气举反循环钻进技术在干热岩开发中的应用分析

阴文行，冯红喜，左科峰，李秀峰

(1.邯郸市伟业地热开发有限公司,河北 邯郸 057650；2.泰尔达能源科技(北京)有限公司,北京 100107)

气举反循环钻进技术在干热岩开发中的应用分析

阴文行1，冯红喜1，左科峰2，李秀峰1

(1.邯郸市伟业地热开发有限公司,河北 邯郸 057650；2.泰尔达能源科技(北京)有限公司,北京 100107)

干热岩开发利用技术在国外已取得了突破性进展，并积累了一定的经验。我国在此领域仅仅刚开始，许多技术还需在生产实践中探索。由于干热岩地层情况特殊，钻井难度较大，所以很有必要利用我国在地热井施工中气举反循环钻进技术的成功经验，推动我国干热岩钻井技术的开展。本文针对此问题进行分析，以便能够推广应用。

气举；反循环；钻进；干热岩；开发

0 引言

随着国家战略性接替能源干热岩资源开发的推进，干热岩的开发利用已越来越引起国内外的高度重视。干热岩资源也是地热资源的一种，是一种洁净的新能源，在我国的东南沿海和华南山区有着广泛的分布。通过干热岩钻井施工可以得到干热岩层温度与深度的变化关系，以便很好的开发利用。为此，如何优质、高效地开发深部干热岩资源，现已成为施工单位面临的新课题。近年来，地热井施工以及科学钻探井、石油井、地热井的通井洗井，气举反循环钻进技术已趋于成熟，我们认为干热井采用此项技术能够取得很好的效果，可以保证钻井施工顺利开展，促进中国干热岩资源开发。

1 干热岩井开发利用基本概况

干热岩井开发利用技术是一门多学科的综合技术，其地层主要为火成岩，可钻性差、温度高，钻探过程中容易发生漏失、井喷、井涌等事故。而且埋藏深度多在3000～6000 m，温度高于150℃，不含或仅含少量流体的高温度岩体，是未来最具潜力的战略性接替能源。从理论上讲地温随深度增加而升高，地球上任何地区达到一定深度都分布有干热岩资源，只需统筹规划、合理开发、综合利用，干热岩是可以被人类永远利用的，从这种角度讲，干热岩所蕴含的价值是无限的。全面合理、多层次地利用地热资源，可推动能源生产和利用方式变革，调整优化能源结构，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系，对于保障我国经济社会可持续发展具有重要的战略意义。

目前，对干热岩的开发利用，主要是用来发电。基本原理是先钻好一眼井，再在旁边(相距200～600 m左右)钻1～3眼专用井，用水平钻进和“压裂”技术使各井之间连通，产生更大范围的裂隙，建成人工热储。然后从一井注入冷水渗透进入岩层的缝隙吸收能量，冷水从注入到抽出、在地下深部经过高温岩石加热，产生出的高温蒸汽和热水提取到地面，在热交换及地面循环装置下用于发电，整个过程是在一个封闭的循环系统内进行，见图1所示。

图1 利用干热岩发电的工作原理

干热岩发电既不像火电那样，向大气排放大量的二氧化碳等温室气体、粉尘等气溶胶颗粒物；也不像水电那样，因水坝的修建导致破坏局部乃至整个河流的生态平衡，而且也不会在水电厂周围引起不同程度的地质灾害,可以不受一切外界干扰，适合于基本负荷或高峰负荷的电力供应，是一种清洁、可再生的绿色能源，既环保、又安全，符合国家对新能源的开发政策。可以预见不久的将来，随着相关技术的迅速发展，利用干热岩所发的电能将会成为国家电网中最受欢迎的部分。

2 干热岩井气举反循钻进工艺钻机和钻孔结构

2.1 气举反循钻进工艺技术

此项技术就其本质来讲属于泥浆循环钻进方法范畴，压缩空气的作用只是起到使用泥浆产生循环的作用，也就是泵的作用(称为气举泵)。由于空压机的工作介质是空气，其工作可靠性要比泥浆泵正循环的高，所以在满足气举反循钻进工艺条件下，现施工单位都优先采用。但对于气举反循环钻进工作原理来讲，压缩空气通过水龙头下方连接的气盒子，经双壁主动钻杆、双壁钻杆的内外管环状间隙到气水混合器喷入内管，形成无数小气泡，气泡一面沿内管迅速上升，一面同时膨胀，从而产生气举作用。当压缩空气不断送入井液，使得气水混合器上部的比重降低，而井中的液体比重大，在压差的作用下气、液、固三相流高速向上流动，经水龙头连续排到孔外，分离后的液体再返回孔内，其钻进过程见图2所示。

