉆進(jìn)時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)潛孔錘正常鉆進(jìn)，應(yīng)用受限。

(2)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)。采用雙壁鉆桿將壓縮空氣經(jīng)氣水龍頭、雙壁鉆桿的環(huán)狀通道進(jìn)入氣水混合器，壓縮空氣與鉆井液混合形成低比重氣水混合物，氣水混合物將鉆井液提升并攜帶井底巖屑，形成反循環(huán)流動(dòng)。氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)已在地?zé)峋┕ぶ蝎@得廣泛應(yīng)用[10-14]，具有純鉆進(jìn)時(shí)間利用率高，鉆進(jìn)時(shí)不受井內(nèi)水位深度的制約，對(duì)孔壁沖刷小，利于維護(hù)孔壁穩(wěn)定，巖屑不進(jìn)入含水層和裂隙，孔內(nèi)干凈，利于保護(hù)熱儲(chǔ)水層。

1 工程概況

1.1 地?zé)岬刭|(zhì)概況

沂南智勝湯泉1號(hào)地?zé)峥辈榫挥谝拭缮絽^(qū)東部之沂南盆地內(nèi)，地?zé)崽锍蔁崮Ｊ綄儆陂_放—對(duì)流—腔管狀型和弱開放—對(duì)流傳導(dǎo)—帶狀層狀型[15-16]。地層基底為新太古代泰山巖群，上覆寒武系、奧陶系、第四系。研究區(qū)內(nèi)中生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)顯著，斷裂及巖漿巖侵入發(fā)育，巖性以閃長(zhǎng)巖及閃長(zhǎng)玢巖為主，與灰?guī)r接觸帶熱變質(zhì)作用形成了大理巖、結(jié)晶灰?guī)r。鉆孔實(shí)際揭露地層，巖漿巖占比60%～70%，揭露地層見表1。

表1 沂南智勝湯泉1號(hào)地?zé)峥辈榫衣兜貙?/p>

研究區(qū)主要控?zé)針?gòu)造為沂沭斷裂帶的西支鄌郚-葛溝斷裂，斷裂及巖漿巖局部侵入形成大量裂隙為地下水的儲(chǔ)存、運(yùn)移和深循環(huán)加溫提供了空間。熱儲(chǔ)層為寒武紀(jì)大理巖及結(jié)晶灰?guī)r，蓋層為巖漿巖，致密堅(jiān)硬，保溫隔水性能好，對(duì)下伏熱儲(chǔ)層起到了很好的保溫作用。

1.2 井深結(jié)構(gòu)及施工工藝選擇

在地?zé)峥辈榫@進(jìn)施工中，0～30m采用了泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，30～438.76m采用了氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝，井深結(jié)構(gòu)見表2。鉆至438.76m時(shí)，遇強(qiáng)含水層，由于水位較高背壓增加，空壓機(jī)風(fēng)壓不能滿足潛孔錘鉆進(jìn)壓力。地層漏失嚴(yán)重、孔壁不穩(wěn)定，卡鉆，正循環(huán)牙輪鉆進(jìn)需要消耗大量沖洗液(水量)，現(xiàn)場(chǎng)不能滿足，正循環(huán)工藝無法實(shí)施，應(yīng)采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝。

表2 井身結(jié)構(gòu)表

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，需滿足沉沒比α≥0.5要求，沉沒比α為水面以上雙壁鉆桿長(zhǎng)度與沉入水面以下雙壁鉆桿長(zhǎng)度之比[17](圖1)，其公式(1)：

圖1 氣舉反循環(huán)工藝示意圖

(1)

式中:α為沉沒比；hd為水面以上雙壁鉆桿長(zhǎng)度/m;hs為沉入水面一下雙壁鉆桿長(zhǎng)度/m。

當(dāng)孔深為438.76m時(shí)，鉆孔水深為21.80m，主動(dòng)鉆桿+氣水龍頭等長(zhǎng)度取15.0m，則有：

(2)

由公式(2)計(jì)算可知，沉沒比完全滿足氣舉反循環(huán)要求。

常規(guī)氣舉反循環(huán)工藝，鉆具太重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)使用的SPC-600型鉆機(jī)的卷揚(yáng)起重能力，需要更換鉆機(jī)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)鉆桿和鉆具也要更換，造成施工成本大幅度增加，更換鉆機(jī)和鉆具需要消耗大量人力、財(cái)力、時(shí)間。在原有設(shè)備和鉆桿不變的情況下，提出了內(nèi)插管式氣舉反循環(huán)工藝并進(jìn)行了鉆具研制。

2 內(nèi)插管式氣舉反循環(huán)工藝

2.1 主要施工設(shè)備

主要施工設(shè)備(鉆具)見表3。

表3 主要施工設(shè)備(鉆具)

