气举反循环钻进工艺在地热井钻探施工中的应用

曾远明

（贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州遵义 563000）

地热是一种新的绿色能量，它可以有效地降低传统的燃油消耗，同时也可以减少二氧化碳和一氧化氮的排放，达到环境保护的目的。目前，地下热井的施工方式是采用泥浆正向和气举式反循环，对反循环钻井技术进行了研究。20世纪60年代早期，我国地质部门和冶金部门相继开发了反循环钻井设备。在20世纪70—80年代早期，国内已经有了应用气举反循环钻井技术进行钻井作业的实例。在国内，采用气提、反周期钻井技术，已经得到了广泛的推广和应用，并收到了很好的效果。

1 气举反循环钻井工艺的工作原理

与传统正循环钻井的工作方式不同，气举式循环钻井是将压缩气体经由气水龙头，经过双壁主动钻杆和双壁钻杆的内外管之间的环形缝隙，然后用气-水混合器向内管内喷射，使气体在管内产生大量细小的气泡，这些气泡与钻杆内管内的流体在一起，从而在钻杆外产生大量的气体。这样，在钻杆内管中的气体和液体的混合气体与外面的更大比例的冲洗液体间存在着一定的压差。蒸汽（空气）、液体（冲洗液）、固体（岩屑）三相的混合液在高速下经钻杆内筒排出，将岩粉或岩心从地层中排出。回水孔中的冲洗液体经过地表的净化后进入井口。

气举反循环钻井技术的工作原理是将压力气体通过管道进入到某一深度，然后与钻柱中的冲洗剂进行搅拌，搅拌后的冲洗剂浓度降低，导致钻柱内部和外部的冲洗液之间出现压力差异，通过压力的变化，在压力的影响下，井筒底部的碎石被连续不断地从表面移出，进入沉积室，然后将沉积物重新注入到钻孔中，这样就可以实现一个连续的钻井。它是一种不均衡的钻进技术，其钻进效率高，钻进速度快，钻头寿命长，成井质量好。采用气举反循环钻井技术的钻井工具分为两种，一种是双层钻杆，另一种是悬挂式钻杆井。它的气体传输通路是一种由双层钻杆与外部管道形成的环形孔洞，通过该孔洞将压缩气体送入双壁钻杆内部，实现气体、液体和固体三相流动的混合物。

由于地热资源是一种集热、水、矿于一体的可再生低碳资源，在供热、发电、沐浴、保健、矿泉饮用、种植养殖等领域得到了广泛的利用。目前，由于钻探工艺水平的提高，目前的钻进已由单纯的正循环灌浆旋转钻进为主，转向螺旋钻进工艺、空气正循环钻进、空气潜孔锤钻工艺、气举反循环钻进工艺，以及多工艺组合钻进工艺。由于地层岩性变化，地质情况十分复杂，以溶蚀洞隙发育，软硬护层较多，水敏地层分布广泛，地下水赋存和活跃形态多种多样，而地热钻进目标层多是断裂断裂，钻进困难，采用单一工艺钻进工艺，导致钻进效果差，施工费用高昂。为了提高地热钻井的施工效率和经济效益，地质矿产勘查开发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齿轮正循环钻进工艺、气举反循环工艺、螺杆钻进工艺和气动钻进工艺等综合工艺，在实际工程中得到了广泛的应用。

2 气举反循环在地热井中的应用

空压机：采用 LG.VF-10/60的高压空气机组，由KB-100A-1.0MPa的胶带螺旋压气机和VF-1/10-60活塞式空压机组成，其排水量为6.0MPa，额定体积流量10.0m3/min，轴力149kW。螺旋压气机的第一次压缩达到1.0MPa，而活塞压气机的第二次压缩达到0.0MPa。GZ2000钻井平台。深井用阀门-空气箱装置。HJ537G三牙轮反循环钻头+10个φ178钻铤+6个Φ159钻铤+Φ114.3单壁钻杆+混合器+108×108双壁螺旋钻杆+双壁主杆+气液分离器。

