氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在地?zé)峋@探施工中的應(yīng)用

曾遠(yuǎn)明

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義 563000）

地?zé)崾且环N新的綠色能量，它可以有效地降低傳統(tǒng)的燃油消耗，同時(shí)也可以減少二氧化碳和一氧化氮的排放，達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的。目前，地下熱井的施工方式是采用泥漿正向和氣舉式反循環(huán)，對反循環(huán)鉆井技術(shù)進(jìn)行了研究。20世紀(jì)60年代早期，我國地質(zhì)部門和冶金部門相繼開發(fā)了反循環(huán)鉆井設(shè)備。在20世紀(jì)70—80年代早期，國內(nèi)已經(jīng)有了應(yīng)用氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)進(jìn)行鉆井作業(yè)的實(shí)例。在國內(nèi)，采用氣提、反周期鉆井技術(shù)，已經(jīng)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，并收到了很好的效果。

1 氣舉反循環(huán)鉆井工藝的工作原理

與傳統(tǒng)正循環(huán)鉆井的工作方式不同，氣舉式循環(huán)鉆井是將壓縮氣體經(jīng)由氣水龍頭，經(jīng)過雙壁主動(dòng)鉆桿和雙壁鉆桿的內(nèi)外管之間的環(huán)形縫隙，然后用氣-水混合器向內(nèi)管內(nèi)噴射，使氣體在管內(nèi)產(chǎn)生大量細(xì)小的氣泡，這些氣泡與鉆桿內(nèi)管內(nèi)的流體在一起，從而在鉆桿外產(chǎn)生大量的氣體。這樣，在鉆桿內(nèi)管中的氣體和液體的混合氣體與外面的更大比例的沖洗液體間存在著一定的壓差。蒸汽（空氣）、液體（沖洗液）、固體（巖屑）三相的混合液在高速下經(jīng)鉆桿內(nèi)筒排出，將巖粉或巖心從地層中排出?；厮字械臎_洗液體經(jīng)過地表的凈化后進(jìn)入井口。

氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)的工作原理是將壓力氣體通過管道進(jìn)入到某一深度，然后與鉆柱中的沖洗劑進(jìn)行攪拌，攪拌后的沖洗劑濃度降低，導(dǎo)致鉆柱內(nèi)部和外部的沖洗液之間出現(xiàn)壓力差異，通過壓力的變化，在壓力的影響下，井筒底部的碎石被連續(xù)不斷地從表面移出，進(jìn)入沉積室，然后將沉積物重新注入到鉆孔中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)連續(xù)的鉆井。它是一種不均衡的鉆進(jìn)技術(shù)，其鉆進(jìn)效率高，鉆進(jìn)速度快，鉆頭壽命長，成井質(zhì)量好。采用氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)的鉆井工具分為兩種，一種是雙層鉆桿，另一種是懸掛式鉆桿井。它的氣體傳輸通路是一種由雙層鉆桿與外部管道形成的環(huán)形孔洞，通過該孔洞將壓縮氣體送入雙壁鉆桿內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)氣體、液體和固體三相流動(dòng)的混合物。

由于地?zé)豳Y源是一種集熱、水、礦于一體的可再生低碳資源，在供熱、發(fā)電、沐浴、保健、礦泉飲用、種植養(yǎng)殖等領(lǐng)域得到了廣泛的利用。目前，由于鉆探工藝水平的提高，目前的鉆進(jìn)已由單純的正循環(huán)灌漿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為主，轉(zhuǎn)向螺旋鉆進(jìn)工藝、空氣正循環(huán)鉆進(jìn)、空氣潛孔錘鉆工藝、氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，以及多工藝組合鉆進(jìn)工藝。由于地層巖性變化，地質(zhì)情況十分復(fù)雜，以溶蝕洞隙發(fā)育，軟硬護(hù)層較多，水敏地層分布廣泛，地下水賦存和活躍形態(tài)多種多樣，而地?zé)徙@進(jìn)目標(biāo)層多是斷裂斷裂，鉆進(jìn)困難，采用單一工藝鉆進(jìn)工藝，導(dǎo)致鉆進(jìn)效果差，施工費(fèi)用高昂。為了提高地?zé)徙@井的施工效率和經(jīng)濟(jì)效益，地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局及其下屬各單位近年來不斷開展深井鉆探工藝技術(shù)研究工作，目前已經(jīng)建立了集常規(guī)齒輪正循環(huán)鉆進(jìn)工藝、氣舉反循環(huán)工藝、螺桿鉆進(jìn)工藝和氣動(dòng)鉆進(jìn)工藝等綜合工藝，在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 氣舉反循環(huán)在地?zé)峋械膽?yīng)用

