內插管式氣舉反循環鉆進工藝在基巖地熱井中的應用

生龍，張晴，馮帆，肖軍，任洪成，顏丙生

(1.山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊(山東省地礦工程勘察院)，山東 濟南 250014；2.臨沂經濟技術開發區管委會，山東 臨沂 276002)

0 引言

地熱是一種清潔、蘊藏量豐富的綠色能源，地熱能的開發利用能夠有效地替代經濟發展對傳統石化能源的需求，減少二氧化碳及硫化物的排放量，提高生態環境保護水平[1-3]。地熱井是實現地熱開發的主要途徑，地熱賦存于裂隙發育、涌水或漏水地層中，正循環鉆進工藝攜渣能力差，易造成鉆頭重復破碎，降低鉆進效率，同時易造成含水層通道堵塞，影響涌水量，增加洗井難度，在地熱井特別是生產層鉆進存在諸多弊端[4-6]。氣動潛孔錘鉆進和氣舉反循環鉆進工藝具有特殊的優勢。

(1)氣動潛孔錘鉆進。氣動潛孔錘鉆進效率較高，最多比常規鉆井工藝高10倍以上，特別是在淺井和中深井、較硬地層中施工更具優勢[7-9]。但在地質條件復雜、坍塌掉塊、含水、漏失和涌水地層鉆進時，無法實現潛孔錘正常鉆進，應用受限。

(2)氣舉反循環鉆進。采用雙壁鉆桿將壓縮空氣經氣水龍頭、雙壁鉆桿的環狀通道進入氣水混合器，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，形成反循環流動。氣舉反循環鉆進已在地熱井施工中獲得廣泛應用[10-14]，具有純鉆進時間利用率高，鉆進時不受井內水位深度的制約，對孔壁沖刷小，利于維護孔壁穩定，巖屑不進入含水層和裂隙，孔內干凈，利于保護熱儲水層。

1 工程概況

1.1 地熱地質概況

沂南智勝湯泉1號地熱勘查井位于沂蒙山區東部之沂南盆地內，地熱田成熱模式屬于開放—對流—腔管狀型和弱開放—對流傳導—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。研究區內中生代構造運動顯著，斷裂及巖漿巖侵入發育，巖性以閃長巖及閃長玢巖為主，與灰巖接觸帶熱變質作用形成了大理巖、結晶灰巖。鉆孔實際揭露地層，巖漿巖占比60%～70%，揭露地層見表1。

表1 沂南智勝湯泉1號地熱勘查井揭露地層

研究區主要控熱構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存、運移和深循環加溫提供了空間。熱儲層為寒武紀大理巖及結晶灰巖，蓋層為巖漿巖，致密堅硬，保溫隔水性能好，對下伏熱儲層起到了很好的保溫作用。

1.2 井深結構及施工工藝選擇

在地熱勘查井鉆進施工中，0～30m采用了泥漿正循環鉆進工藝，30～438.76m采用了氣動潛孔錘鉆進工藝，井深結構見表2。鉆至438.76m時，遇強含水層，由于水位較高背壓增加，空壓機風壓不能滿足潛孔錘鉆進壓力。地層漏失嚴重、孔壁不穩定，卡鉆，正循環牙輪鉆進需要消耗大量沖洗液(水量)，現場不能滿足，正循環工藝無法實施，應采用氣舉反循環鉆進工藝。

表2 井身結構表

氣舉反循環鉆進工藝，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度與沉入水面以下雙壁鉆桿長度之比[17](圖1)，其公式(1)：

圖1 氣舉反循環工藝示意圖

(1)

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

當孔深為438.76m時，鉆孔水深為21.80m，主動鉆桿+氣水龍頭等長度取15.0m，則有：

(2)

由公式(2)計算可知，沉沒比完全滿足氣舉反循環要求。

常規氣舉反循環工藝，鉆具太重，遠遠超過了項目現場使用的SPC-600型鉆機的卷揚起重能力，需要更換鉆機，同時現場鉆桿和鉆具也要更換，造成施工成本大幅度增加，更換鉆機和鉆具需要消耗大量人力、財力、時間。在原有設備和鉆桿不變的情況下，提出了內插管式氣舉反循環工藝并進行了鉆具研制。

2 內插管式氣舉反循環工藝

2.1 主要施工設備

主要施工設備(鉆具)見表3。

表3 主要施工設備(鉆具)

2.2 工作原理及關鍵部件研制

內插管式氣舉反循環工作原理：空壓機產生的壓縮空氣經進氣管和內氣管流入到氣水混合器中，壓縮空氣與鉆桿內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外管環狀間隙向上流動，與鉆孔沖洗液形成循環，從而將孔底的巖屑連續不斷帶出地表。主要組成部件有空壓機、進氣管、密封器、內管氣管接頭、內管、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、加工的關鍵部件有密封器、內氣管接頭和氣水混合器，其他部分均與正循環牙輪鉆進設備相同。

圖2 內插管式氣舉反循環結構組成

(1)密封器。密封器位于氣水龍頭上部，設計有密封裝置。密封器設計原理為利用密封器上蓋對橡膠圈擠壓產生變形進行密封。現場試驗表明，該結構密封效果良好，結構較簡單，易于操作，每次只需加減橡膠墊。密封器設計結構見圖3，實物照片見圖4。

