地?zé)?/a>是一種清潔、可再生的能源,深部地?zé)崮艿拈_發(fā)對于實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)、應(yīng)對氣候變化具有極其重要的意義。地?zé)崮艿拈_發(fā)需要深部地?zé)徙@探技術(shù)的支持, 而深部地?zé)徙@探鉆井工藝的研究是深部地?zé)崮荛_發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

我國開發(fā)利用地?zé)豳Y源已有50余年,共有數(shù)百個(gè)城市滿足開發(fā)地?zé)崮?/a>的條件。劉偉莉等對干熱巖地?zé)崮?/a>鉆井開發(fā)過程中容易遇到的多種問題進(jìn)行詳細(xì)分析,提出了適用于我國的干熱巖鉆井技術(shù);申云飛等率先在工程中使用了分段水力壓裂工藝,結(jié)果表明,該鉆井工藝可以使山區(qū)缺水地區(qū)的地?zé)峋?/a>出水量提高3倍;宋繼偉等對貴州喀斯特地貌的地?zé)?/a>鉆探技術(shù)進(jìn)行研究,解決了螺桿鉆井和氣動鉆井技術(shù)在喀斯特地區(qū)應(yīng)用困難的問題;李勇等同樣針對貴州巖溶發(fā)達(dá),地?zé)徙@井施工難度大的問題進(jìn)行研究,分析了硫化瀝青的護(hù)壁機(jī)理,提出了適合貴州地質(zhì)的鉆井液配方;馬曉東以水熱型地?zé)崮?/a>鉆井為研究對象,通過對地質(zhì)條件、斷層特征、含水層分布特點(diǎn)的分析,選出了最優(yōu)的鉆井位置。

現(xiàn)有的研究中,鉆井的手段單一,效率較低;因此,本文以我國某典型地?zé)豳Y源含量豐富的山區(qū)為研究對象,開展了地?zé)崮?/a>鉆井技術(shù)研究,提出新的鉆井施工工藝,提高施工效率,為類似工程提供技術(shù)支撐。

1工程概況

本文以我國某一地?zé)?/a>資源蘊(yùn)含量豐富的山區(qū)作為試驗(yàn)場地。該區(qū)域儲能巖層主要有兩種類型:裂隙巖溶型和裂隙型,其中前者的地熱能儲藏深度變化較大, 頂板埋深范圍為350~2100m,底板埋深范圍為1300~ 5000m,該巖層中地質(zhì)構(gòu)造變化較大,鉆井容易吸水膨脹,導(dǎo)致成井難度大;后者地層較為簡單,主要為第四系和新近系。該區(qū)域具體的地層分類情況如表1所示。

2氣舉反循環(huán)鉆井工藝

在我國,地?zé)?/a>鉆探鉆井的深度通常為1000~4000m, 在裂隙、巖溶等地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的地層中,傳統(tǒng)的鉆井技術(shù)成井的難度較大,所耗費(fèi)的資源也較多,在遇到漏失地層時(shí)還容易發(fā)生卡鉆、埋鉆等事故。而氣舉反循環(huán)鉆井工藝可有效解決上述問題。該工藝是將壓縮過的氣動通過特定管道輸送到鉆孔內(nèi)部并使之與鉆井液充分混合,從而使鉆井液的比重降低。此時(shí)的鉆井液在鉆井工具的內(nèi)外液面處形成了壓力差,鉆井液就可以沿鉆桿返回地面,然后在地面沉淀池中除去鉆井液中的固體之后使其再次流入鉆井內(nèi),以此形成一個(gè)反循環(huán)。

沉沒系數(shù)的大小將直接決定著鉆井內(nèi)外液面壓力差的形成,因此,選擇一個(gè)適宜的沉沒系數(shù),對建立循環(huán)至關(guān)重要。在其他條件允許的情況下,沉沒系數(shù)越大越好,通常情況下不應(yīng)小于0.5。其計(jì)算方法按下式進(jìn)行：

式中:hd——液面以上的鉆桿長度;

        hs——液面以下的鉆桿長度。

氣舉反循環(huán)鉆井工藝并不適用于水敏性地層和漏失嚴(yán)重的地層。當(dāng)鉆探區(qū)域地層主要為水敏性較強(qiáng)的巖土體時(shí),鉆井過程中產(chǎn)生的泥土容易聚集在鉆桿內(nèi)部且不易排出井外,此時(shí)容易造成通道堵塞;在漏失嚴(yán)重的地層中,鉆井液的損失會有大幅度的上升,導(dǎo)致鉆渣難以排出,從而導(dǎo)致坍塌、卡鉆、埋鉆等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。氣舉反循環(huán)鉆井工藝應(yīng)用過程中常見的問題及解決辦法如表2所示。