空壓機(jī)：采用 LG.VF-10/60的高壓空氣機(jī)組，由KB-100A-1.0MPa的膠帶螺旋壓氣機(jī)和VF-1/10-60活塞式空壓機(jī)組成，其排水量為6.0MPa，額定體積流量10.0m3/min，軸力149kW。螺旋壓氣機(jī)的第一次壓縮達(dá)到1.0MPa，而活塞壓氣機(jī)的第二次壓縮達(dá)到0.0MPa。GZ2000鉆井平臺。深井用閥門-空氣箱裝置。HJ537G三牙輪反循環(huán)鉆頭+10個(gè)φ178鉆鋌+6個(gè)Φ159鉆鋌+Φ114.3單壁鉆桿+混合器+108×108雙壁螺旋鉆桿+雙壁主桿+氣液分離器。

在操作中應(yīng)仔細(xì)地對內(nèi)部管道 O形密封件進(jìn)行檢驗(yàn)。在下鉆時(shí)，應(yīng)對各套管進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)有損壞應(yīng)及時(shí)進(jìn)行替換，以免發(fā)生氣體通路堵塞，從而降低鉆井流體的上返率，使系統(tǒng)無法正常工作。如果在下鉆時(shí)，需要將鉆頭與砂層保持300mm的位置，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，使鉆具循環(huán)，使鉆頭與砂面慢慢地接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)板，將沉沙順利地排放出去。如果速度太慢，會導(dǎo)致大量的泥沙進(jìn)入逆流管道，很容易發(fā)生阻塞。如果出現(xiàn)阻塞，可采用以下措施：先將進(jìn)氣管閥關(guān)上，增加空氣壓縮機(jī)的壓強(qiáng)，迅速猛地開啟氣門，如此多次切換，即可消除阻塞；關(guān)閉壓縮機(jī)，將鉆具上下移動(dòng)，再次打開壓縮機(jī)，如此多次，即可消除阻塞；關(guān)掉進(jìn)氣管閥，使空氣壓縮機(jī)停運(yùn)，用排水孔的高壓管道與鉆井液相連接，并注入適量的泥漿，再加上一定的壓力，可以解除堵塞；可開啟回油器，上沖至鉆具，多次開啟抽油器，可將堵塞消除。以上方法均為無效，采用提升鉆孔工藝。沉沒比是氣舉反循環(huán)鉆井的一個(gè)關(guān)鍵參量，其尺寸對鉆井的反循環(huán)和鉆井效果都會產(chǎn)生很大的影響。對鉆井技術(shù)的需求不低于0.5，隨著鉆井的下沉比例增大，鉆柱內(nèi)部和外部的壓力差異增大，孔底更干凈，反復(fù)破碎的可能性降低，從而提高鉆井的鉆井效果。

氣舉式反循環(huán)鉆井是通過將某一壓強(qiáng)的壓縮氣體，通過攪拌裝置輸送到某一深度，再通過攪拌裝置，將其注入到管中，使得混合后的流體濃度低于清洗液（管外部），在井眼和管中產(chǎn)生壓差，在井眼液柱壓的影響下，將混合的氣體和液渣高速上升，將孔底部的石粉（巖石）排出地面。氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)可以有效地克服大裂縫井段灌漿失回鉆入困難，縮短堵塞周期，降低堵塞失敗，洗井成效顯著。氣舉反循環(huán)鉆井進(jìn)入清洗液為清水時(shí)，鉆孔底部產(chǎn)生了孔底部的抽吸，達(dá)到了清理裂縫的目的，從而減少了洗井工序，縮短了施工周期，降低了施工成本。因?yàn)樵跍\井區(qū)，不適合氣舉-鉆井技術(shù)。因?yàn)闅馀e-鉆井技術(shù)應(yīng)用的先決條件是要有充分的壓力差來建立有效反循環(huán)，所以該技術(shù)所用的技術(shù)要求在井下深度要達(dá)到200m以上，在破碎地層或水敏性地層中應(yīng)用反循環(huán)技術(shù)是不可取的。