图2 气举反循环钻进工作原理示意

气举反循环钻进效率主要取决于压缩空气的压力及风量，以及气水混合器沉没在水中的深度。而气水混合器的安装深度由整个系统的沉没系数确定。沉没系数，在一些文献上称为沉没比，它为气水混合器下入水中的深度与自混合器算起的扬程高度之比。

(1)

式中：m— 沉没比；h2— 静水位至气水混合器高度；h1— 静水位至鹅颈管高度。

一般要求m≥0.5，当m<0.5时，升液效率很低，甚至不升液。m值越大，整个系统工作是优越的。对于气举反循环来说，当m增大后，由于工作系统驱动力增大，就能克服钻进中难以避免的困难，如井壁坍塌，突然的井漏以及意外的阻力加大。同时，有高的钻进效率。根据沉没比系数的确定，可计算出气水混合器在井下的安装深度。

2.2 钻井设备

干热岩钻井选择设备依照钻孔深度，一般使用石油钻井设备。钻机型号为ZJ40/2250L、ZJ70/4500D就可基本满足3000～7000 m钻井的需求，见图3和图4所示。

图3 干热岩钻井石油ZJ40/2250L钻机

图4 干热岩钻井石油 ZJ70/4500D钻机

2.3 钻孔结构

干热岩井钻孔设计为垂直井，基本上同地热井钻孔结构，见图5所示。

图5 干热岩井钻孔结构示意

3 气举反循环钻进技术目前推广应用状况

我国从20世纪80年代初开始研究和推广气举反循环钻进技术，当时主要以中国地质科学院勘探技术研究所为技术依托，既包括钻具的系列化，又包括钻探设备的配套研制，以及气举反循环基础理论和施工工艺的研究等。经过多年来不断创新发展，气举反循环钻进技术应用领域更加广泛，应用前景更加广阔。到目前为止该技术涉及的产业化应用领域有：水井、地热井、大口径瓦斯排放井、大口径矿山抢险救援井、地热井和石油井修井、科学钻探井洗井通井等。尤其近年来地热井施工单位在市场竞争十分激烈的情况下，地热井施工招标采用气举反循环钻进已成为先决条件，这都充分说明此种工艺能够发挥巨大的作用。现以实际应用举例说明：

2010年利用科钻一井现有的井架和平台配齐钻机和附属设备、工具，组合钻具进行气举反循环工艺通井、洗井，达到了原钻孔深度5158 m，入井钻具耐高温、高压、井底温度约为142.4℃的考验，成井结构示意见图6、现场见图7所示。

图6 科钻一井5158 m成井结构示意

图7 科钻一井现有井架气举通井、洗井现场

2012年9月邯郸市伟业地热开发有限公司在天津北辰区施工一口地热井，泥浆正循环钻至2368 m 处，由于孔内严重漏失无法进行钻进，导致孔内留有92 m的岩屑返不上来，经过反复讨论，决定采用气举反循环工艺通井、清孔作业，仅2天多时间清孔干净，后来使用该工艺钻至孔深2520 m，圆满完成施工任务。现场见图8和图9所示。

图8 气举反循环工艺通井、清孔作业施工现场

图9 气举反循环工艺通井、清孔返出岩屑

2014年7月至11月陕西地质工程公司为咸阳海泉湾地热井修井、洗井，在几个单位采用别的工艺无法完成的情况下，选用气举反循环钻进方法，成功完成了3355 m的深度，修井、洗井后经抽水试验，出水量78 m3/h，井口温度高达100℃，达到原井生产指标，得到了用户高度评价。现场见图10和图11。

图10 咸阳海泉湾地热井修井、洗井现场

图11 气举反循环工艺清孔作业排渣

有关气举反循环钻进工艺在地热井施工中的应用，目前已很普遍，推广应用取得的技术经济效果非常显著，也得到了大家的认可，所以用于干热岩井钻进是完全可行的。

4 干热岩井气举反循环钻进组织和技术准备

根据干热岩井地层构造，以及钻井技术要求，要想应用于大规模的发电站，在注水井和生产井的施工中，如何提高钻效，降低单井成本，保证获取足够的热量，使用先进的钻井技术，减少干热岩地热开发费用，实践证明选用气举反循环钻井技术是比较理想的选择，很有必要在此施工领域进行推广应用，在满足其他施工要求的前提下，气举反循环工艺钻进深井以及复杂地层优越性非常明显，主要体现在钻进效率高，纯钻进时间比率高，施工周期短，钻探成本低，对加速干热岩井钻探进程起到了推动作用。

4.1 技术组织准备

气举反循环钻进工艺从许多应用领域证明，是一项比较成熟、简单实用的技术，但如何推广应用于干热岩井钻井还需要认真的分析，使大家能对此种钻进技术的实质、优点、特点和适用范围，尤其针对干热岩井地层结构复杂，不同于别的钻井，所以一定要高度重视，做好技术组织准备。一方面组织一线人员进行技术培训，另一方面要去地热井应用现场参观学习，使其结合干热岩井钻探施工任务，做好各方面的技术配套工作，并要搞清楚应用的难点，以利于施工过程中发挥更大的作用。

