氣舉反循環技術在地熱鉆井中的應用

靳廷朝

(河南省地礦局第一地質環境調查院，鄭州 450045)

1 項目概況

為開發新鄉市云龍山大健康文化產業園項目，提升文化園內旅游產業品味，使用綠色能源，促進云龍山大健康文化產業園的發展,受新鄉市德睿實業有限公司委托施工一口地熱井。

該項目取水層位為太古界片麻巖地層，太古界變質巖系地層富水性差，找水難度很大，一般被視為“找水禁區”。 物探技術人員反復研究相關資料，結合物探數據解釋結果，最終確定井位。鉆井施工中，由于地層處于斷裂帶上，巖層破碎，塌孔、掉塊、卡鉆及容易偏斜等問題時有發生，采用氣舉反循環施工工藝[1]克服了種種困難，實現了太古界片麻巖地區地熱勘探的新突破。最終成井深度2551.48 m，水量50 m3/h，水溫55℃。

2 工程地質條件

2.1 區域水文地質條件

本區地下水可劃分為兩種不同的基本類型。上部奧陶、寒武系碳酸鹽巖裂隙巖溶水地下水發育，其水量豐富，分布不均勻，但水溫低，需要隔離；下部太古界地層構造裂隙發育，富水且水溫高。本次地熱取水目的層為太古界片麻巖構造裂隙水。

2.1.1 太古界(Ar)

本區太古界為登封群，巖性主要為片麻巖、石英砂巖，鉆孔揭露865.00～2551.48 m。地層受青羊口斷層影響，地層深部構造裂隙發育。

2.1.2 寒武系(∈)

(1) 下統(∈1)。自下而上分為辛集組和饅頭組。辛集組(∈1x)，鉆孔揭露750～865 m，下部巖性為紅色石英砂巖、紫紅色頁巖夾泥灰質白云巖，上部為灰色薄、中厚層狀灰質白云巖。饅頭組(∈1m)，鉆孔揭露630～750 m，底部為紫紅色粉砂巖、頁巖，主要為黃色板狀白云質泥灰巖夾紫紅色頁巖。

(2) 中統(∈2)。分為毛莊組、徐莊組和張夏組。毛莊組(∈2m)，鉆孔揭露500～630 m，下部為紫紅色頁巖、粉砂巖，上部以深灰色厚層狀灰巖、泥質灰巖為主，夾透鏡狀白云巖層。徐莊組(∈2x)，鉆孔揭露400～500 m，上部為深灰色薄層狀含竹葉狀灰巖、泥質條帶灰巖及巨厚層鮞狀灰巖，巖溶發育，下部主要為黃綠色頁巖，夾薄層灰巖泥灰巖。張夏組(∈2zh)，鉆孔揭露185～400 m，主要為灰、深灰色厚、巨厚層鮞狀灰巖、白云質灰巖，巖溶發育。

2.1.3 奧陶系下統(O)

為厚至巨厚細晶或粗晶白云巖，鉆孔揭露20～185 m，巖溶發育。

2.1.4 新近系(N)

為棕紅色、淺黃色及雜色砂質黏土、泥灰巖及泥質砂巖，多未膠結或半膠結0～20 m。

2.2 地質構造

本區構造部位處于新華夏系太行山隆起的東南邊緣和華北凹陷的過渡地帶，南鄰秦嶺緯向復雜構造帶。區內構造痕跡以斷裂為主，新構造運動比較活躍，并多呈繼承性活動。

(1)青羊口斷層(F1)。由青羊口經本區金燈寺—北站延至新鄉一帶，全長大于100 km，走向北東25°～40°，傾向南東，為高角度正斷層，垂直斷距大于1000 m，該斷層晚近期仍有活動。據鉆孔資料，上第三系上部泥灰巖被斷開，斷距60～90 m，反映到地貌形態上，此斷裂北西側為太行山麓的山岳地貌，南東側為堆積平原地貌。

(2)山彪—五陵斷層(F2)。由山彪、五陵與青羊口大斷層復合，走向北東40°～50°，傾向北西，斷距20～30 m，為正斷層，斷至上第三系泥灰巖，從該斷層和青羊口斷裂成“入”字型斜接的關系看，可能是青羊口斷裂的分支斷層。該斷層穿過本井區域，對本井水文地質條件有重要影響。

