气举反循环钻进工艺在贵州地热井中的推广应用

王 剑， 王 虎， 李 勇， 赵华宣， 陈 怡， 兰永飞

(1.贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队，贵州 贵阳 550008；2.贵州地质工程勘察设计研究院，贵州 贵阳 550008；3.贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州 遵义 563000)

0 引言

地热资源集热、水、矿为一体[1]，是一种清洁和可再生的低碳能源[2]，在供暖[3-4]、发电、洗浴、医疗保健[5]、矿泉饮用、种植与养殖等方面应用广泛[6]。贵州省地热资源丰富，但开采水平不高[7]，所以不断加强地热资源分布及水化学特征和规律等方面的综合研究[8]对做好本省地热资源勘查与开发具有重要意义。

随着钻探工艺技术的不断进步，地热钻井正从单一的正循环冲洗液回转钻进为主[9-10]，向螺杆钻进工艺[11]、空气正循环取心钻探[12]、空气潜孔锤钻进工艺[13]、气举反循环钻进工艺[14]及多工艺复合钻进发展[15-16]。由于贵州省地层岩性多变，地质条件极为复杂，主要表现为溶蚀洞隙发育、软硬互层较多、水敏地层分布广泛、地下水赋存及活动形式多样等，加之地热钻井目的层多为断层破碎带，钻探难度大，单一的钻进工艺往往钻进效率低下，施工成本也居高不下。为提高地热钻井施工效率与经济效益，贵州省地质矿产勘查开发局(简称“贵州省地矿局”)及其下属各单位近年来不断开展深井钻探工艺技术研究工作，目前已经建立了集常规牙轮正循环钻进工艺、气举反循环钻进工艺[17]、螺杆钻进工艺[18]、空气潜孔锤钻进工艺[19-20]等多工艺复合钻进体系[21-22]，已在20余口钻井中得到推广应用。使得贵州省地热深井施工效率和经济效益显著提高。

1 贵州省地热井钻探概况

1.1 主要钻探设备

包括钻机、泥浆泵、固控系统等。钻机以水源钻机为主，主要为RPS或SPS系列钻机，钻进深度2000～3200 m不等。随着钻井设备的发展和市场需求，石油钻机和全液压动力头车载钻机被大量引入地热深井钻探施工，石油钻机主要型号为ZJ20和ZJ30型等，车载钻机主要型号有德国宝峨RB-T100型多功能全液压钻机、国产CMD-150型大吨位全液压动力头模块化钻机等。2010年前，贵州省地热深井钻探主要使用3NB-350型和3NB-500型泥浆泵，随着钻井工艺的进步，目前已逐渐被3NB-1300型和F-800型等更为强大的泥浆泵所取代。为了加强冲洗液的固相控制，包含振动筛、除气器、除砂器、除泥器、离心机等设备的固控系统也逐渐成为贵州省深井钻探队伍的标配(见表1)。

表1 贵州省地热井主要钻探设备配套

1.2 井身结构

根据不同深度、地层和岩性，贵州省地热深井一般采用三开或二开井身结构，分别见图1和图2。

图1 三开井身结构

图2 二开井身结构

2 气举反循环钻进工艺原理

气举反循环钻进工艺工作原理是将压缩空气沿空气输送通道送入一定深度后，使压缩空气与钻杆内的冲洗液混合，混合后的冲洗液密度下降，致使钻杆内外冲洗液产生压差，冲洗液在压差的作用下沿钻杆以较高的速度上返，从而将孔底的岩屑连续不断地带出地表，排入沉淀池，沉淀后的泥浆再流回孔内，补充循环液的空间，如此不断循环形成连续钻进的过程[23]。该工艺是一种欠平衡钻井工艺，在溶蚀洞隙及裂隙发育层段，冲洗液有漏失的情况下仍能保持较好的机械钻速，具有钻进效率高、钻头寿命长、成井质量好等特点，在地热井热储层中钻进时，可以实现钻进即洗井，减去了洗井程序，可有效地缩短工期、降低施工成本[24]。

