氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在地熱深井施工中的應用

  國內地熱開(kāi)發(fā)日趨成熟，但貴州起步較晚，我院繼２００６年１０月采用正循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在貴陽(yáng)市新添寨順海村葉家莊保利溫泉新城開(kāi)始施工ＺＫ２號地下熱水井（該井是貴州省自己施工的第一口地熱 井，成井深度１９２２暢４４ｍ，日出水量１０１９ｍ３ ，井口水溫５５℃，完全滿(mǎn)足施工合同所要求的成井各項指標），后又于２００７年８月在同一地點(diǎn)施工ＺＫ３號地下熱水井，采用正循環(huán)和氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，成井 深度２１９１暢２３ｍ，日出水量１２６８暢６１ｍ３ ，井口水溫４７℃，各項指標均滿(mǎn)足合同要求。

 

  １ 地質(zhì)概況

 

  該井位于貴州省貴陽(yáng)市新添寨順海村葉家莊保利溫泉新城，地貌類(lèi)型主要為溶蝕地貌，侵蝕－剝蝕地貌，河谷地貌，地層構造位于地跨揚子準地臺的黔北臺隆和黔南臺陷兩個(gè)次級構造單元部，構造變形復雜，燕山運動(dòng)形成區內構造骨架，其早期主要形成川黔經(jīng)向構造體系，晚期則主要形成新華夏構造體系。區內斷裂發(fā)育，為地下熱水的深循環(huán)提供了通道。本次成井的熱儲層為寒武系中統婁山關(guān)群至下統清虛洞組，主要為白云巖、泥質(zhì)白云巖、泥灰巖等，熱儲體蓋層為志留系中下統高寨田組至奧陶系下統桐梓組，泥頁(yè)巖、泥灰巖厚度大，具有良好的隔熱性 能，對下伏熱儲層具有良好的保溫作用。

 

  ２ 鉆進(jìn)設備

 

  ＲＰＳ－３０００型水井鉆機１臺，３ＮＢ－５００和ＢＷ１２００型泥漿泵各１臺，ＶＷＦ－５／４０型空壓機２臺，配套振動(dòng)篩、旋流除砂器和系列鉆具及中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研制的ＳＨＢ１２７／６２型雙壁鉆具。

 

  ３ 鉆進(jìn)方法

 

  ＺＫ３號地熱井上部采用牙輪鉆頭正循環(huán)全面鉆進(jìn)方法施工，高聚物泥漿作鉆井液，鉆至孔深８５８暢１８ｍ處遇一個(gè)５暢６ｍ深的溶洞，泥漿全部漏失，隨后采用多種堵漏措施均未堵住漏失，于是改用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)方法施工。

 

  ４ 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)原理及其優(yōu)點(diǎn)

 

  氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)是將壓縮空氣沿雙壁鉆具輸氣管道送入一定深度經(jīng)混合器進(jìn)入管內循環(huán)液，使混合后的液體密度小于沖洗液的密度，井筒內外就產(chǎn)生壓差，在井內外壓差的作用下，使管內混合的氣液以較高的速度向上流動(dòng)，從而將孔底的巖屑或巖心連續不斷地帶出地表，經(jīng)反循環(huán)振動(dòng)篩，排入沉淀池。沉淀后的泥漿再流回孔內，補充循環(huán)液的空間，如此不斷循環(huán)形成連續鉆進(jìn)的過(guò)程。

 

  氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的最大特點(diǎn)是管路平直，不易堵塞，攜帶上來(lái)的氣、液、固三相流不流經(jīng)任何工作機械，設備磨損小，并具有排巖屑能力強，鉆進(jìn)效率高，鉆頭壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)主要適合在不易垮塌地層使用。

 

  ５ ＺＫ３號井鉆進(jìn)情況及技術(shù)措施

 

  ＺＫ３號井施工到８５８暢１８ｍ處遇一個(gè)５暢６ｍ深 的溶洞，泥漿全部漏失，采用多種堵漏措施未成功，因此完全不能使用正循環(huán)鉆進(jìn)，但該孔熱儲體蓋層屬易垮塌地層，且又未打穿，不能下套管護壁，雖然氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)不適宜在這種情況下使用，但因情況特殊，經(jīng)研究，采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)并向孔內補充高粘度泥漿打穿熱儲體蓋層，下入飽１７８ｍｍ技術(shù)套管進(jìn)行護壁，從而正常使用氣舉反循環(huán) 鉆進(jìn)技術(shù)。

 

  （１）從孔深８６４暢７８～２１９１暢２３ｍ采用氣舉反循環(huán)技術(shù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)進(jìn)尺為１３２６暢４５ｍ，時(shí)效１暢８ｍ，臺效約６００ｍ，鉆進(jìn)中無(wú)重復破碎，攜帶巖粉能力強，井底十分干凈，孔內安全。

 

  （２）由于鉆孔上部地層泥頁(yè)巖厚，孔壁垮塌嚴重，為防止鉆進(jìn)中井內液面下降，保持足夠高的沉沒(méi)比，采用在鉆進(jìn)時(shí)向井內注入高粘度泥漿（７０ｓ）的方法。

 

  （３）雙壁鉆具初始長(cháng)度為２８０ｍ，隨鉆孔深度的延伸增加雙壁鉆具的數量，最多時(shí)達到４２０ｍ。

 

  （４）采用較高轉速鉆進(jìn)時(shí)，反循環(huán)出水不好，采 用低轉速鉆進(jìn)時(shí)，出水效果較好。

 

