空氣潛孔錘+ 氣舉反循環組合鉆井技術在地熱資源勘查中的應用

雪彥宏，馬 江

（寧夏回族自治區水文環境地質調查院，寧夏銀川 750021）

空氣潛孔錘是利用重錘的高速沖擊作用破碎巖層，適用于破碎比較堅硬的地表巖層。而地熱資源的開發中，鉆進深度往往達到1 km 以上，因此空氣潛孔錘鉆井有一定的局限性。在實際作業中，可以先利用空氣潛孔錘完成地表堅硬巖層的破碎，然后再替換為氣舉反循環工藝，繼續完成地層深部的鉆井任務。由于氣舉反循環技術是利用鉆具內外液面的壓力差實現巖屑返出，可以為鉆具的鉆進創造良好條件，保證鉆進更加高效。同時，氣舉反循環技術還能避免鉆具夜泄露，也符合當前提倡的“綠色施工”理念。因此，在地熱資源的開發與利用中，熟練掌握“空氣潛孔錘+氣舉反循環”組合鉆井技術，對兼顧施工質量、效率與環保有積極幫助。

1 氣舉反循環鉆進的工藝特點與參數計算

1.1 氣舉反循環鉆進的工藝特點

現階段國內地熱資源開發中鉆進深度最大可達4 000 m。隨著鉆進深度的增加，遇到破碎巖層、漏失地層的概率也會顯著上升。除了增加鉆進難度、降低作業效率外，還有可能會出現埋鉆、卡鉆等問題，給施工單位造成經濟損失[1]。氣舉反循環作業是一種適用于地層深度開采的成熟工藝，其原理是利用空壓機將空氣壓縮后，再利用氣水龍頭和連接管路，將壓縮空氣與鉆具內的鉆井液混合。利用內外液面壓力差的作用，讓混合液攜帶鉆孔內的固相顆粒，沿著鉆井內的環向間隙從下往上返出。氣舉反循環的工藝原理見圖1。

圖1 氣舉反循環鉆進示意圖

結合圖1 可知，氣舉反循環系統的核心設備包括空壓機、雙壁鉆具、水氣盒子、三牙輪鉆頭等。與常規的鉆進工藝相比，氣舉反循環工藝的優越性主要體現在以下幾個方面：（1） 能夠避免鉆進過程中鉆井液泄露而引起地層水污染的問題，兼顧了環保效益和經濟效益；（2） 在地質條件較好的情況下，現場鉆進作業可直接抽取地下水作為鉆井液，使得施工成本進一步降低；（3） 用于沖洗鉆孔的介質上返速度快，能夠保證深部鉆進時產生的巖屑被及時排出孔外，有利于減輕鉆頭的磨損，提高作業的效率。同時，現場施工人員還可以通過收集上返的沖洗介質，判斷當前的地層狀況；（4） 可適用于以下較深的鉆孔。從工程實踐來看，使用氣舉反循環工藝可以在鉆進深度達到3 000 m 仍然保持良好的作業狀態。

1.2 氣舉反循環鉆進關鍵參數計算

1.2.1 沉沒系數

鉆井液面以下雙壁鉆具長度（H）與雙壁鉆具總長度的比值，即為沉沒系數（η），其計算公式為：

式中：h 為液面以上雙壁鉆具的長度，單位為m。在氣舉反循環鉆進作業中，使空壓機保持在額定壓力下運行，然后盡量增大沉沒系數，可以提高鉆進效率。正常情況下，沉沒系數最小不得低于0.5[2]。沉沒比與效率系數的對應關系見表1。

表1 氣舉反循環沉沒比與效率系數的對應關系

1.2.2 雙壁鉆桿與鉆井直徑的關系

本次工程項目中主要使用了3 種規格的雙壁鉆桿。SHB114 型鉆桿的內管直徑為81 mm，外管直徑為115 mm，使用該鉆桿形成的鉆孔直徑在120～250 mm；SHB127 型鉆桿的內管直徑為88 mm，外管直徑為130 mm，使用該鉆桿形成的鉆孔直徑在250～500 mm；SHB140 型鉆桿的內管直徑為100 mm，外管資金為150 mm，使用該鉆桿形成的鉆孔資金在500～800 mm。

