内插管式气举反循环钻进工艺在基岩地热井中的应用
2021-06-15生龙张晴冯帆肖军任洪成颜丙生
生龙,张晴,冯帆,肖军,任洪成,颜丙生
(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队(山东省地矿工程勘察院),山东 济南 250014;2.临沂经济技术开发区管委会,山东 临沂 276002)
0 引言
地热是一种清洁、蕴藏量丰富的绿色能源,地热能的开发利用能够有效地替代经济发展对传统石化能源的需求,减少二氧化碳及硫化物的排放量,提高生态环境保护水平[1-3]。地热井是实现地热开发的主要途径,地热赋存于裂隙发育、涌水或漏水地层中,正循环钻进工艺携渣能力差,易造成钻头重复破碎,降低钻进效率,同时易造成含水层通道堵塞,影响涌水量,增加洗井难度,在地热井特别是生产层钻进存在诸多弊端[4-6]。气动潜孔锤钻进和气举反循环钻进工艺具有特殊的优势。
(1)气动潜孔锤钻进。气动潜孔锤钻进效率较高,最多比常规钻井工艺高10倍以上,特别是在浅井和中深井、较硬地层中施工更具优势[7-9]。但在地质条件复杂、坍塌掉块、含水、漏失和涌水地层钻进时,无法实现潜孔锤正常钻进,应用受限。
(2)气举反循环钻进。采用双壁钻杆将压缩空气经气水龙头、双壁钻杆的环状通道进入气水混合器,压缩空气与钻井液混合形成低比重气水混合物,气水混合物将钻井液提升并携带井底岩屑,形成反循环流动。气举反循环钻进已在地热井施工中获得广泛应用[10-14],具有纯钻进时间利用率高,钻进时不受井内水位深度的制约,对孔壁冲刷小,利于维护孔壁稳定,岩屑不进入含水层和裂隙,孔内干净,利于保护热储水层。
1 工程概况
1.1 地热地质概况
沂南智胜汤泉1号地热勘查井位于沂蒙山区东部之沂南盆地内,地热田成热模式属于开放—对流—腔管状型和弱开放—对流传导—带状层状型[15-16]。地层基底为新太古代泰山岩群,上覆寒武系、奥陶系、第四系。研究区内中生代构造运动显著,断裂及岩浆岩侵入发育,岩性以闪长岩及闪长玢岩为主,与灰岩接触带热变质作用形成了大理岩、结晶灰岩。钻孔实际揭露地层,岩浆岩占比60%~70%,揭露地层见表1。
表1 沂南智胜汤泉1号地热勘查井揭露地层
研究区主要控热构造为沂沭断裂带的西支鄌郚-葛沟断裂,断裂及岩浆岩局部侵入形成大量裂隙为地下水的储存、运移和深循环加温提供了空间。热储层为寒武纪大理岩及结晶灰岩,盖层为岩浆岩,致密坚硬,保温隔水性能好,对下伏热储层起到了很好的保温作用。
1.2 井深结构及施工工艺选择
在地热勘查井钻进施工中,0~30m采用了泥浆正循环钻进工艺,30~438.76m采用了气动潜孔锤钻进工艺,井深结构见表2。钻至438.76m时,遇强含水层,由于水位较高背压增加,空压机风压不能满足潜孔锤钻进压力。地层漏失严重、孔壁不稳定,卡钻,正循环牙轮钻进需要消耗大量冲洗液(水量),现场不能满足,正循环工艺无法实施,应采用气举反循环钻进工艺。
表2 井身结构表
气举反循环钻进工艺,需满足沉没比α≥0.5要求,沉没比α为水面以上双壁钻杆长度与沉入水面以下双壁钻杆长度之比[17](图1),其公式(1):
图1 气举反循环工艺示意图
(1)
式中:α为沉没比;hd为水面以上双壁钻杆长度/m;hs为沉入水面一下双壁钻杆长度/m。