2.2 工作原理及關(guān)鍵部件研制

內(nèi)插管式氣舉反循環(huán)工作原理：空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)進(jìn)氣管和內(nèi)氣管流入到氣水混合器中，壓縮空氣與鉆桿內(nèi)的含巖屑沖洗液混合后，形成低比重的氣水固混合物[18-20]。低比重的氣水混合器產(chǎn)生的液柱壓力小于鉆孔和鉆桿之間沖洗液液柱壓力，使混合物以較高速度沿內(nèi)外管環(huán)狀間隙向上流動(dòng)，與鉆孔沖洗液形成循環(huán)，從而將孔底的巖屑連續(xù)不斷帶出地表。主要組成部件有空壓機(jī)、進(jìn)氣管、密封器、內(nèi)管氣管接頭、內(nèi)管、外管(Φ89鉆桿)、氣液混合器、單壁鉆桿、鉆鋌、牙輪鉆頭、排渣管、泥漿池和孔口套管，如圖2所示。其中，需要改進(jìn)、加工的關(guān)鍵部件有密封器、內(nèi)氣管接頭和氣水混合器，其他部分均與正循環(huán)牙輪鉆進(jìn)設(shè)備相同。

圖2 內(nèi)插管式氣舉反循環(huán)結(jié)構(gòu)組成

(1)密封器。密封器位于氣水龍頭上部，設(shè)計(jì)有密封裝置。密封器設(shè)計(jì)原理為利用密封器上蓋對(duì)橡膠圈擠壓產(chǎn)生變形進(jìn)行密封?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)密封效果良好，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，易于操作，每次只需加減橡膠墊。密封器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖3，實(shí)物照片見圖4。

圖3 密封器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖4 密封器實(shí)物照片

(2)內(nèi)氣管接頭。內(nèi)管選用1寸水管，內(nèi)管接頭采用反扣螺紋連接，采用1∶16細(xì)絲螺紋，進(jìn)行表面淬火以提高接頭硬度，以保證在單壁鉆桿高速旋轉(zhuǎn)過程中，有效防止內(nèi)管脫扣造成孔內(nèi)事故?，F(xiàn)場(chǎng)使用過程中未出現(xiàn)脫扣事故，性能穩(wěn)定。內(nèi)氣管接頭結(jié)構(gòu)及實(shí)物照片見圖5。

圖5 內(nèi)氣管接頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及實(shí)物照片

(3)氣水混合器。氣水混合器是氣舉反循環(huán)最關(guān)鍵部件其主要作用是高壓壓縮空氣與鉆井液充分混合，形成低密度氣水混合物向上流動(dòng)。與常規(guī)氣舉反循環(huán)鉆具不同的是本文研究的氣水混合器內(nèi)管是氣體到外管(鉆桿/單壁鉆桿)和內(nèi)管的環(huán)狀間隙為氣水固通道，為減小壓縮空氣對(duì)上返沖洗液的阻力，氣水混合器最下端為倒圓錐形，氣水混合器的氣孔可以設(shè)計(jì)為水平孔式、斜孔焊導(dǎo)式、斜孔鉆導(dǎo)式，如圖6所示。

水平氣孔：該方案是垂直內(nèi)管封底鉆孔，氣孔直徑為3mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，排泄顆粒粒徑2～3mm，粉狀居多，中硬地層中機(jī)械鉆速為0.5m/h，當(dāng)風(fēng)壓、風(fēng)量較大時(shí)，機(jī)械鉆速降低,見圖6(a)。

斜孔式氣孔：該方案利用氣體射流理論，在環(huán)狀間隙中氣孔上部形成低壓區(qū)，可迫使形成的氣水混合物向上快速流動(dòng)，氣孔直徑為3mm且向上傾斜30°。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，排泄顆粒粒徑5～8mm，粒狀居多，中硬地層中機(jī)械鉆速為0.8m/h，見圖6(b)。

斜孔焊接噴射式噴氣嘴：在斜孔鉆導(dǎo)氣孔式基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將氣孔擴(kuò)大設(shè)計(jì)插有內(nèi)徑3mm的噴射導(dǎo)氣管，該方案充分利用射流原理，使壓縮空氣產(chǎn)生噴射氣流，在內(nèi)外管環(huán)狀間隙形成大的負(fù)壓區(qū)，氣水固混合物流動(dòng)速度更快，攜帶更大顆粒巖屑。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，排泄顆粒粒徑5～10mm，巖屑均為粒狀，中硬地層中機(jī)械鉆速為1.0m/h，本次施工主要采用本方案，見圖6(c)。

(a)水平氣孔式；(b)斜孔式氣孔；(c)斜孔焊接噴射式噴氣嘴圖6 氣水混合器示意圖

2.3 施工工藝

2.3.1 鉆具組成

鉆具組成為：Φ215牙輪鉆頭+Φ121鉆鋌+Φ89鉆桿+主動(dòng)鉆桿，內(nèi)管置于主動(dòng)鉆桿和Φ89鉆桿內(nèi)部，下入井內(nèi)深度約75m，鉆壓為30～50kN，轉(zhuǎn)速30r/min，風(fēng)量6m3/min，風(fēng)壓1MPa。

