地热井施工技术探讨.pdf

52017 年第 8 期 地热井施工技术探讨 刘炳志 （山东省煤田地质局第三勘探队，山东 泰安 271000） 摘 要 针对目前国内地热井钻探施工的实际情况，通过对地热井钻探施工工艺对比，提出利用常规钻井工艺、空气潜 孔锤钻井工艺和气举反循环钻井工艺相结合的地热井钻探工艺建议，以适应国内地热资源的大规模勘探开发需要。 关键词 地热 井 施工 工艺 中图分类号 P634；TK529 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2017.08.003 Discussion on geothermal well construction technology Liu Bing-zhi Shandong bureau of coal geology third prospecting team, Shandong Taian 271000 Abstract According to the actual situation of domestic geothermal well drilling at present, through the contrast of the construction process of geothermal well drilling, put forward suggestions that used the combination of conventional drilling, DTH hammer drilling technology and the gas lift reverse circulation drilling technology to adapt to the large- scale exploration and development in the mainland of heat resource needs. Keywords geothermal wells construction technology 收稿日期 2017-03-21 作者简介 刘炳志（1968-）男，汉族，山东省煤田地质局第三 勘探队高级工程师，探矿工程专业，长期从事地质勘探、地热水 资源开发、煤层气、页岩气及浅层地热能开发等钻探技术的指导 与管理工作。 地热资源是一种清洁、高效的热能资源，主要 以地热井的方式为人们所利用。针对地热井的成井 特点，一般在开孔地层、孔径较大、地层较松散、 孔深较浅，优选常规钻井工艺技术，穿过松散地层 后，下入孔口管，固井后换用空气潜孔锤钻井工艺。 1 地热井施工工艺优化 1.1 浅孔段坚硬基岩的施工 针对浅孔段坚硬基岩的施工，山东省煤田地质 局第三勘探队在实践中进行了探索。在井口管下入 后，在现有设备基础上，增加空压机和潜孔锤及相 应的高压空气管线，采用空气潜孔锤钻进工艺施工， 能有效克服常规钻井工艺在浅孔段不能有效加压的 问题，改善孔底钻头的碎岩机理，孔底岩石由磨削 改变成体积破碎，极大地提高钻进效率，钻进效率 比常规工艺钻效提高 10 倍以上。 1.2 气举反循环钻进工艺 在钻孔较深孔段，对不适宜进行空气潜孔锤钻 井工艺时，可在现有的设备基础上，增加气水混合 笼头、双壁主钻杆、一定数量的双壁钻杆、气水混 合室、专用钻头等实现气举反循环钻进工艺。 气举反循环钻进工艺，能充分发挥孔底牙轮钻 头的碎岩作用，及时把孔底岩屑排出孔外，钻进效 率较常规钻探提高 30 左右；在不漏水的地层中及 孔内水位不太低的情况下，可以实现节水钻探。对 于地下水位不是很低的含水漏失地层，利用气举反 循环钻进工艺可实现快速钻进的目的。从第三勘探 队施工的相类似的两口地热井看，同样是地层漏失 引起施工困难，一口利用常规钻井工艺，工期较长， 成本较高；一口引进气举反循环钻井工艺，工期缩 短至上口井的 1/5。成本下降 60 以上。 当孔较深，多工艺潜孔锤钻进工艺不适合使用 时，利用气举反循环钻进工艺，能更好地适应目前 地热井钻进成井需要和地热井地层特性相适应。 2 空气潜孔锤钻进工艺 2.1 空气潜孔锤钻进工艺特点 （1）空气潜孔锤钻进工艺，是一种高效率的 先进的钻进方法，特别是在较浅、较硬地层中施工， 空气潜孔锤钻进技术更具有以下突出优势 ①钻进效率高。