4.2 干热岩井气举反循环钻进用双壁钻具分析

实现气举反循环钻进主要是靠一套合理的钻具，而钻具的选择好坏，直接影响到钻进机械钻速的提高。而且钻具的结构性能好坏，也直接关系到能否满足施工要求。从目前一般水井、地热井以及大口径工程井钻具而言，相对于干热岩井来说孔较浅，地层要比干热岩井施工难度要小一些，对钻具的要求也低。干热岩井由于井比较深，而且孔内温度也特别高，地层复杂研磨性强，除对双壁钻具的内外管材质要求高外，更主要的是密封方式，耐压能力的考验。我公司通过近年来在地热井大力推广应用气举反循环钻进工艺，已对该工艺技术性能要求积累了不少成功经验，只要在地热井应用的基础上对双壁钻具的结构以及材质进一步创新提高，我们认为用于干热岩井是有一定的把握。特别是能够有效解决孔内漏失、井喷以及正循环钻进存在的技术难题，更重要是减少了正循环钻进采用泥浆堵塞岩石的孔隙率，大大增加了孔内液体循环温度，提高了钻进效率，对改善干热岩钻探工作环境，降低钻井风险，保障施工安全，促进干热岩资源开发，具有非常重要的意义。

4.3 干热岩井气举反循环钻进双壁钻具配套

目前干热岩井选用的设备要比地热井的提升能力、扭矩要大，所以配套的双壁钻具强度要求也就更高，耐高温的能力要强，密封要可靠。对此，我们设想干热岩井气举反循环钻进采用同心式双壁钻具，空气从内外管的环状间隙进入，钻杆之间连接采用API标准螺纹，方便快捷。全部钻具组合是在所配钻机水龙头下连接实施，钻具的提下、拧卸过程均同石油钻井，几种口径的钻具连接见表1。

表1 干热岩井气举反循环钻进钻具组合

4.4 应用该项技术要点及附属设备配套

为保证气举反循环钻进能够在干热岩井的实施，我们同中国地质科学院勘探技术研究所从事这方面技术的专业人员商议，借鉴为石油超深井(7000～9000 m)洗井研制的双壁钻具结构性能，密封耐压20 MPa，耐温200℃以上；双壁钻杆外管材质S135；内管材质N80；每一个环节都应严格检验，确保使用过程中安全可靠。

另外，采用气举反循环钻进空压机的选择也非常重要，因为空压机的排气量和压力是决定气举反循环钻进效率的主要参数，决定着循环液流在钻杆内上升速度，液流速度要大于岩屑的沉降速度。气举反循环钻进空压机风量与双壁钻具通孔内径有着密切关系，压力由双壁钻具气水混合器的埋深来确定，当双壁钻具的通孔内径选定之后，双壁钻具的数量决定后空压机的风量和压力基本就可选定。目前适合该工艺的空压机国产的已能满足要求，若干热岩井按7000 m深度，配套双壁钻杆通孔内径为70 mm 总长度1400 m计算，可配空压机柴油机动力的风量10 m3/min，压力15 MPa，电动机动力的风量可为12.5～15.0 m3/min；压力15 MPa，这样便可满足工艺要求。

5 结语

对于干热岩地热资源的开发利用，钻探技术是关键，但因在钻井过程中孔内高温高压的极端恶劣环境，给施工带来了许多意想不到的困难。对此，急需引起高度重视,尽快开展技术攻关。从目前采用的泥浆正循环工艺来看方法比较单一，很有必要选用气动潜孔锤和气举反循环组合钻进，可因地制宜实现多种工艺钻进，这也是在干热岩井施工中一种新的突破。干热岩井同地热井施工方面有类似之处，在地热井施工方面充分证明，气动潜孔锤和气举反循环组合钻进是大家公认的高效钻进技术。尤其气举反循环工艺在深孔钻进时，冲洗液的上返速度快，携带岩粉的能力很强，不重复破碎，孔底非常干净，钻进效率要比泥浆正循环高2～3倍，钻头寿命长，成本大大降低。除适合在严重漏失地层中采用外，最大优越性是对于干热岩井施工地层中无堵塞。由此可见，气举反循环钻进工艺一定能够在干热岩井开发中，不论钻井还是洗井都能发挥重大作用。

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2017-02-09

阴文行(1976-)，男，汉族，工程师，水文地质专业，主要从事地热资源开发、综合利用和地热尾水回灌领域的技术开发及管理工作，邯郸市伟业地热开发有限公司技术总工，河北省邯郸市广平县金广源路中段北侧，Tel：13831064876，E-mail：yinhang006@163.com。

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