3 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝應(yīng)用效果分析

采用氣舉反循環(huán)鉆探技術(shù)，在地質(zhì)勘探中得到了較好的推廣，收到了較好的經(jīng)濟(jì)效益。與常規(guī)牙輪旋轉(zhuǎn)鉆井相比，取得了以下幾個(gè)方面的重要結(jié)果。大幅改善了純鉆石的工作性能。地層主要是由碳酸鹽巖組成，其中，孔徑346mm、215.9mm、152mm的氣舉反循環(huán)比正向鉆井速度分別增加46%、48%和25%，可產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效果。較常規(guī)齒輪回轉(zhuǎn)鉆井，增加了臺月產(chǎn)率，減少了作業(yè)時(shí)間，采用氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)進(jìn)尺1 033.34m，統(tǒng)計(jì)用時(shí)1 175h；與常規(guī)齒輪回旋相比，節(jié)約了33%的時(shí)間。當(dāng)井眼處于平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，可采用水加防崩油進(jìn)行鉆井，節(jié)約鉆井費(fèi)用。與傳統(tǒng)的鉆井法相比，采用逆向循環(huán)鉆井技術(shù)，每個(gè)月可節(jié)約42%的電費(fèi)。鉆井事故率低，采用氣舉反循環(huán)鉆井，鉆井壓力低，井眼清潔，巖石碎石少，旋轉(zhuǎn)力矩低，減少了鉆井意外，避免了沉沙卡鉆。由于無泥漿鉆井，無淤渣，含沙率低，無壓力卡鉆現(xiàn)象。在實(shí)際鉆井過程中，鉆頭的驅(qū)動(dòng)軸損壞，導(dǎo)致孔內(nèi)鉆具無法移動(dòng)，6h后，鉆機(jī)也被輕易地抬起，確保了工程的安全性。即便出現(xiàn)了斷裂的情況，因?yàn)榫矍鍧?，巖石碎片很小，使用公錐進(jìn)行打撈時(shí)也比較方便。為了在涌水層鉆井中增加鉆井的有效性，可以將地下水用作鉆井液，無需進(jìn)行鉆井堵塞，以達(dá)到提高鉆井效率和鉆井時(shí)間的目的。在鉆井過程中，當(dāng)鉆孔深度約40m時(shí)，會出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，造成堵塞的效果不佳，從而降低鉆井的效益，增加鉆井成本。當(dāng)鉆井深度達(dá)到200m時(shí)，由于鉆探過程中出現(xiàn)了涌水現(xiàn)象，采用了氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)，在鉆井過程中可以很好地通過涌水層，從而極大地提升了鉆井的工作效率。降低鉆井流體泄漏，因?yàn)樵阢@井過程中，環(huán)空壓損較低，對地層的影響較低，可以降低或排除鉆井流體泄漏，從而對地下水進(jìn)行有效的維護(hù)。獲得的巖石碎片位置及時(shí)準(zhǔn)確完整，在鉆井的時(shí)候，只要不是巖石的粒徑超出了鉆具的中心孔徑，就可以不進(jìn)行破壞，而是將其直接排放到地面。巖心序列不會出現(xiàn)前后不反轉(zhuǎn)的情況，因?yàn)榱黧w上返速率較高，所以混沌程度較低。巖屑在井中滯留的時(shí)間較少，能夠及時(shí)、精確地反映出遇到的地層狀況。

在氣舉反循環(huán)鉆井中，噴淋液體的上回流速率很高，它的運(yùn)載速度和能力也很大，從巖石粉末到35mm的大到巖石碎石，都可以從鉆井中完全帶走。鉆孔時(shí)，鉆具能一直在潔凈的巖體表面工作，可防止鉆具的磨損和反復(fù)鉆孔，從而極大地改善了鉆井作業(yè)的效果。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)正循環(huán)相比，采用氣舉反循環(huán)鉆具可使鉆頭的鉆速提高30%～60%。此外，鉆進(jìn)效果與鉆機(jī)的可鉆性、鉆頭選型、工藝參數(shù)的運(yùn)行和鉆機(jī)的配合等有關(guān)。采用氣舉反循環(huán)鉆井，可以減少鉆具的損耗，延長鉆機(jī)的使用年限和縮短鉆孔的周期，減少鉆井費(fèi)用，減輕工人的勞動(dòng)量。在鉆井作業(yè)中，由于沒有采用泥漿，所以沒有泥漿泵，既減少了鉆具的用量，又節(jié)省了能源，而且，在井眼情況許可的情況下，可以采用清水清洗，節(jié)省了泥漿物料。在鉆井過程中，采用了清水作清洗劑，防止了地層中的淤渣等淤積物的堆積。特別是裂縫較少的儲層，因其底部潔凈，排出的水較多，從而防止了鉆井液中的化學(xué)物質(zhì)對地下水的影響。