3氣動潛孔錘鉆井工藝

試驗(yàn)場地中,0~25m地層范圍內(nèi)巖土體的水敏性較強(qiáng),鉆井過程中產(chǎn)生的鉆渣難以排出井外;在地熱能的主要開采地層中(300m以下),地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育, 地質(zhì)破碎現(xiàn)象也較為明顯,對循環(huán)的建立有不利影響。因此,本文采用氣動潛孔錘聯(lián)合氣舉反循環(huán)工藝, 首先使用氣動潛孔錘,利用高壓空氣在巖體進(jìn)行成孔操作,該方法能夠有效降低淺層鉆井中反循環(huán)鉆井的應(yīng)用難度,當(dāng)鉆井深度達(dá)到240m左右時(shí)換用氣舉反循環(huán)鉆井工藝,具體的聯(lián)合鉆井流程如表3所示。

3.1氣動潛孔錘鉆井效果

為了能夠?qū)@渣帶到井外,氣動的流速需要保持在15~25m/s范圍內(nèi),鉆井過程中的進(jìn)風(fēng)量計(jì)算方法為:

Q≥47K1K 2(D2-d 2)v(2) 式中:Q——進(jìn)風(fēng)量(m/min);

K1——鉆孔深度修正系數(shù);

K2——出水量修正系數(shù);

D——鉆孔直徑,m; d——鉆桿直徑,m; v——?dú)鈩恿魉?m/s。

試驗(yàn)過程中,隨著鉆孔深度的增加,在氣動壓縮機(jī)功率恒定的情況下,氣動流速會呈現(xiàn)衰減現(xiàn)象。鉆孔中實(shí)際的氣動流速值如表4所示。

圖1為氣動潛孔錘鉆井過程中鉆進(jìn)速度與鉆進(jìn)深

度之間的關(guān)系曲線,從圖中可以看出,在0~100m深度內(nèi),鉆進(jìn)的平均速度為2.04m/h;在100~240m深度范圍內(nèi),鉆進(jìn)的平均速度為1.38m/h,整體的鉆進(jìn)速度較為可觀。和常規(guī)鉆井施工技術(shù)相比,該技術(shù)的鉆進(jìn)效率提升了2倍。但隨著深度的增加,巖石更加堅(jiān)硬,所以鉆進(jìn)速度會逐漸下降,在深度達(dá)到230m附近時(shí),鉆井的經(jīng)濟(jì)效益下降明顯。

3.2氣舉反循環(huán)鉆井效果

本試驗(yàn)中氣舉反循環(huán)鉆井共分為三個(gè)階段,第一階段為240~300m深度范圍,第二階段為300~700m深度范圍,第三階段為700~1200m深度范圍。

圖2展示了第一階段和第三階段鉆井速度與鉆井深度間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,在采用氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)后,第一階段的平均鉆進(jìn)速度為0.59m/h, 整個(gè)過程中鉆速的變化較平緩,變化幅度也較小。在第三階段的平均鉆進(jìn)速度為0.63m/h,與第一階段的平均速度較為接近,但第三階段的變化幅度較為明顯,穩(wěn)定性較差。

同時(shí),根據(jù)第二階段每個(gè)鉆頭的使用時(shí)間和鉆進(jìn)距離統(tǒng)計(jì)出鉆進(jìn)速度與鉆頭使用時(shí)間之間的關(guān)系,如圖3所示。從圖中可以看出,初期鉆進(jìn)速度較低,但整體上呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢,直到鉆頭無法使用。在鉆頭可使用時(shí)間段內(nèi),鉆速共經(jīng)歷了四個(gè)階段:上升、 達(dá)到峰值、保持穩(wěn)定、下降。其中最經(jīng)濟(jì)的時(shí)間段在0~ 80h內(nèi)。

4結(jié)論

本文介紹了氣舉反循環(huán)鉆井工藝及其常見問題和解決辦法,并以某典型地?zé)豳Y源含量豐富的山區(qū)為研究對象,對氣動潛孔錘和氣舉反循環(huán)鉆井工藝的鉆井效果進(jìn)行了研究,得到以下結(jié)論:

(1)對于質(zhì)地較為堅(jiān)硬和鉆井過程中漏失情況較為嚴(yán)重的地層,氣動潛孔鉆井工藝均能夠有效應(yīng)對,且鉆進(jìn)速度也能夠保持在1m/h以上;但在鉆進(jìn)深度超過 200m之后,鉆進(jìn)速度下降較快,經(jīng)濟(jì)性能也開始降低。

(2)氣舉反循環(huán)鉆井工藝適用于深孔鉆井和復(fù)雜地層漏失的情況,能夠彌補(bǔ)氣動潛孔錘鉆井工藝的不足。在地層較為堅(jiān)硬的情況下,鉆頭的使用時(shí)間為80~ 100h,平均鉆進(jìn)速度為0.5~0.8m/h,是常規(guī)鉆進(jìn)工藝鉆速的1.5~3倍,實(shí)際效果相對較好。

(3)氣動潛孔錘聯(lián)合氣舉反循環(huán)鉆井工藝適用于淺層鉆井地層堅(jiān)硬或破碎分布較廣、鉆孔深度較大且漏失較多的工程中,兩者能夠優(yōu)勢互補(bǔ),使整個(gè)鉆井的鉆進(jìn)過程保持在較高的施工效率。