插管悬挂式气举反循环钻具在地热井施工中的应用及改进

程 林，满国祥，孔令沪，崔 杰，王士昭，解少朋

(河北省地矿局国土资源勘查中心石探厂，石家庄 050081)

0 引言

气举反循环钻进工艺由于反循环液流上返速度高，所以携带岩屑能力强，具有钻进效率高、钻头寿命长、成井质量好，在复杂地层中钻进安全可靠，在漏失地层可不堵漏直接钻进，节省辅助时间和减轻劳动强度等优点。因此，在地热井钻进施工中气举反循环钻井工艺应用越来越广泛。但现在气举反循环钻井施工中，应用的钻具多为双壁钻具，插管悬挂式气举反循环钻具在国内应用尚少[1-5]。

1 插管悬挂式气举反循环钻具的组成

插管悬挂式气举反循环钻具是通过气水龙头内插管悬挂装置将插管独立悬挂于钻杆内，建立一条压缩空气进入钻杆的通道，插管末端设有气水混合管，将高压空气均匀的混合于钻井液中，从而实现气举反循环钻进(图1)[6-8]。

2 两种气举反循环钻具优缺点对比

气举反循环双壁钻具和插管悬挂式气举反循环钻具都可进行气举反循环钻井施工，但两种钻具因其结构设计和连接方式的不同在使用中存在各自的优缺点(表1)。

3 用于地热井施工的钻具配置及专用工具

用于地热井施工的插管悬挂式反循环钻具主要由125t气水龙头、Φ133mm方钻杆、Φ127mm摩擦焊钻杆、Φ89mm摩擦焊钻杆、Φ127mm钻铤、Φ159mm钻铤、Φ178mm钻铤、反循环牙轮钻头、1吋插管(通径20mm)、1吋气水混合管(通径20mm)等钻具组成。为了实现较好的气举反循环排渣效果，气举反循上返截面采用90mm通径，即与插管配合的钻具气水龙头、方钻杆、摩擦焊钻杆最小内通径均为90mm。

由于插管悬挂式气举反循环钻具外部钻具与内部插管为相互独立的悬挂结构， 在组建和拆分钻柱时均需要单独操作，在起下钻时分先后顺序单独组件即可。但在钻进中加杆时就需要用到专用工具：插管加杆器才能实现快速加杆。

表1 气举反循环双壁钻具和插管悬挂式气举反循环钻具对比

图1 钻具连接及施工工艺示意图

4 施工应用实例

4.1 施工过程

2016年8月，陕西省煤田地质局139队应用我中心生产的Φ127mm插管悬挂式气举反循环双壁钻具在浙江省桐庐县施工一口1 500m地热井。现场应用设备：TSJ2600/445型水源钻机；TBW1200/7B泥浆泵,排量,7.5m3;压力,4MPa的撬装式空压机。井深结构如表2所示。

表2 井身结构

由于当地地下水资源较为匮乏，为满足出水量要求，在钻井设计中要求不能封隔上部含水层，在钻孔三开后必须用气举反循环钻井工艺施工，以避免在钻孔过程中堵塞含水层，从而影响该井的出水量和出水温度。在实际施工中，钻至350m钻遇含水层，出现钻井液漏失现象，在顶漏钻进至400m时已无钻井液上返，因钻井设计中不允许堵漏，提前改用插管悬挂式气举反循环钻进，下入300m插管，改变工艺后钻井液循环恢复，钻井液上返速度达到2m/s，上返钻渣颗粒增大，大颗粒直径达1cm以上；重复破碎减少，钻进效率提高，约为泥浆正循环钻进的2倍左右；重复破碎减少，钻头寿命延长，单只钻头进尺米数成倍提高。

4.2 施工应用中的问题及改进

在二开施工完成下入套管后，更换插管钻具采用插管悬挂式气举反循环钻进工艺进行三开施工。在下钻临近孔底时，启动空压机，气举反循环建立，但开始旋转下放钻具后，排渣管出现只冒气不出水现象，反复多次均是如此。根据现象分析应是钻头吸渣口堵塞造成的不上返，造成这一现象的原因应是二开完钻后长时间的停钻造成沉淀物较多，同时钻头下入速度较快，使得沉淀物的大量吸入造成吸渣口堵塞。得出结论后，重新启动空压机，待气举反循环建立，使钻具旋转缓慢下放，以免再次造成堵塞，直至完全清除孔底沉淀物后，再采用正常钻压钻进，采用此种方法顺利完成清孔。

在三开施工中钻遇硬地层，当时正采用5系列气举反循环牙轮钻头进行钻进施工，出现跳钻和憋钻现象，初步判断可能的牙轮钻头断齿造成的，随后立即停钻，并提钻检查，提出钻头后发现钻头合金齿断齿严重。经分析，断齿原因为：地层较硬，5系钻头合金齿较长，在进尺减慢后，司钻加大了钻压，造成合金齿受力过多折断。得出结论后，决定换用6系列气举反循环牙轮钻头。更换钻头后，跳钻和憋钻现象消失，但由于地层较硬，进尺速度降低，在增大钻压、增加转速后进尺速度有所提高，只是钻头磨损加剧，增加了钻头的损耗。

气举反循环钻进正确选择牙轮钻头，对提高钻进效率和保证工程质量是非常重要的。牙轮钻头应最大限度地符合所钻岩石的特性，选择牙轮钻头的系列和齿型尤为重要。实践证明采用牙轮钻头钻进，进尺速度的快慢取决于钻头转速和轴向钻压两个因素。其中轴向钻压所起的影响最大。只有在钻头上造成一种压力使之超过地层的极限抗压强度，才能使牙轮齿有效的进入地层。同时再加以适当的转速，才能使岩石容易在较短时间内达到体积破碎的效果。从气举反循环钻进方法排出的岩屑可知，钻压愈大，从井底剥落的岩屑颗粒也愈大，钻头使用得越有效，在实际使用中钻压应尽量钻头厂家推荐的数值。转速不宜过高，因为太高的转速会使载荷作用于岩石的时间短，达不到体积破碎的效果，并使牙轮的牙齿很快磨损，牙轮轴承受到破坏。一般情况转速为40～80r/min较适宜。

5 结语

插管悬挂式气举反循环钻具是一种结构简单、使用方便、耐用性好、且通用性强的气举反循环钻具。在地热井施工中应用气举反循环采用清水钻进，对地层压力小，成孔后不用洗井，节省时间和成本，可明显提高地热井的成井效率和成井质量。随着地热资源的开发、利用日益普及，插管悬挂式气举反循环钻具也将极大的推广、使用。