在操作中应仔细地对内部管道 O形密封件进行检验。在下钻时，应对各套管进行检测，发现有损坏应及时进行替换，以免发生气体通路堵塞，从而降低钻井流体的上返率，使系统无法正常工作。如果在下钻时，需要将钻头与砂层保持300mm的位置，启动空气压缩机，使钻具循环，使钻头与砂面慢慢地接触，转动旋转板，将沉沙顺利地排放出去。如果速度太慢，会导致大量的泥沙进入逆流管道，很容易发生阻塞。如果出现阻塞，可采用以下措施：先将进气管阀关上，增加空气压缩机的压强，迅速猛地开启气门，如此多次切换，即可消除阻塞；关闭压缩机，将钻具上下移动，再次打开压缩机，如此多次，即可消除阻塞；关掉进气管阀，使空气压缩机停运，用排水孔的高压管道与钻井液相连接，并注入适量的泥浆，再加上一定的压力，可以解除堵塞；可开启回油器，上冲至钻具，多次开启抽油器，可将堵塞消除。以上方法均为无效，采用提升钻孔工艺。沉没比是气举反循环钻井的一个关键参量，其尺寸对钻井的反循环和钻井效果都会产生很大的影响。对钻井技术的需求不低于0.5，随着钻井的下沉比例增大，钻柱内部和外部的压力差异增大，孔底更干净，反复破碎的可能性降低，从而提高钻井的钻井效果。

气举式反循环钻井是通过将某一压强的压缩气体，通过搅拌装置输送到某一深度，再通过搅拌装置，将其注入到管中，使得混合后的流体浓度低于清洗液（管外部），在井眼和管中产生压差，在井眼液柱压的影响下，将混合的气体和液渣高速上升，将孔底部的石粉（岩石）排出地面。气举反循环钻井技术可以有效地克服大裂缝井段灌浆失回钻入困难，缩短堵塞周期，降低堵塞失败，洗井成效显著。气举反循环钻井进入清洗液为清水时，钻孔底部产生了孔底部的抽吸，达到了清理裂缝的目的，从而减少了洗井工序，缩短了施工周期，降低了施工成本。因为在浅井区，不适合气举-钻井技术。因为气举-钻井技术应用的先决条件是要有充分的压力差来建立有效反循环，所以该技术所用的技术要求在井下深度要达到200m以上，在破碎地层或水敏性地层中应用反循环技术是不可取的。

3 气举反循环钻进工艺应用效果分析

采用气举反循环钻探技术，在地质勘探中得到了较好的推广，收到了较好的经济效益。与常规牙轮旋转钻井相比，取得了以下几个方面的重要结果。大幅改善了纯钻石的工作性能。地层主要是由碳酸盐岩组成，其中，孔径346mm、215.9mm、152mm的气举反循环比正向钻井速度分别增加46%、48%和25%，可产生较好的经济效果。较常规齿轮回转钻井，增加了台月产率，减少了作业时间，采用气举反循环钻井技术进尺1 033.34m，统计用时1 175h；与常规齿轮回旋相比，节约了33%的时间。当井眼处于平稳状态时，可采用水加防崩油进行钻井，节约钻井费用。与传统的钻井法相比，采用逆向循环钻井技术，每个月可节约42%的电费。钻井事故率低，采用气举反循环钻井，钻井压力低，井眼清洁，岩石碎石少，旋转力矩低，减少了钻井意外，避免了沉沙卡钻。由于无泥浆钻井，无淤渣，含沙率低，无压力卡钻现象。在实际钻井过程中，钻头的驱动轴损坏，导致孔内钻具无法移动，6h后，钻机也被轻易地抬起，确保了工程的安全性。即便出现了断裂的情况，因为井眼清洁，岩石碎片很小，使用公锥进行打捞时也比较方便。为了在涌水层钻井中增加钻井的有效性，可以将地下水用作钻井液，无需进行钻井堵塞，以达到提高钻井效率和钻井时间的目的。在钻井过程中，当钻孔深度约40m时，会出现渗漏现象，造成堵塞的效果不佳，从而降低钻井的效益，增加钻井成本。当钻井深度达到200m时，由于钻探过程中出现了涌水现象，采用了气举反循环钻井技术，在钻井过程中可以很好地通过涌水层，从而极大地提升了钻井的工作效率。降低钻井流体泄漏，因为在钻井过程中，环空压损较低，对地层的影响较低，可以降低或排除钻井流体泄漏，从而对地下水进行有效的维护。获得的岩石碎片位置及时准确完整，在钻井的时候，只要不是岩石的粒径超出了钻具的中心孔径，就可以不进行破坏，而是将其直接排放到地面。岩心序列不会出现前后不反转的情况，因为流体上返速率较高，所以混沌程度较低。岩屑在井中滞留的时间较少，能够及时、精确地反映出遇到的地层状况。