  （５）改制的三牙輪鉆頭中心孔為４８ｍｍ，并在鉆頭上設置裙板，有利于巖屑在鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)鉆桿順利排至地表。

 

  （６）根據井內情況采取合理的下鉆方式，避免下鉆不當，堵塞鉆頭孔眼。加單根前，認真觀(guān)察出液情況，待循環(huán)液中基本不含巖屑后方能停風(fēng)加單根。

 

  （７）要保證空壓機的送風(fēng)量，必須要求（雙壁、單壁）鉆具本身及接頭處密封良好。

 

  （８）開(kāi)始采用一臺ＶＷＦ－５／４０型空壓機施工，鉆具經(jīng)常堵塞，后采用２臺ＶＷＦ－５／４０型空壓機并聯(lián)使用，基本上解決了鉆具堵塞問(wèn)題?？諌簷C啟動(dòng)風(fēng)壓１暢８～３暢２ＭＰａ，工作壓力１暢２～２暢３ＭＰａ。工作壓力一旦低于１暢０ＭＰａ，即不能形成氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)。

 

  （９）由于鉆具質(zhì)量較大，沒(méi)有選配雙壁氣水龍頭，而是選用正循環(huán)水龍頭加一氣盒子替代進(jìn)行鉆進(jìn)。

 

  ６ 使用效果分析及評價(jià)

 

  （１）在泥漿嚴重漏失地層，采用反循環(huán)鉆進(jìn)可以解決正循環(huán)鉆進(jìn)不能繼續施工的問(wèn)題。但在垮塌地層使用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)時(shí)一定要向井內注入高粘度的泥漿。

 

  （２）在不垮塌地層采用反循環(huán)鉆進(jìn)施工比正循環(huán)鉆進(jìn)施工可大大提高鉆進(jìn)效率。

 

  （３）由于氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)孔底干凈，不產(chǎn)生重復破碎，與正循環(huán)鉆進(jìn)相比，鉆頭使用壽命長(cháng)。在保利ＺＫ２、ＺＫ３號井施工中，同類(lèi)地層飽１５２ｍｍ鉆頭鉆進(jìn)，采用正循環(huán)鉆進(jìn)平均每個(gè)鉆頭可打１５０ｍ，采用反循環(huán)鉆進(jìn)平均每個(gè)鉆頭可打３００ｍ，鉆頭使用效率提高１倍。

 

  （４）由于孔內干凈，采用反循環(huán)鉆進(jìn)還減少了孔內事故的發(fā)生。在ＺＫ３號井施工到１０３８ｍ時(shí)，由于鉆機傳動(dòng)齒輪打壞，孔內鉆具無(wú)動(dòng)力提動(dòng)，經(jīng)過(guò)１０多個(gè)小時(shí)將鉆機修好后，很輕松的就把孔內鉆具提動(dòng)，避免了正循環(huán)粘吸卡鉆事故的發(fā)生，保證了施工安全和高效。

 

  （５）氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)與正循環(huán)鉆進(jìn)相比，節約了泥漿材料費。

 

  （６）氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)過(guò)程又是洗井過(guò)程，因此在鉆井結束后，可直接下泵抽水。

 

  （７）由于氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)具有不污染、不堵塞

 

  ４２探礦工程（巖土鉆掘工程）其次是鉆進(jìn)參數的選擇應盡量做到合理。在遵 循鉆探規程的前提下，根據地層條件和工具的情況 進(jìn)行調整。特別是采用一些非標準設計的鉆頭和工具時(shí)要和現場(chǎng)技術(shù)人員協(xié)商，共同探索合適鉆壓、轉速和水泵的泵量。取煤時(shí)孔底壓力一般保持在７～８ｋＮ左右，泵量６０Ｌ／ｍｉｎ，轉速選擇３００～４００ｒ／ｍｉｎ較為適宜。 第三，在較厚煤層的頂板取心過(guò)程中，不要急于提鉆，要繼續鉆進(jìn)１０～２０ｃｍ，保證煤層頂板完全進(jìn)入巖心管內，保證下部煤層沒(méi)有殘留巖心。每次取心的長(cháng)度應保持在１ｍ左右。當判斷進(jìn)入煤層底板后，要再鉆進(jìn)２０ｃｍ以上，以保證煤心全部進(jìn)入巖心管。采用ＳＭ型鉆具時(shí)，在進(jìn)入煤層后，每回次取心時(shí)盡量少提鉆桿，采用短鉆桿解決加鉆桿問(wèn)題，避免因發(fā)生掉塊而磨損巖心現象。

 

  ４ 結語(yǔ)

 

  （１）繩索取心工藝是目前煤層氣勘探取心工作的唯一工藝，采用該工藝必須處理好煤系地層的松、散、碎、脆問(wèn)題，合理地使用套管技術(shù)，是解決該類(lèi)型地層較為可行的方法。

 

  （２）采用腐植酸鉀＋雙聚物＋皂化油的無(wú)固相泥漿并結合優(yōu)化后的鉆孔環(huán)狀間隙可以很好地解決泥巖地層縮徑問(wèn)題。

 

  （３）煤系地層卡心要采用綜合卡心技術(shù)，實(shí)踐中根據地層條件，薄煤層可以采用一次穿透的辦法取心，厚煤層盡量采用ＳＭ類(lèi)型取心鉆具配合隱蔽式攔簧和卡簧雙作用式卡心機構，基本上可以保證取心率達到８５％以上。