气举反循环钻进工艺所用钻具分双壁钻杆和悬吊式钻杆两种形式。图3为双壁钻杆气举反循环钻进工艺原理示意图，其空气输送通道为双壁钻杆内管和外管之间的环状空隙，压缩空气在气水混合器处进入双壁钻杆内管，实现气体、液体、固体三相流混合。

图3 双壁钻杆气举反循环钻进工艺原理

图4为悬吊式气举反循环钻进工艺原理示意图，其空气输送通道为插在单壁钻杆内的空气管，高压空气从空气管底部的出气孔进入单壁钻杆内与钻杆内的气体、液体、固体三相流混合。

3 设备配套及钻具组合

3.1 设备配套

除常规钻探设备外，气举反循环钻进工艺还需要配备适合的空压机以提供压缩空气。同时，为了及时判断地层情况，还需要使用反循环连续取样排渣装置。气举反循环钻进工艺要求空压机高压力、低风量，一般选择风量10～16 m3/min，启动风压6～15 MPa，目前贵州省地热深井施工中主要使用风量10 m3/min、压力15 MPa的国产活塞+螺杆复合式电动空压机。

图4 悬吊式气举反循环钻进工艺原理

3.2 钻具组合

虽然气举反循环钻进工艺钻具分为双壁钻杆和悬吊式两种钻杆，但市场上主要以双壁钻杆为主。目前贵州省地热深井一般使用Ø127 mm双壁钻杆，单壁钻杆根据情况可选择使用Ø127或89 mm两种规格；此外，转盘钻机和全液压动力头钻机因钻机结构不同，也有一定的区别，转盘钻机通过气盒子实现反循环，而全液压动力头钻机一般也通过气盒子送气，只是转盘钻机气盒子上下是反扣，动力头钻机是正扣，但有些动力头钻机的动力头本身就设计为双通道，故不需要气盒子。气举反循环钻进用钻具组合见表 2。

表2 气举反循环钻进工艺钻具组合

3.3 沉没比

沉没比是指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。它是气举反循环钻进中重要的参数之一，它的大小直接影响钻进效率及反循环的形成[25]。钻进工艺要求不小于0.5，沉没比越大，钻杆内外形成的压力差越大，携带岩屑上返的速度就越高，孔底也越清洁，重复破碎机率越小，有利于提高钻进效率。孔内动水位深时可采用向孔内补水的方式增加沉没比以提高钻进效率。

4 钻进参数

气举反循环钻进工艺的主要参数包括钻压、转速、风压、风量等，根据实践经验，不同条件下具体钻进参数见表3。

表3 气举反循环钻进工艺参数

5 关键技术措施

为确保该工艺在钻进中的正常进行，减少孔内事故的发生，达到提高钻进综合效益的目的，通过对实施地热钻孔的总结分析，在钻进过程中拟采取如下技术措施。

(1)采用气举反循环钻进工艺时，应先对所钻地层的岩性、钻速及富水程度、动水位进行预测，以选择合适的沉没比和风压，可采用井内补水以加大沉没比。

(2)加减杆及起大钻时，认真检查双壁钻杆内管的完好性及密封性能，有问题及时更换。

(3)下钻到底前应先送风，待出渣正常后方可钻进；起钻(加杆)时，应将钻渣排尽并待主动钻杆提出井口后方能停风，以防井内液柱反压造成岩屑堵塞内管。

(4)钻进中应随时观测气压表的压力变化和返水量的变化，以判断双壁钻杆内管密封性能是否完好。

(5)做好“三看”“二听”“一及时”，仔细判断孔内情况。三看——看压力表和进尺速度，看气压表和井口返水情况，看胶管跳动和水笼头接头情况；二听——听机器运转声音，听孔内震动声；一及时——发现异常及时处理。

