插管懸掛式氣舉反循環(huán)鉆具在地熱井施工中的應(yīng)用及改進

程 林，滿國祥，孔令滬，崔 杰，王士昭，解少朋

(河北省地礦局國土資源勘查中心石探廠，石家莊 050081)

0 引言

氣舉反循環(huán)鉆進工藝由于反循環(huán)液流上返速度高，所以攜帶巖屑能力強，具有鉆進效率高、鉆頭壽命長、成井質(zhì)量好，在復雜地層中鉆進安全可靠，在漏失地層可不堵漏直接鉆進，節(jié)省輔助時間和減輕勞動強度等優(yōu)點。因此，在地熱井鉆進施工中氣舉反循環(huán)鉆井工藝應(yīng)用越來越廣泛。但現(xiàn)在氣舉反循環(huán)鉆井施工中，應(yīng)用的鉆具多為雙壁鉆具，插管懸掛式氣舉反循環(huán)鉆具在國內(nèi)應(yīng)用尚少[1-5]。

1 插管懸掛式氣舉反循環(huán)鉆具的組成

插管懸掛式氣舉反循環(huán)鉆具是通過氣水龍頭內(nèi)插管懸掛裝置將插管獨立懸掛于鉆桿內(nèi)，建立一條壓縮空氣進入鉆桿的通道，插管末端設(shè)有氣水混合管，將高壓空氣均勻的混合于鉆井液中，從而實現(xiàn)氣舉反循環(huán)鉆進(圖1)[6-8]。

2 兩種氣舉反循環(huán)鉆具優(yōu)缺點對比

氣舉反循環(huán)雙壁鉆具和插管懸掛式氣舉反循環(huán)鉆具都可進行氣舉反循環(huán)鉆井施工，但兩種鉆具因其結(jié)構(gòu)設(shè)計和連接方式的不同在使用中存在各自的優(yōu)缺點(表1)。

3 用于地熱井施工的鉆具配置及專用工具

用于地熱井施工的插管懸掛式反循環(huán)鉆具主要由125t氣水龍頭、Φ133mm方鉆桿、Φ127mm摩擦焊鉆桿、Φ89mm摩擦焊鉆桿、Φ127mm鉆鋌、Φ159mm鉆鋌、Φ178mm鉆鋌、反循環(huán)牙輪鉆頭、1吋插管(通徑20mm)、1吋氣水混合管(通徑20mm)等鉆具組成。為了實現(xiàn)較好的氣舉反循環(huán)排渣效果，氣舉反循上返截面采用90mm通徑，即與插管配合的鉆具氣水龍頭、方鉆桿、摩擦焊鉆桿最小內(nèi)通徑均為90mm。

由于插管懸掛式氣舉反循環(huán)鉆具外部鉆具與內(nèi)部插管為相互獨立的懸掛結(jié)構(gòu)， 在組建和拆分鉆柱時均需要單獨操作，在起下鉆時分先后順序單獨組件即可。但在鉆進中加桿時就需要用到專用工具：插管加桿器才能實現(xiàn)快速加桿。

表1 氣舉反循環(huán)雙壁鉆具和插管懸掛式氣舉反循環(huán)鉆具對比

圖1 鉆具連接及施工工藝示意圖

4 施工應(yīng)用實例

4.1 施工過程

2016年8月，陜西省煤田地質(zhì)局139隊應(yīng)用我中心生產(chǎn)的Φ127mm插管懸掛式氣舉反循環(huán)雙壁鉆具在浙江省桐廬縣施工一口1 500m地熱井?，F(xiàn)場應(yīng)用設(shè)備：TSJ2600/445型水源鉆機；TBW1200/7B泥漿泵,排量,7.5m3;壓力,4MPa的撬裝式空壓機。井深結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 井身結(jié)構(gòu)

由于當?shù)氐叵滤Y源較為匱乏，為滿足出水量要求，在鉆井設(shè)計中要求不能封隔上部含水層，在鉆孔三開后必須用氣舉反循環(huán)鉆井工藝施工，以避免在鉆孔過程中堵塞含水層，從而影響該井的出水量和出水溫度。在實際施工中，鉆至350m鉆遇含水層，出現(xiàn)鉆井液漏失現(xiàn)象，在頂漏鉆進至400m時已無鉆井液上返，因鉆井設(shè)計中不允許堵漏，提前改用插管懸掛式氣舉反循環(huán)鉆進，下入300m插管，改變工藝后鉆井液循環(huán)恢復，鉆井液上返速度達到2m/s，上返鉆渣顆粒增大，大顆粒直徑達1cm以上；重復破碎減少，鉆進效率提高，約為泥漿正循環(huán)鉆進的2倍左右；重復破碎減少，鉆頭壽命延長，單只鉆頭進尺米數(shù)成倍提高。