当孔深为438.76m时,钻孔水深为21.80m,主动钻杆+气水龙头等长度取15.0m,则有:
(2)
由公式(2)计算可知,沉没比完全满足气举反循环要求。
常规气举反循环工艺,钻具太重,远远超过了项目现场使用的SPC-600型钻机的卷扬起重能力,需要更换钻机,同时现场钻杆和钻具也要更换,造成施工成本大幅度增加,更换钻机和钻具需要消耗大量人力、财力、时间。在原有设备和钻杆不变的情况下,提出了内插管式气举反循环工艺并进行了钻具研制。
2 内插管式气举反循环工艺
2.1 主要施工设备
主要施工设备(钻具)见表3。
表3 主要施工设备(钻具)
2.2 工作原理及关键部件研制
内插管式气举反循环工作原理:空压机产生的压缩空气经进气管和内气管流入到气水混合器中,压缩空气与钻杆内的含岩屑冲洗液混合后,形成低比重的气水固混合物[18-20]。低比重的气水混合器产生的液柱压力小于钻孔和钻杆之间冲洗液液柱压力,使混合物以较高速度沿内外管环状间隙向上流动,与钻孔冲洗液形成循环,从而将孔底的岩屑连续不断带出地表。主要组成部件有空压机、进气管、密封器、内管气管接头、内管、外管(Φ89钻杆)、气液混合器、单壁钻杆、钻铤、牙轮钻头、排渣管、泥浆池和孔口套管,如图2所示。其中,需要改进、加工的关键部件有密封器、内气管接头和气水混合器,其他部分均与正循环牙轮钻进设备相同。
图2 内插管式气举反循环结构组成
(1)密封器。密封器位于气水龙头上部,设计有密封装置。密封器设计原理为利用密封器上盖对橡胶圈挤压产生变形进行密封。现场试验表明,该结构密封效果良好,结构较简单,易于操作,每次只需加减橡胶垫。密封器设计结构见图3,实物照片见图4。
图3 密封器设计结构
图4 密封器实物照片
(2)内气管接头。内管选用1寸水管,内管接头采用反扣螺纹连接,采用1∶16细丝螺纹,进行表面淬火以提高接头硬度,以保证在单壁钻杆高速旋转过程中,有效防止内管脱扣造成孔内事故。现场使用过程中未出现脱扣事故,性能稳定。内气管接头结构及实物照片见图5。
图5 内气管接头设计结构及实物照片
(3)气水混合器。气水混合器是气举反循环最关键部件其主要作用是高压压缩空气与钻井液充分混合,形成低密度气水混合物向上流动。与常规气举反循环钻具不同的是本文研究的气水混合器内管是气体到外管(钻杆/单壁钻杆)和内管的环状间隙为气水固通道,为减小压缩空气对上返冲洗液的阻力,气水混合器最下端为倒圆锥形,气水混合器的气孔可以设计为水平孔式、斜孔焊导式、斜孔钻导式,如图6所示。
水平气孔:该方案是垂直内管封底钻孔,气孔直径为3mm。经现场试验,排泄颗粒粒径2~3mm,粉状居多,中硬地层中机械钻速为0.5m/h,当风压、风量较大时,机械钻速降低,见图6(a)。
斜孔式气孔:该方案利用气体射流理论,在环状间隙中气孔上部形成低压区,可迫使形成的气水混合物向上快速流动,气孔直径为3mm且向上倾斜30°。经现场试验,排泄颗粒粒径5~8mm,粒状居多,中硬地层中机械钻速为0.8m/h,见图6(b)。
斜孔焊接喷射式喷气嘴:在斜孔钻导气孔式基础上进行改进,将气孔扩大设计插有内径3mm的喷射导气管,该方案充分利用射流原理,使压缩空气产生喷射气流,在内外管环状间隙形成大的负压区,气水固混合物流动速度更快,携带更大颗粒岩屑。经现场试验,排泄颗粒粒径5~10mm,岩屑均为粒状,中硬地层中机械钻速为1.0m/h,本次施工主要采用本方案,见图6(c)。