(6)气举反循环钻进时，应加强对井口水温、水量及井内静、动水位的观测，以了解井内水资源情况。

(7)在裂隙发育地层、破碎地层及孔壁掉块时，在钻头水眼处加设挡砂板，使井底较大粒径的岩屑进不了钻具内，以防止堵钻头。

(8)复杂地层钻进井壁欠稳定时，可视地层岩性及欠稳定情况，从井口补入性能适宜的冲洗液进行护壁。

6 典型应用分析

6.1 工程概况

自2010年以来，气举反循环钻进工艺已经在贵州省内地热井施工中广泛应用，其中枫香1井较为有代表性。该井0～455 m为寒武系下统明心寺组至牛蹄塘组页岩、粉砂岩、炭质页岩，为热储盖层；455～1045 m为灯影组储热蓄水层。该井钻井结构如下：

一开井段0～250.15 m，Ø311 mm井段揭穿第四系后钻至250.15 m，下入Ø244.5 mm套管水泥固井；

二开井段250.15～496 m，井径216 mm，在确认进入灯影组后，下Ø177.8 mm石油套管水泥固井；

三开井段496～1266.56 m，井径152 mm裸孔钻至1266.56 m终孔。

6.2 施工情况简介

一开井段井深较浅，无法形成足够的压差建立反循环，且地层水敏性强，因此采用牙轮正循环钻进工艺钻进，配合使用聚合物冲洗液护壁。

二开井段250.15～464.4 m采用气举反循环钻进工艺，钻至464.4 m后，因检修空压机停待时间较长(5 d)，强水敏性的牛蹄塘组井段井壁因页岩吸水膨胀而崩塌严重失稳，该井段下部采用牙轮正循环钻进、聚合物冲洗液护壁。

三开井段496～644.02 m由于Ø127 mm双壁钻杆返厂家检修而采用牙轮正循环钻进、聚合物冲洗液护壁，钻至644.02 m遇裂隙，冲洗液失返(水位34.9 m)；下部井段采取气举反循环钻进工艺。钻至1159.48 m后直接进行测井和抽水工作，达到勘探目的而终孔。

6.3 气举反循环钻进工艺应用效果分析

枫香1井钻进情况统计见表4。

表4 枫香1井钻进情况统计

从表4可以看出，同样的井况下，气举反循环钻进工艺的机械钻速超过牙轮正循环钻进工艺近1倍，提高钻效明显。

7 结论与建议

7.1 结论

实践表明，气举反循环钻进工艺在贵州省溶蚀裂隙地层地热井施工中具有明显的优势，主要体现在以下几个方面。

(1)提高了钻进速度。气举反循环钻进是将一定压力的压缩空气沿双壁钻具输气管道送入一定深度经混合器进入管内循环液，使混合后的液体密度小于冲洗液(管外)的密度，在井筒与管内形成压差，并在井筒液柱压力作用下，将管内混合的气液屑以较高的速度向上流动，实现将孔底的岩屑(岩心)连续不断地带出地表。只要输入的空气量和压力足够，就能实现孔底清洁而避免重复破碎，从而提高了钻进速度。

(2)减少孔内事故的发生。气举反循环钻进冲洗液为清水或低粘度冲洗液，减少了冲洗液的粘度，降低了吸附力，可有效减少井内事故的发生；气举反循环钻进过程中，可有效解决大裂隙井段冲洗液失返的钻进难题，节约了堵漏时间和避免了堵漏失败的风险。

(3)洗井效果明显。气举反循环钻进冲洗液为清水时，钻进过程中的孔底抽吸作用，也起到了疏通裂隙通道的目的，实现了钻进即洗井，减去了洗井程序，可有效缩短工期、降低施工成本。

7.2 建议

(1)浅井段不适宜采用气举反循环钻进工艺。由于气举反循环钻进工艺使用的前提是需要形成足够的压差以建立有效的反循环，因此本工艺使用必须满足一定的井深，根据实践经验，井深至少要达到200 m以深。

(2)破碎地层、水敏性地层不宜采用气举反循环钻进工艺。