4.2 施工應(yīng)用中的問題及改進

在二開施工完成下入套管后，更換插管鉆具采用插管懸掛式氣舉反循環(huán)鉆進工藝進行三開施工。在下鉆臨近孔底時，啟動空壓機，氣舉反循環(huán)建立，但開始旋轉(zhuǎn)下放鉆具后，排渣管出現(xiàn)只冒氣不出水現(xiàn)象，反復多次均是如此。根據(jù)現(xiàn)象分析應(yīng)是鉆頭吸渣口堵塞造成的不上返，造成這一現(xiàn)象的原因應(yīng)是二開完鉆后長時間的停鉆造成沉淀物較多，同時鉆頭下入速度較快，使得沉淀物的大量吸入造成吸渣口堵塞。得出結(jié)論后，重新啟動空壓機，待氣舉反循環(huán)建立，使鉆具旋轉(zhuǎn)緩慢下放，以免再次造成堵塞，直至完全清除孔底沉淀物后，再采用正常鉆壓鉆進，采用此種方法順利完成清孔。

在三開施工中鉆遇硬地層，當時正采用5系列氣舉反循環(huán)牙輪鉆頭進行鉆進施工，出現(xiàn)跳鉆和憋鉆現(xiàn)象，初步判斷可能的牙輪鉆頭斷齒造成的，隨后立即停鉆，并提鉆檢查，提出鉆頭后發(fā)現(xiàn)鉆頭合金齒斷齒嚴重。經(jīng)分析，斷齒原因為：地層較硬，5系鉆頭合金齒較長，在進尺減慢后，司鉆加大了鉆壓，造成合金齒受力過多折斷。得出結(jié)論后，決定換用6系列氣舉反循環(huán)牙輪鉆頭。更換鉆頭后，跳鉆和憋鉆現(xiàn)象消失，但由于地層較硬，進尺速度降低，在增大鉆壓、增加轉(zhuǎn)速后進尺速度有所提高，只是鉆頭磨損加劇，增加了鉆頭的損耗。

氣舉反循環(huán)鉆進正確選擇牙輪鉆頭，對提高鉆進效率和保證工程質(zhì)量是非常重要的。牙輪鉆頭應(yīng)最大限度地符合所鉆巖石的特性，選擇牙輪鉆頭的系列和齒型尤為重要。實踐證明采用牙輪鉆頭鉆進，進尺速度的快慢取決于鉆頭轉(zhuǎn)速和軸向鉆壓兩個因素。其中軸向鉆壓所起的影響最大。只有在鉆頭上造成一種壓力使之超過地層的極限抗壓強度，才能使牙輪齒有效的進入地層。同時再加以適當?shù)霓D(zhuǎn)速，才能使巖石容易在較短時間內(nèi)達到體積破碎的效果。從氣舉反循環(huán)鉆進方法排出的巖屑可知，鉆壓愈大，從井底剝落的巖屑顆粒也愈大，鉆頭使用得越有效，在實際使用中鉆壓應(yīng)盡量鉆頭廠家推薦的數(shù)值。轉(zhuǎn)速不宜過高，因為太高的轉(zhuǎn)速會使載荷作用于巖石的時間短，達不到體積破碎的效果，并使牙輪的牙齒很快磨損，牙輪軸承受到破壞。一般情況轉(zhuǎn)速為40～80r/min較適宜。

5 結(jié)語

插管懸掛式氣舉反循環(huán)鉆具是一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、耐用性好、且通用性強的氣舉反循環(huán)鉆具。在地熱井施工中應(yīng)用氣舉反循環(huán)采用清水鉆進，對地層壓力小，成孔后不用洗井，節(jié)省時間和成本，可明顯提高地熱井的成井效率和成井質(zhì)量。隨著地熱資源的開發(fā)、利用日益普及，插管懸掛式氣舉反循環(huán)鉆具也將極大的推廣、使用。