圖3 密封器設計結構

圖4 密封器實物照片

(2)內氣管接頭。內管選用1寸水管，內管接頭采用反扣螺紋連接，采用1∶16細絲螺紋，進行表面淬火以提高接頭硬度，以保證在單壁鉆桿高速旋轉過程中，有效防止內管脫扣造成孔內事故。現場使用過程中未出現脫扣事故，性能穩定。內氣管接頭結構及實物照片見圖5。

圖5 內氣管接頭設計結構及實物照片

(3)氣水混合器。氣水混合器是氣舉反循環最關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。與常規氣舉反循環鉆具不同的是本文研究的氣水混合器內管是氣體到外管(鉆桿/單壁鉆桿)和內管的環狀間隙為氣水固通道，為減小壓縮空氣對上返沖洗液的阻力，氣水混合器最下端為倒圓錐形，氣水混合器的氣孔可以設計為水平孔式、斜孔焊導式、斜孔鉆導式，如圖6所示。

水平氣孔：該方案是垂直內管封底鉆孔，氣孔直徑為3mm。經現場試驗，排泄顆粒粒徑2～3mm，粉狀居多，中硬地層中機械鉆速為0.5m/h，當風壓、風量較大時，機械鉆速降低,見圖6(a)。

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

斜孔焊接噴射式噴氣嘴：在斜孔鉆導氣孔式基礎上進行改進，將氣孔擴大設計插有內徑3mm的噴射導氣管，該方案充分利用射流原理，使壓縮空氣產生噴射氣流，在內外管環狀間隙形成大的負壓區，氣水固混合物流動速度更快，攜帶更大顆粒巖屑。經現場試驗，排泄顆粒粒徑5～10mm，巖屑均為粒狀，中硬地層中機械鉆速為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+主動鉆桿，內管置于主動鉆桿和Φ89鉆桿內部，下入井內深度約75m，鉆壓為30～50kN，轉速30r/min，風量6m3/min，風壓1MPa。

2.3.2 施工流程

(1)提鉆流程

①主動鉆桿與鉆桿卸開，提升主動鉆桿至內管系統的第一接頭處，用小墊叉將井內內管卡好并固定在第一根鉆桿上，人工卸開內管，繼續提升主動鉆桿與內管至最高位置。

②通過卷揚機利用內管專用提引接頭逐根提出井內內管，內管接頭全部由人工卸開。

③將鉆桿及鉆鋌逐根提出孔外。在提鉆時應注意先將內管全部提出，再提出鉆桿。

(2)加桿流程

①主動鉆桿與鉆桿卸開，提升主動鉆桿至內管系統的第一接頭處，用小墊叉將井內內管卡好并固定在第一根鉆桿上，人工卸開內管，繼續提升主動鉆桿與內管至最高位置。

②將編好的鋼絲繩放于鉆桿內部，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管提引接頭用安全環連接，再擰緊鉆桿，將鉆桿下入井內，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，將內管提至鉆桿最上部，并用小墊叉固定。

③下放主動鉆桿，先將主動鉆桿中的內管與井口的內管人工上緊，再將主動鉆桿與井內鉆桿上緊，完成加桿。

3 應用效果分析

在該地熱勘查井鉆進施工中，鉆至438.76m時，采用了內插管式氣舉反循環鉆進工藝。解決了強含水、漏失嚴重、孔壁不穩定、易卡鉆等復雜地層施工問題。經統計分析，與常規正循環牙輪鉆進、鋼粒鉆進相比，氣舉反循環鉆進孔底干凈，巖屑為顆粒狀，不產生重復碎巖，鉆頭使用壽命長，施工效率也大幅度提高，在堅硬段地層純機械鉆速達0.4m/h，中硬段地層純機械鉆速可達1.0m/h。

與常規氣舉反循環相比，大幅度減少了成本投入，技術應用所花費材料及加工費用等僅為3000余元，遠低于常規氣舉反循環設備和鉆具調配、使用費用。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強度，可使用原有鉆探設備、鉆桿和鉆具，鉆機提升能力和鉆探承載能力不需要改變。

鉆進過程中井內安全未出現卡、埋事故。鉆井液利用孔內清水，對含水層未產生污染、堵塞，極大限度的保證了用水量，實現了綠色地熱勘查，同時工藝巖樣采取率為100%，為地熱勘查提供了真實、可靠的實物資料。 氣舉反循環鉆進過程又是洗井過程，可在鉆井結束后直接進行抽水試驗，大幅度節省了下泵洗井費用。

4 結論

(1)經現場試驗，內插管式氣舉反循環部件結構設計、施工工藝較為合理，是水井、淺中深度地熱井遇強含水、漏失(涌水)、復雜地層鉆探施工行之有效的解決方法。

(2)內插管式氣舉反循環鉆進工藝不需要更換原有鉆機設備、鉆桿和鉆具，原鉆機提升能力完全滿足，適合較小的鉆機推廣應用，例如SPC-300、SPC-600等小型鉆機均可使用。

(3)部件結構簡單、技術應用門檻較低，所需材料費及加工等費用可低至幾千元，無需向專業廠家購買，利于根據鉆探工程需要隨時配套、使用。