(3)西曲里斷層(F3)。由西曲里沿衛河向北東方向延伸，走向北東40°左右，傾向南東，斷距20～40 m，向北東方向逐漸消失，為高角度正斷層，切穿地層至上第三系泥灰巖。

2.3 施工條件分析

該地區地層老，結構復雜，易偏斜、漏失，施工程序復雜，要到達含水層，需要通過高裂隙發育帶奧陶系灰巖漏失層。巖性多變、軟硬不同，鉆頭選型困難；部分泥巖中含有鈣質團塊，地層非均質、夾層發育，巖性變化大，在井底形成非均質切削；井內掉塊導致蹩、跳鉆嚴重，極易造成鉆具脹扣和斷鉆具事故。辛集組砂巖層研磨性較強，太古界片麻巖可鉆性8～9，屬于硬巖，造成鉆頭的磨損速度快，鉆進效率低，極易疲勞損壞，導致鉆井周期和成本比較高。

3 鉆井工藝

3.1 設備選型

選用TSJ3000型水源鉆機和與之配套的LG.VF-10/60高壓空氣壓縮機及HS-37型四腳鉆塔。LG.VF-10/60高壓空氣壓縮機的公稱容積流量10 m3/min，額定排氣壓力6 MPa，108 mm×108 mm雙壁主動鉆桿及雙壁氣水龍頭，直徑114 mm內平雙壁鉆桿300 m和89 mm(內徑70 mm)單壁鉆桿。

3.2 氣舉反循環鉆井工藝

先用直徑445 mm鉆頭鉆孔，然后下入直徑425 mm保護管30 m，確保上部孔壁安全穩定。在一開鉆進時首先采用正循環鉆進工藝，使用直徑346 mm鉆頭鉆進，在鉆進至231 m深奧陶系灰巖地層時，孔內漏漿嚴重，采用多種方法堵漏，地層仍漏漿嚴重。測試發現漏失地層富含地下水，地下水位50 m左右。

氣舉反循環鉆進工藝[2]廣泛應用于漏水嚴重的基巖地層中，彌補了大漏失地層無法正常泥漿正循環鉆進的不足，鉆進效率、成井質量都優于正循環工藝。經研究，本工程采用氣舉反循環鉆井工藝。

3.2.1 反循環鉆頭設計

常規鉆頭分刮刀鉆頭、三牙輪鉆頭及PDC合金鉆頭等，其中三牙輪鉆頭又分為鋼齒鉆頭和鑲齒鉆頭。反循環鉆頭需要在常規鉆頭中心切割出一個與鉆桿內徑相通的圓孔，可以使井底刻取的巖屑在反循環作用下，經鉆頭中心孔、鉆桿內管排至地表[3]。

本井施工采用江漢石油設備廠生產的HJ517GK、HJT537G型、HJT547鑲齒牙輪鉆頭。在牙輪鉆頭中心位置開直徑為50 mm進水孔，鉆頭牙掌上設置鋼筋裙網，減少鉆頭邊部的磨損，增加出渣效果，鉆頭見圖1。

圖1 氣舉反循環鉆頭Fig.1 Air-lift reverse circulation bit

3.2.2 鉆具配置

依據地質設計給出的地層剖面及巖性描述，本工程采用以下鉆具組合：①直徑346 mm鉆頭+直徑203 mm鉆鋌5根+直徑178 mm鉆鋌6根+直徑159 mm鉆鋌6根+直徑89 mm鉆桿+主動(雙壁)鉆桿；②直徑311.1 mm鉆頭+直徑203 mm鉆鋌+直徑203 mm鉆鋌+直徑308 mm扶正器+直徑203 mm鉆鋌3根+直徑178 mm鉆鋌6根+直徑159 mm鉆鋌6根+直徑89 mm鉆桿+直徑114 mm 雙壁鉆桿+主動(雙壁)鉆桿；③直徑215.9 mm 鉆頭+直徑159 mm鉆鋌+直徑159 mm 鉆鋌+直徑214 mm扶正器+直徑159 mm鉆鋌13根+直徑89 mm鉆桿+直徑114 mm雙壁鉆桿+主動(雙壁)鉆桿。