在气举反循环钻井中，喷淋液体的上回流速率很高，它的运载速度和能力也很大，从岩石粉末到35mm的大到岩石碎石，都可以从钻井中完全带走。钻孔时，钻具能一直在洁净的岩体表面工作，可防止钻具的磨损和反复钻孔，从而极大地改善了钻井作业的效果。结果表明，与传统正循环相比，采用气举反循环钻具可使钻头的钻速提高30%～60%。此外，钻进效果与钻机的可钻性、钻头选型、工艺参数的运行和钻机的配合等有关。采用气举反循环钻井，可以减少钻具的损耗，延长钻机的使用年限和缩短钻孔的周期，减少钻井费用，减轻工人的劳动量。在钻井作业中，由于没有采用泥浆，所以没有泥浆泵，既减少了钻具的用量，又节省了能源，而且，在井眼情况许可的情况下，可以采用清水清洗，节省了泥浆物料。在钻井过程中，采用了清水作清洗剂，防止了地层中的淤渣等淤积物的堆积。特别是裂缝较少的储层，因其底部洁净，排出的水较多，从而防止了钻井液中的化学物质对地下水的影响。

4 气举反循环钻进工艺问题及解决方法

在采用气举反循环钻探技术时，在深入钻孔后，认识到反循环钻进技术在深井中的优越性，但同时也存在一些问题。在钻井作业中，钻柱的钻头底部有大量的碎石堵住，为了避免这种情况，通常采用以下方法：减少钻孔压力；尽量使钻杆的内部直径保持一致，钻具的吸孔直径小于钻杆内径15～20mm；在加注过程中，应首先停摆，等一段钻井液周期后，清除孔底部的碎石；在钻井过程中，如果出现气体骤停，必须立即将钻具从井下提起；在下钻时，要打开气体，不要把钻头放下去，等钻井液的流动和扫孔结束后，才能继续钻井。遇到这种问题的解决方案是：采用上下窜动钻具法，间断停气法，正循环法进行解堵，如上述措施均不奏效，则须采用提升钻机进行清理。由于内筒接头的压缩气体泄漏，造成了上返岩屑的能力减弱，进尺缓慢或不能进行有效的钻井，其主要原因是密封圈磨损、脱落或内筒磨损造成密封损坏。在使用过程中，若发现密封件不严密，应立即提起钻孔，并将其替换。

从钻井压力的角度出发，采用了气举反循环钻井技术，在稳定的基础上，可以选用干净的水做冲洗剂，而在不稳定的基础上可以选用钻井液。在软性和硬度不均匀的情况下，钻井过程中会发生跳跃，一旦换了密封环，岩石碎片就会迅速上冲，导致其失效。最优的钻具组合，深度地热井钻井需要40t左右的钻具，所以采用了可移除的大容量气体箱，采用气举反向时，采用反循环气体举法。在采用气举反循环钻井时，上提内部管道遵循内径一致的原理。由于管径的改变，混料液的上返速率及上返碎量都会受到一定的影响，现场一开二开井时，在127mm的单壁钻柱施工中，由于钻头的上返碎屑数量少，导致钻井效果下降，这是因为它的内径大于其他钻头30mm。

为了保证钻井作业的顺利进行，降低钻井中的意外，从而提高钻井的整体经济效益，本文根据实践经验，提出了以下几项技术对策。在起钻（加长）过程中，必须将钻渣全部排干，并在井口后面等着主动钻棒，防止因井中液体柱的反压而导致岩石碎石阻塞。在钻井过程中，要时刻注意气压计的压力和回水的变化，以便确定双壁钻杆内筒的密封性。要做到“三看”“二听”“一及时”，认真地观察钻孔内部的状况。三看，观察压力计和进尺的速度、压计和井口的返潮、橡胶管道的跳动和螺钉连接；二听，听筒的转动，听筒内部的振动；一及时，一旦出现异常，就要立即进行处置。为了掌握井内的水资源状况，必须对井口水温、水量和井内静、动水位进行监测。当地层裂缝发育、地层破碎和孔外脱落时，在钻头的水眼上设置阻砂板，以阻止大颗粒颗粒进入钻具，从而避免堵塞。

5 结语

介绍了采用逆向钻进工艺技术在地下热井中的实践，介绍了采用正向、逆向两种钻进工艺原理、设备配套、钻具组合、沉没比及参数。由于其操作简单，钻井效率高，钻井成本低，成井质量好，在钻井过程中得到了广泛的使用。由于气举反循环钻井技术在国内尚处于萌芽阶段，且在工程实践中尚无丰富的施工技术，这次利用气举反循环钻井技术，总结出了在地下热井中的使用技术条件，同时，利用气举反循环钻井与常规齿轮回转钻进相比，单次钻进效率提升25%，最高可提升一次，缩短1/3，节约能源42%，钻头的进尺增加了75%，并且钻机的钻进费用大幅降低，钻机的使用寿命和经济性都得到了明显的改善。