(a)水平气孔式;(b)斜孔式气孔;(c)斜孔焊接喷射式喷气嘴图6 气水混合器示意图
2.3 施工工艺
2.3.1 钻具组成
钻具组成为:Φ215牙轮钻头+Φ121钻铤+Φ89钻杆+主动钻杆,内管置于主动钻杆和Φ89钻杆内部,下入井内深度约75m,钻压为30~50kN,转速30r/min,风量6m3/min,风压1MPa。
2.3.2 施工流程
(1)提钻流程
①主动钻杆与钻杆卸开,提升主动钻杆至内管系统的第一接头处,用小垫叉将井内内管卡好并固定在第一根钻杆上,人工卸开内管,继续提升主动钻杆与内管至最高位置。
②通过卷扬机利用内管专用提引接头逐根提出井内内管,内管接头全部由人工卸开。
③将钻杆及钻铤逐根提出孔外。在提钻时应注意先将内管全部提出,再提出钻杆。
(2)加杆流程
①主动钻杆与钻杆卸开,提升主动钻杆至内管系统的第一接头处,用小垫叉将井内内管卡好并固定在第一根钻杆上,人工卸开内管,继续提升主动钻杆与内管至最高位置。
②将编好的钢丝绳放于钻杆内部,将提引器与钻杆上端连接并提起钻杆,然后将钻杆下端钢丝绳与内管提引接头用安全环连接,再拧紧钻杆,将钻杆下入井内,用垫叉固定钻杆后摘下提引器,将钻杆上端钢丝绳与提引器连接,将内管提至钻杆最上部,并用小垫叉固定。
③下放主动钻杆,先将主动钻杆中的内管与井口的内管人工上紧,再将主动钻杆与井内钻杆上紧,完成加杆。
3 应用效果分析
在该地热勘查井钻进施工中,钻至438.76m时,采用了内插管式气举反循环钻进工艺。解决了强含水、漏失严重、孔壁不稳定、易卡钻等复杂地层施工问题。经统计分析,与常规正循环牙轮钻进、钢粒钻进相比,气举反循环钻进孔底干净,岩屑为颗粒状,不产生重复碎岩,钻头使用寿命长,施工效率也大幅度提高,在坚硬段地层纯机械钻速达0.4m/h,中硬段地层纯机械钻速可达1.0m/h。
与常规气举反循环相比,大幅度减少了成本投入,技术应用所花费材料及加工费用等仅为3000余元,远低于常规气举反循环设备和钻具调配、使用费用。配套钻具总成重量小,仅为双壁钻具的30%~40%,大幅度减少了工人劳动强度,可使用原有钻探设备、钻杆和钻具,钻机提升能力和钻探承载能力不需要改变。
钻进过程中井内安全未出现卡、埋事故。钻井液利用孔内清水,对含水层未产生污染、堵塞,极大限度的保证了用水量,实现了绿色地热勘查,同时工艺岩样采取率为100%,为地热勘查提供了真实、可靠的实物资料。 气举反循环钻进过程又是洗井过程,可在钻井结束后直接进行抽水试验,大幅度节省了下泵洗井费用。
4 结论
(1)经现场试验,内插管式气举反循环部件结构设计、施工工艺较为合理,是水井、浅中深度地热井遇强含水、漏失(涌水)、复杂地层钻探施工行之有效的解决方法。
(2)内插管式气举反循环钻进工艺不需要更换原有钻机设备、钻杆和钻具,原钻机提升能力完全满足,适合较小的钻机推广应用,例如SPC-300、SPC-600等小型钻机均可使用。
(3)部件结构简单、技术应用门槛较低,所需材料费及加工等费用可低至几千元,无需向专业厂家购买,利于根据钻探工程需要随时配套、使用。