4 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝問題及解決方法

在采用氣舉反循環(huán)鉆探技術(shù)時(shí)，在深入鉆孔后，認(rèn)識到反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在深井中的優(yōu)越性，但同時(shí)也存在一些問題。在鉆井作業(yè)中，鉆柱的鉆頭底部有大量的碎石堵住，為了避免這種情況，通常采用以下方法：減少鉆孔壓力；盡量使鉆桿的內(nèi)部直徑保持一致，鉆具的吸孔直徑小于鉆桿內(nèi)徑15～20mm；在加注過程中，應(yīng)首先停擺，等一段鉆井液周期后，清除孔底部的碎石；在鉆井過程中，如果出現(xiàn)氣體驟停，必須立即將鉆具從井下提起；在下鉆時(shí)，要打開氣體，不要把鉆頭放下去，等鉆井液的流動(dòng)和掃孔結(jié)束后，才能繼續(xù)鉆井。遇到這種問題的解決方案是：采用上下竄動(dòng)鉆具法，間斷停氣法，正循環(huán)法進(jìn)行解堵，如上述措施均不奏效，則須采用提升鉆機(jī)進(jìn)行清理。由于內(nèi)筒接頭的壓縮氣體泄漏，造成了上返巖屑的能力減弱，進(jìn)尺緩慢或不能進(jìn)行有效的鉆井，其主要原因是密封圈磨損、脫落或內(nèi)筒磨損造成密封損壞。在使用過程中，若發(fā)現(xiàn)密封件不嚴(yán)密，應(yīng)立即提起鉆孔，并將其替換。

從鉆井壓力的角度出發(fā)，采用了氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)，在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，可以選用干凈的水做沖洗劑，而在不穩(wěn)定的基礎(chǔ)上可以選用鉆井液。在軟性和硬度不均勻的情況下，鉆井過程中會發(fā)生跳躍，一旦換了密封環(huán)，巖石碎片就會迅速上沖，導(dǎo)致其失效。最優(yōu)的鉆具組合，深度地?zé)峋@井需要40t左右的鉆具，所以采用了可移除的大容量氣體箱，采用氣舉反向時(shí)，采用反循環(huán)氣體舉法。在采用氣舉反循環(huán)鉆井時(shí)，上提內(nèi)部管道遵循內(nèi)徑一致的原理。由于管徑的改變，混料液的上返速率及上返碎量都會受到一定的影響，現(xiàn)場一開二開井時(shí)，在127mm的單壁鉆柱施工中，由于鉆頭的上返碎屑數(shù)量少，導(dǎo)致鉆井效果下降，這是因?yàn)樗膬?nèi)徑大于其他鉆頭30mm。

為了保證鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行，降低鉆井中的意外，從而提高鉆井的整體經(jīng)濟(jì)效益，本文根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了以下幾項(xiàng)技術(shù)對策。在起鉆（加長）過程中，必須將鉆渣全部排干，并在井口后面等著主動(dòng)鉆棒，防止因井中液體柱的反壓而導(dǎo)致巖石碎石阻塞。在鉆井過程中，要時(shí)刻注意氣壓計(jì)的壓力和回水的變化，以便確定雙壁鉆桿內(nèi)筒的密封性。要做到“三看”“二聽”“一及時(shí)”，認(rèn)真地觀察鉆孔內(nèi)部的狀況。三看，觀察壓力計(jì)和進(jìn)尺的速度、壓計(jì)和井口的返潮、橡膠管道的跳動(dòng)和螺釘連接；二聽，聽筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，聽筒內(nèi)部的振動(dòng)；一及時(shí)，一旦出現(xiàn)異常，就要立即進(jìn)行處置。為了掌握井內(nèi)的水資源狀況，必須對井口水溫、水量和井內(nèi)靜、動(dòng)水位進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)?shù)貙恿芽p發(fā)育、地層破碎和孔外脫落時(shí)，在鉆頭的水眼上設(shè)置阻砂板，以阻止大顆粒顆粒進(jìn)入鉆具，從而避免堵塞。

5 結(jié)語

介紹了采用逆向鉆進(jìn)工藝技術(shù)在地下熱井中的實(shí)踐，介紹了采用正向、逆向兩種鉆進(jìn)工藝原理、設(shè)備配套、鉆具組合、沉沒比及參數(shù)。由于其操作簡單，鉆井效率高，鉆井成本低，成井質(zhì)量好，在鉆井過程中得到了廣泛的使用。由于氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)在國內(nèi)尚處于萌芽階段，且在工程實(shí)踐中尚無豐富的施工技術(shù)，這次利用氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)，總結(jié)出了在地下熱井中的使用技術(shù)條件，同時(shí)，利用氣舉反循環(huán)鉆井與常規(guī)齒輪回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，單次鉆進(jìn)效率提升25%，最高可提升一次，縮短1/3，節(jié)約能源42%，鉆頭的進(jìn)尺增加了75%，并且鉆機(jī)的鉆進(jìn)費(fèi)用大幅降低，鉆機(jī)的使用壽命和經(jīng)濟(jì)性都得到了明顯的改善。