1.2.3 鉆具液上返流速

在實際作業中，要求鉆井液的上返流速≥固相顆粒下沉速度，才能使固相顆粒維持在懸浮狀態或上返狀態。在氣舉反循環工藝中，對于上返空氣的流速要求控制在15～25 m/s 之間；如果是氣液固的混合物，則要求上返速度在3.5～5.0 m/s 之間。其中，鉆具內鉆井液的上升速度（Vmin）可通過下式求出：

式中，df為巖屑顆粒直徑，單位為m；rf為巖屑密度，r1為鉆井液密度，單位均為g/cm3。

2 空氣潛孔錘+氣舉反循環組合鉆井技術

2.1 地熱地質條件

項目位于一處壓扭性深大斷裂帶上，裂隙發育成熟，為地熱水的儲存和運移提供了有利環境。初步地質勘測表明，多數巖石節理裂隙發育密度在15～20條/m3，個別可以達到36 條/m3。裂隙水主要來自于地表水，各區域的富水性有明顯差異，總體流向為由南向北徑流[3]。地表出露泉眼共有3 處，最大溫水流量10.3 t/h，溫度在40～60 ℃。隨著旅游開發程度的不斷加深，溫泉的溫水流量已經不滿足需要。為更好地利用地熱資源，擬采取“空氣潛孔錘+氣舉反循環”組合鉆進技術進行開發。

2.2 鉆進設備選型

本次工程中使用到的核心設備有TSJ-4400 型鉆機、RHP-825F 型螺桿式空壓機、3NB-600 型泥漿泵等。這里以鉆機為例，其參數見表2。

表2 TSJ-4400 鉆機的基本參數

于鉆進施工前3 天安排施工機械進場，對照設備清單進行核查，保證設備數量、型號等符合要求，起動試運行保證設備工況良好，以備使用。

2.3 鉆進方法

結合地質勘測結果，本地巖石堅硬，并且破碎帶廣泛分布，為此設計了“空氣潛孔錘+氣舉反循環”組合的鉆進方案。首先使用空氣潛孔錘在基巖地層上鑿孔，隨著鉆機鉆進深度的增加，當水壓升高、阻力增大，導致鉆機鉆進困難后，再替換成氣舉反循環工藝。氣舉反循環鉆進分為3 個階段：第一階段（238 m～300 m）：使用350 mm 牙輪鉆頭，90 mm 鉆桿，配合使用雙壁立軸與氣水混合器完成鉆孔。該階段轉速維持在0.60 m/h，地層礦物成分以角閃石、黑云母等；第二階段（300 m～686 m）：使用215 mm 牙輪鉆頭，90 mm鉆桿，配合使用雙壁立軸與氣水混合器完成鉆孔。該階段轉速維持在0.75 m/h，地層礦物成分以斜長石、凝灰巖為主；第三階段（686～1 200 m）：使用160 mm 牙輪鉆頭，90 mm鉆桿，配合使用雙壁立軸與氣水混合器完成鉆孔。該階段轉速維持在0.55 m/h，地層礦物成分以英安巖、石英為主。

2.4 空氣潛孔錘鉆進

空氣潛孔鉆使用φ350 mm 合金鉆頭，風壓2.0 MPa，最大轉速35 rpm，避免轉速太快、扭矩過大而出現鉆桿折斷的情況[4]。選擇空氣潛孔錘的優勢在于：適用范圍廣泛，在無水或者有地下水的情況下都可鉆進，對提高作業效率有積極幫助。同時，作業期間可以實時觀測地層情況，如果發現出水為止，或者是出水量突然增多的情況，可以立即停止鉆井進行處理，提升作業質量。除此之外還可以做到鉆進與洗井的同步進行，不容易對含水層的污染。在使用空氣潛孔錘鉆進時，為保證鉆孔內的巖屑、石粉等能夠順利排出，需要空氣上返速度必須達到15 m/s。空壓機的供風量（Q）可通過下式計算得出：