3.2.3 施工參數

本井一開井段(0～325.15 m)使用正循環鉆進工藝，泥漿泵排量23 L/s，泵壓2 MPa，之后的井段采用氣舉反循環鉆進，各井段詳細鉆進參數見表1。

表1 鉆井技術參數Table 1 drilling technical parameters

氣舉反循環鉆進效率主要取決于壓縮空氣的壓力、風量以及混合器沉沒在水中的深度[4]，以下為氣舉反循環主要鉆進參數。

①根據不同地層情況、巖性、鉆頭尺寸及出渣情況調整鉆壓，上部灰巖控制在80～120 kN，下部片麻巖、砂巖控制在30～80 kN，鉆壓不能超過鉆鋌總重量的2∕3，以防孔斜。②采用40～70 r/min轉速鉆進即可，不能盲目使用高速，以防產生劇烈振動，發生孔內事故。③根據孔深、靜水位和“鉆屑能力”等確定風壓，空壓機啟動風壓2.6～3.2 MPa，工作壓力1.4～2.3 MPa，工作壓力如果低于0.8 MPa就不能形成氣舉反循環鉆進。④風量10 m3/min。⑤混合器埋深應采用不低于50%的沉沒比，隨著井深的增加逐漸增大沉沒比，混合器埋深150～227 m，最大沉沒比保持在70%以上。⑥雙壁鉆具與井深比為1∶10至1∶2[5]。

3.2.4 主要技術措施

①在施工時應盡可能采用較大的沉沒比，最小不低于50%；雙壁鉆具的初始長度141 m，隨著井深的增加逐漸加大沉沒比，最后保持在70%以上，即混合器埋深180～227 m；空壓機風量≥6 m3/min[6]。②本井的循環液來自井內地層的自流補給，補給量大于15 m3/h，滿足氣舉反循環的沖洗液攜帶巖屑的需要。③雙壁鉆具要密封連接螺紋，不能用穿刺的鉆具，以免形成短路循環，發生燒鉆、埋鉆等事故。④送氣前鉆頭與井底保持一定距離，防止鉆頭水眼被井底的巖屑堵塞；待排出的水液清潔后，再將鉆頭緩慢送至井底。⑤當攜帶出的巖屑濃度大時，應控制鉆進速度，切勿突然停止送風；加單根前，觀察出水液情況，待水液中基本不含巖屑后方能停風加單根。⑥注意觀察排出水液量的大小變化及攜砂情況，當水液量變小時，即刻檢查鉆頭、鉆具內管是否堵塞，水液中巖屑是否過多，或井內是否發生坍塌情況；當水液中不含巖屑時，應判斷是沉沒比不足，還是井底巖屑顆粒過大，水液攜帶不上來[7]。

3.2.5 鉆井液工藝

在深井鉆探施工中，鉆遇的地層非常復雜，而鉆進不同地層所采用的泥漿體系也不盡相同。本著安全與節約的原則，我們對于不同井段配置了不同體系的泥漿，氣舉反循環鉆進循環液為清水[8]。

在正循環鉆進時采用聚合物優質低固相泥漿液護壁，泥漿密度1.05～1.16 g/cm3，黏度25～45 s，API濾失量10 mL/30 min，pH 8～9，含砂量小于0.3%，泥餅厚0.5～1.0 mm。

在鉆進至231 m時井內泥漿漏失嚴重，判斷為地層裂隙發育且富含地下水，在堵漏失敗后決定使用氣舉反循環鉆進工藝，鉆井液使用清水鉆進。本井采用的清水鉆進保護了水層，提高了鉆進效率，有效地保證了成井質量。

4 成井工藝

4.1 鉆井結構

該地熱井成井深度2551.48 m，采用三開式成井結構的地熱井[9]，按不同井徑下入兩種不同規格國產無縫石油鋼管及裸孔成井，井身結構見圖2。

圖2 成井結構圖Fig.2 Well completion diagram

一開，井深0～325.15 m，下入直徑425 mm保護管30 m，采用直徑346 mm牙輪鉆頭鉆進，下入直徑273.1 mm國產無縫石油鋼管作為泵室段套管，鋼級J55，壁厚8.89 mm，下深315.15 m，泵室段套管高出地面1.2 m。

二開，井深325.15～1066.50 m，采用直徑311.1 mm牙輪鉆頭鉆進；下入直徑244.5 mm國產無縫石油鋼管作為生產套管，鋼級J55，壁厚8.94 mm，長度746.15 m，下入至315.15～1066.50 m井段；在直徑273.1 mm、244.5 mm套管與井壁之間環狀間隙內，采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥全段封固。