2.3.2 施工流程

(1)提鉆流程

①主動(dòng)鉆桿與鉆桿卸開，提升主動(dòng)鉆桿至內(nèi)管系統(tǒng)的第一接頭處，用小墊叉將井內(nèi)內(nèi)管卡好并固定在第一根鉆桿上，人工卸開內(nèi)管，繼續(xù)提升主動(dòng)鉆桿與內(nèi)管至最高位置。

②通過卷揚(yáng)機(jī)利用內(nèi)管專用提引接頭逐根提出井內(nèi)內(nèi)管，內(nèi)管接頭全部由人工卸開。

③將鉆桿及鉆鋌逐根提出孔外。在提鉆時(shí)應(yīng)注意先將內(nèi)管全部提出，再提出鉆桿。

(2)加桿流程

①主動(dòng)鉆桿與鉆桿卸開，提升主動(dòng)鉆桿至內(nèi)管系統(tǒng)的第一接頭處，用小墊叉將井內(nèi)內(nèi)管卡好并固定在第一根鉆桿上，人工卸開內(nèi)管，繼續(xù)提升主動(dòng)鉆桿與內(nèi)管至最高位置。

②將編好的鋼絲繩放于鉆桿內(nèi)部，將提引器與鉆桿上端連接并提起鉆桿，然后將鉆桿下端鋼絲繩與內(nèi)管提引接頭用安全環(huán)連接，再擰緊鉆桿，將鉆桿下入井內(nèi)，用墊叉固定鉆桿后摘下提引器，將鉆桿上端鋼絲繩與提引器連接，將內(nèi)管提至鉆桿最上部，并用小墊叉固定。

③下放主動(dòng)鉆桿，先將主動(dòng)鉆桿中的內(nèi)管與井口的內(nèi)管人工上緊，再將主動(dòng)鉆桿與井內(nèi)鉆桿上緊，完成加桿。

3 應(yīng)用效果分析

在該地?zé)峥辈榫@進(jìn)施工中，鉆至438.76m時(shí)，采用了內(nèi)插管式氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝。解決了強(qiáng)含水、漏失嚴(yán)重、孔壁不穩(wěn)定、易卡鉆等復(fù)雜地層施工問題。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，與常規(guī)正循環(huán)牙輪鉆進(jìn)、鋼粒鉆進(jìn)相比，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)孔底干凈，巖屑為顆粒狀，不產(chǎn)生重復(fù)碎巖，鉆頭使用壽命長(zhǎng)，施工效率也大幅度提高，在堅(jiān)硬段地層純機(jī)械鉆速達(dá)0.4m/h，中硬段地層純機(jī)械鉆速可達(dá)1.0m/h。

與常規(guī)氣舉反循環(huán)相比，大幅度減少了成本投入，技術(shù)應(yīng)用所花費(fèi)材料及加工費(fèi)用等僅為3000余元，遠(yuǎn)低于常規(guī)氣舉反循環(huán)設(shè)備和鉆具調(diào)配、使用費(fèi)用。配套鉆具總成重量小，僅為雙壁鉆具的30%～40%，大幅度減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，可使用原有鉆探設(shè)備、鉆桿和鉆具，鉆機(jī)提升能力和鉆探承載能力不需要改變。

鉆進(jìn)過程中井內(nèi)安全未出現(xiàn)卡、埋事故。鉆井液利用孔內(nèi)清水，對(duì)含水層未產(chǎn)生污染、堵塞，極大限度的保證了用水量，實(shí)現(xiàn)了綠色地?zé)峥辈?，同時(shí)工藝巖樣采取率為100%，為地?zé)峥辈樘峁┝苏鎸?shí)、可靠的實(shí)物資料。 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)過程又是洗井過程，可在鉆井結(jié)束后直接進(jìn)行抽水試驗(yàn)，大幅度節(jié)省了下泵洗井費(fèi)用。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，內(nèi)插管式氣舉反循環(huán)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝較為合理，是水井、淺中深度地?zé)峋鰪?qiáng)含水、漏失(涌水)、復(fù)雜地層鉆探施工行之有效的解決方法。

(2)內(nèi)插管式氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝不需要更換原有鉆機(jī)設(shè)備、鉆桿和鉆具，原鉆機(jī)提升能力完全滿足，適合較小的鉆機(jī)推廣應(yīng)用，例如SPC-300、SPC-600等小型鉆機(jī)均可使用。

(3)部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)應(yīng)用門檻較低，所需材料費(fèi)及加工等費(fèi)用可低至幾千元，無需向?qū)I(yè)廠家購(gòu)買，利于根據(jù)鉆探工程需要隨時(shí)配套、使用。