Q≥47K1K2（D2-d2）V

式中，K1和K2分別表示孔深修正系數、孔內涌水量影響系數。當孔深不超過200 m 時，K1的取值為1.1；當孔深超過200 m 時，K1的取值為1.25。在涌水量較小的情況下，K2的取值為1.5。D 和d 分別表示鉆孔直徑、鉆桿外徑，V 表示上返速度，通常在15～25 m/s 之間。根據設備說明書，可知RHP-825F 型螺桿式空壓機的額定分量為24.4 m3/min，將各項參數帶入上述公式后，求得實際上返速度，見表3。

表3 試驗鉆孔實際上返速度評價

將空氣潛孔錘的鉆進作業分為2 段，其中0～100 m 段內使鉆速穩定在1.5～3.5 m/h 范圍內；在100～238 m 段內使鉆速恒定在1.6 m/h。統計從0～238 m內空氣潛孔錘鉆進深度與鉆速對應關系，并繪制曲線圖，見圖2。

圖2 空氣潛孔錘鉆井深度與轉速的變化曲線

結合圖2 可知，隨著鉆進深度的增加，由于巖石密度不斷加大，以及受到排水背壓等因素的影響，鉆速也逐漸變緩。在最終達到238 m 時，平均鉆速接近1 m/h，此時鉆進效率明顯下降。故不宜再使用空氣潛孔錘鉆進，需要替換為氣舉反循環鉆進。

2.5 氣舉反循環鉆進

如上文所述，本次工程中氣舉反循環鉆進共分為3 個階段，各階段的參數設計與鉆效如下：

第一階段：鉆壓4.8 t，轉速75 rpm，供氣量24.4 m3/h。最低鉆速0.33 m/h，最高轉速0.91 m/h，該階段平均鉆速0.60 m/h。由于該階段的進尺深度只有62 m，地質類型比較單一，因此鉆速變化不明顯；

第二階段：總進尺達到了386 m，完成全段鉆進共使用了4 個合金鉆頭，平均每鉆進96.5 m 需要消耗一個鉆頭。根據現場作業情況，新鉆頭安裝后鉆速較低，在鉆進作業35 h 后鉆速達到最高，維持該轉速約25～30 h 后，鉆速開始下降，直到鉆頭報廢。鉆速與使用時間的變化曲線見圖3。

圖3 鉆頭使用時間與鉆速的關系曲線

該階段施工總用時為25 d，平均每天進尺15.44 m。最低鉆速0.45 m/h，最高鉆速1.86 m/h，該階段平均鉆速為0.85 m/h。平均機械鉆效為0.60～0.85 m/h，相比于空氣潛孔錘作業，其效率可提升2.2～2.5 倍。

第三階段：總進尺為514 m，共計消耗鉆頭9 個，平均每進尺57.1 m，需要替換一個新的鉆頭，該階段平均鉆速0.55 m/h。耗時42 d，平均每日鉆進深度12.24 m[5]。

3 結論

在復雜地層下進行深層地熱資源開發時，需要使用“空氣潛孔錘+氣舉反循環”組合工藝。對于表層比較堅硬的巖層，可使用空氣潛孔錘進行高速鉆進，提高作業效率；對于地下200 m 以下的巖層，為避免鉆桿折斷、保證鉆進效果，需要替換成氣舉反循環工藝，確保順利達到指定的鉆進深度。在本次工程中，使用氣舉反循環技術可以保證平均鉆效達到0.60～0.85 m/h，相比于常規的鉆進工藝提升了2 倍多，兼顧了質量與效率，為地熱資源的開發和利用提供了技術支持。