钻进效率比常规钻井工艺钻进 62017 年第 8 期 效率提高 10 倍以上。效率提高的原因是单次冲 击功大，排渣风速高，孔底干净，无二次破碎；由 于无液柱压力，在无地下水或较少地下水的情况下， 改善了孔底破碎条件。 ②潜孔锤的柱齿或球齿硬质合金钻头，在坚硬 破碎岩石中使用，既有利于破岩，又有比金刚石钻 头寿命高的适应性，大大降低了钻头成本。 ③因钻具转速低，钻具对孔壁的碰撞机会较少， 而且这种钻进方法是以高频对孔底冲击，减少了对 岩石或倾斜地层产生孔斜的影响，从而可提高钻孔 的垂直度，同时，也可减少孔壁岩石坍塌。 ④比起回转钻进，潜孔锤钻进所需的钻压和扭 矩要小得多。这样可减轻钻机设备的质量和能力， 为大口径页岩气井的钻进创造了有利的使用条件。 ⑤空气潜孔锤钻进采用的无循环干式作业，空 气既作为动力又作为排渣介质，不污染环境。 ⑥空气潜孔锤工作时单次冲击功在瞬间即可产 生极大作用力，因而它可应用于软地层冲击挤密不 排粉钻进。 （2）使用空气潜孔锤钻进除钻速高和冲洗效 果好外，还有空气对孔壁和岩矿芯污染性很小。这 对于施工地热井很有利。另外，由于在钻头底部压 缩空气压力骤然降低，会吸收周围热量，改善了切 削具的工作环境，延长了钻头的使用寿命，减少起 下钻的时间，缩短了施工周期。 2.2 空气潜孔锤钻进工艺适用性 空气潜孔锤钻进工艺是当前地热井施工的优选 工艺；但由于空气潜孔锤钻进工艺受部分地层的约 束，如气水含量高的地层，特别是地层结构复杂、 含水压力较高等因素影响，空气潜孔锤钻进工艺表 现在启动困难、对压力有更高的要求；另外，空气 潜孔锤在钻进过程中，潜孔锤对孔壁的震动较大， 干空气不能护壁，所以在较复杂地层中进行地热井 钻探受到一定的制约。 3 气举反循环钻井工艺 采用气举反循环钻进工艺，可以用清水钻进， 能很好地克服常规钻井对地热井所带来的危害。另 外气举反循环钻进工艺，较常规钻进工艺具有较高 的钻进效率和地层适应性 （1） 对于完整地层， 由于气举反循环钻进工艺， 冲洗液从钻杆与孔壁的环空间隙携带岩粉进入钻头 水口，从钻杆内腔将岩粉从孔底带出，这样孔底冲 洗液柱的静压力明显降低，破碎孔底岩石时所需压 力小、转速低，孔底破碎的岩石能及时从孔底排出， 基本无重复破碎，比起常规钻进，钻头寿命大大提 高，钻探效率可提高 30 以上，钻孔质量好，并且 用清水钻进就能满足施工需要，节省了泥浆费用， 保证了地热井的成井质量。 （2）对于漏失地层和少水地区，在孔内水位 不太低的情况下，气举反循环可以实现顶漏钻进和 节水钻探。只需提供一小部分水就能实现气举反循 环钻进施工，大大节约了施工用水，提高了钻进效 率。另外，由于孔底岩屑从钻杆内腔抽吸排出，储 层中部分裂隙中的堵塞物也易被排出，有利于地热 井通道的疏通，更有利于地热水的排出。根据施工 经验，用气举反循环钻进工艺要比用常规钻进工艺 施工钻效要提高 30 左右，成本降低 1/3 左右。 （3）充分利用常规钻进工艺配套的设备，在 地热井不能利用空气潜孔锤钻进工艺后，改用气举 反循环钻进工艺，在保证地热井成井质量的前提下， 能很好地发挥设备能力，在不大幅度增加投资的前 提下，达到地热井勘探施工的需要。 4 结语 常规泥浆钻进工艺、空气潜孔锤钻进工艺和气 举反循环钻进工艺的合理选用，对于地热井的施工 效率和成井质量影响非常大。综合三种工艺特点， 结合工程地质情况，合理选用综合钻进工艺组合， 在地热资源勘探开发中是非常必要的。 【参考文献】 ［1］ 吴友强 . 车载空气潜孔锤钻进技术在煤层气井施 工中的应用 [J]. 中国煤炭地质 ,2013,25759-61. ［2］ 郑英飞 , 王茂森 , 岳文斌，等 . 气动潜孔锤双 冲击跟管钻进技术 [J]. 探矿工程 岩土钻掘工 程 ,2014,41（5）38-41. ［3］ 刘海波，等 . 空气泡沫潜孔锤钻进技术在大直径 基岩深井中的应用试验 [J]. 探矿工程 岩土钻掘 工程 ,2015,42（5）31-34. ［4］ 丁晓庆 , 何龙飞，等 . 气动潜孔锤跟管钻进技术 在岩土工程勘察施工中的应用 [J]. 探矿工程 岩 土钻掘工程 ,2015,42（1）17-21. ［5］ 赵福森 , 谭家政 , 杨晨 , 等 . 空气 泡沫 潜孔锤 钻进工艺在王家岭煤矿紧急避难孔中的应用 [J]. 探矿工程 岩土钻掘工程 ,2015,42（8）25-29.