三開，井深1066.50～2551.48m，采用直徑215.9 mm牙輪鉆頭鉆進，此井段為太古系片麻巖地層，井壁穩定，為采水目的層，決定采用裸孔成井。

4.2 固井工藝

本井采用反循環鉆井工藝鉆進，先鉆進至設計孔深，測井后根據測井結果選擇止水位置，然后擴孔下入石油套管。采用架橋法固井[10]，下管前在鉆孔直徑由311.1 mm變至215.9 mm處下入加工制作的木塞，木塞吸水膨脹卡在變徑處，然后投入黏土球0.2 m3，黏土球與木塞起到封隔器作用，預防固井時水泥下沉進入下部地層。管串結構要求自下而上為：引鞋+水泥塞逆止閥+直徑244.5 mm套管+變徑接頭+直徑273.1 mm套管串。

固井水泥返至地面，水泥漿密度1.80 g/cm3，用量60 m3，標號為硅酸鹽水泥P.O 42.5。

4.3 洗井

本地熱井鉆進時采用清水作為沖洗液，避免了泥皮和巖屑堵塞出水裂隙通道的現象。施工完畢后即可下泵抽水，在水泥凝結固井結束后，在降壓試驗開展前，對鉆井開展洗井工作，洗井主要采用大泵量大降深抽水洗井抽水設備型號為200QJ50/180，抽水至鉆井內流出清水為止。

5 施工中遇到的困難

當鉆進至奧陶系石灰巖地層時，出現了地層大漏失情況，改用氣舉反循環技術工藝。開始鉆進時，出現了鉆桿內巖屑堵塞情況。

堵塞的原因是346 mm鉆頭鉆進孔徑較大，灰巖白云巖鉆進速度快，巖屑在單位時間內急劇增多，循環液中巖屑濃度增大，巖屑顆粒質地差異大，在巖屑上升過程中出現了大量聚集現象，導致鉆桿管徑內局部堵塞。

解決方法：①減小鉆壓，將鉆壓控制在20～50 kN；②換用牙輪鉆頭中牙齒密、空隙小的鉆頭，減小巖屑顆粒的直徑，同時在鉆頭上部開一個進水口，保持上返水量不變，降低循環液中巖屑密度；③將鉆頭下部進水孔孔徑由50 mm縮小為40 mm，從而減小巖屑的進入量；④同時加大混合器的沉沒比，以提高上返水的攜砂能力。

在實際生產中應結合實際情況，合理選擇鉆探工藝，在能達到要求的基礎上，可以選擇多種鉆探工藝結合鉆井，不僅提高工作效率，同時也能獲得更大的經濟效益。在開展施工前，應合理選用鉆具、空壓機、鉆機等設備；在實施中，還應嚴格執行操作規程，合理選用風量、風壓、混合器沉沒深度、鉆速等參數，及時發現和處理各類異常現象，避免發生事故[11]。

6 應用效果

6.1 井身質量控制

6.1.1 井身質量控制措施[12-13]

(1)開孔及下孔口套管(0～30 m)。開鉆前必須校正好天車、轉盤及井口，保證三者在一條垂線上，最大偏差不得超過20 mm，預防開孔就斜。可采用直徑500 mm鉆頭開孔，開孔應輕壓、慢轉，開孔時采用滿徑鉆具組合，以免偏斜。孔口套管頂面高出地面30 cm為宜，安放時為保證孔口套管居中垂直，下入直徑400 mm鋼管，外邊用水泥砂漿封固。

(2)一開鉆進與安裝頂部開采套管(30～325 m)采用直徑346 mm鉆頭鉆進，采用滿徑扶正器加塔式鉆具結構，及時校對指重表，保證加壓準確，送鉆均勻。依據鉆機能力配置18 kN加重鉆鋌，鉆進奧陶系地層鉆壓控制在80 kN，轉速40～63 r/min，防止鉆孔偏斜。選用HJT517G合金鑲齒鉆頭。該段地層較硬且多有裂隙，漏漿嚴重，鉆進至231 m后地層出現漏漿現象，停鉆堵漏，堵漏失敗后經研究決定采用氣舉反循環鉆井工藝。鉆進中每5 m撈取巖樣1個，放入巖樣箱，并及時進行地質編錄。班報表應特殊記錄泥漿消耗情況，泥漿漏失位置與漏失量，鉆進異常情況等。

(3)二開使用直徑311.1 mm鉆頭，鉆鋌12根，鐘擺式鉆具鉆進，由于該段對鉆孔垂直度要求很高，需嚴格控制鉆壓，堅持吊打確保了鉆孔垂直度。

(4)三開使用直徑215.9 mm鉆頭，采用鐘擺鉆具結構，直徑214 mm扶正器加在第二根鉆鋌上部，調整鉆壓、控制井斜。及時測斜及時校對鉆壓儀，保證加壓準確，送鉆均勻，保證井身質量。

6.1.2 孔身質量表

鉆孔的孔身質量均達到設計要求，這充分說明鉆具組合和鉆進參數的工藝設計是正確的，取得了良好的效果，見表2[14]。

表2 孔身質量表Table 2 hole body quality table

6.2 鉆進效率分析[15]

本井使用氣舉反循環鉆進大幅度提高了鉆進效率，在該地區深孔大口徑灰巖、頁巖、片麻巖地層鉆進中，平均時效達到1.0 m/h，最高達到3 m/h，平均臺效達到450 m/臺月，比常規正循環鉆進提高150%以上。目前在河南地區鉆井記錄中是使用氣舉反循環鉆井技術施工最深的一口井。

本孔施工鉆進首先采用正循環鉆井工藝，后采用了氣舉反循環鉆井工藝，進尺2551.48 m，純鉆進用時2557 h，平均鉆速1.00 m/h。全孔平均臺月效率450 m，平均鉆進小時效率1.00 m，純鉆時間利用率為43.33%。一開正循環平均小時效率1.0 m，一開反循環鉆進平均小時效率0.85 m；二開平均小時效率0.98 m；三開平均小時效率1.1 m。

7 結論及建議

7.1 結論

對地下水位埋藏淺的富水地層、斷層破碎帶、溶洞及地下暗河發育段，在靜水位較淺的情況下，應采用氣舉反循環鉆進工藝施工，在堵漏失敗后采用空氣反循環施工。該井的成功實踐，驗證了氣舉反循環對深井施工的適應性和高效性，該井的施工深度達到了2551.48 m，且隨著深度的增加，鉆進一直保持較高的效率。氣舉反循環工藝具有以下的優點[16-20]：

(1)鉆進效率高。使用氣舉反循環鉆井時，在鉆遇全漏失地層(正循環鉆進必須堵漏)，孔內水位滿足氣液混合器沉沒比≥50%的條件下，無需堵漏，可以正常連續施工。施工中井底巖屑大多被及時帶走，減少巖屑重復破碎，提高鉆進效率，該井的鉆進效率提高了45%左右。

(2)施工成本低。采用清水鉆進，節約了泥漿材料的費用；不再使用泥漿泵，減少泵損耗配件的費用；降低鉆頭磨損速度，延長了鉆頭的純鉆進時間，單個鉆頭進尺顯著增大；同時，減少了起下鉆次數，降低了工人的勞動強度。

(3)安全性能好。清水鉆進，無泥皮不會發生粘鉆事故，孔內干凈無巖屑不會發生埋鉆事故。

(4)提高出水量。清水鉆進，避免泥漿、巖屑堵塞地層裂隙的情況，施工完畢后即可下泵抽水，水量達到了1248 m3/d，遠超過了700 m3/d的設計要求，相比正循環鉆進的鹽酸、空壓機等洗井步驟，不僅節約了洗井費用，而且成井質量更高。

(5)準確判斷地層巖性。攜砂能力強，巖屑延遲時間短且巖樣干凈，在漏失地層中可以開展地質撈樣等工作，撈取干凈的巖屑，便于準確判斷地層巖性。

7.2 建議[21-25]

(1)氣舉反循環工藝對孔內水位有嚴格的要求，沉沒比≥50%時應用效果良好;當沉沒比<50%時，應用攜砂能力差，鉆進效率低。

(2)由于受沉沒系數的限制，氣舉反循環不能地表鉆進，開孔階段要選用泥漿鉆井工藝。

(3)在施工時設備能力到達的情況下應盡可能采用較大的沉沒比，最小不低于50%，隨著井深的增加，應逐漸加大沉沒比，以提高泥漿攜粉能力，本井的沉沒比最大為1∶3。隨著沉沒比提高，可以進一步增加鉆進深度。