氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在干熱巖開發(fā)中的應(yīng)用分析

陰文行，馮紅喜，左科峰，李秀峰

(1.邯鄲市偉業(yè)地?zé)衢_發(fā)有限公司,河北 邯鄲 057650；2.泰爾達(dá)能源科技(北京)有限公司,北京 100107)

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在干熱巖開發(fā)中的應(yīng)用分析

陰文行1，馮紅喜1，左科峰2，李秀峰1

(1.邯鄲市偉業(yè)地?zé)衢_發(fā)有限公司,河北 邯鄲 057650；2.泰爾達(dá)能源科技(北京)有限公司,北京 100107)

干熱巖開發(fā)利用技術(shù)在國外已取得了突破性進(jìn)展，并積累了一定的經(jīng)驗。我國在此領(lǐng)域僅僅剛開始，許多技術(shù)還需在生產(chǎn)實踐中探索。由于干熱巖地層情況特殊，鉆井難度較大，所以很有必要利用我國在地?zé)峋┕ぶ袣馀e反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的成功經(jīng)驗，推動我國干熱巖鉆井技術(shù)的開展。本文針對此問題進(jìn)行分析，以便能夠推廣應(yīng)用。

氣舉；反循環(huán)；鉆進(jìn)；干熱巖；開發(fā)

0 引言

隨著國家戰(zhàn)略性接替能源干熱巖資源開發(fā)的推進(jìn)，干熱巖的開發(fā)利用已越來越引起國內(nèi)外的高度重視。干熱巖資源也是地?zé)豳Y源的一種，是一種潔凈的新能源，在我國的東南沿海和華南山區(qū)有著廣泛的分布。通過干熱巖鉆井施工可以得到干熱巖層溫度與深度的變化關(guān)系，以便很好的開發(fā)利用。為此，如何優(yōu)質(zhì)、高效地開發(fā)深部干熱巖資源，現(xiàn)已成為施工單位面臨的新課題。近年來，地?zé)峋┕ひ约翱茖W(xué)鉆探井、石油井、地?zé)峋耐ň淳?，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)已趨于成熟，我們認(rèn)為干熱井采用此項技術(shù)能夠取得很好的效果，可以保證鉆井施工順利開展，促進(jìn)中國干熱巖資源開發(fā)。

1 干熱巖井開發(fā)利用基本概況

干熱巖井開發(fā)利用技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合技術(shù)，其地層主要為火成巖，可鉆性差、溫度高，鉆探過程中容易發(fā)生漏失、井噴、井涌等事故。而且埋藏深度多在3000～6000 m，溫度高于150℃，不含或僅含少量流體的高溫度巖體，是未來最具潛力的戰(zhàn)略性接替能源。從理論上講地溫隨深度增加而升高，地球上任何地區(qū)達(dá)到一定深度都分布有干熱巖資源，只需統(tǒng)籌規(guī)劃、合理開發(fā)、綜合利用，干熱巖是可以被人類永遠(yuǎn)利用的，從這種角度講，干熱巖所蘊含的價值是無限的。全面合理、多層次地利用地?zé)豳Y源，可推動能源生產(chǎn)和利用方式變革，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系，對于保障我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

目前，對干熱巖的開發(fā)利用，主要是用來發(fā)電?；驹硎窍茹@好一眼井，再在旁邊(相距200～600 m左右)鉆1～3眼專用井，用水平鉆進(jìn)和“壓裂”技術(shù)使各井之間連通，產(chǎn)生更大范圍的裂隙，建成人工熱儲。然后從一井注入冷水滲透進(jìn)入巖層的縫隙吸收能量，冷水從注入到抽出、在地下深部經(jīng)過高溫巖石加熱，產(chǎn)生出的高溫蒸汽和熱水提取到地面，在熱交換及地面循環(huán)裝置下用于發(fā)電，整個過程是在一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，見圖1所示。

圖1 利用干熱巖發(fā)電的工作原理

干熱巖發(fā)電既不像火電那樣，向大氣排放大量的二氧化碳等溫室氣體、粉塵等氣溶膠顆粒物；也不像水電那樣，因水壩的修建導(dǎo)致破壞局部乃至整個河流的生態(tài)平衡，而且也不會在水電廠周圍引起不同程度的地質(zhì)災(zāi)害,可以不受一切外界干擾，適合于基本負(fù)荷或高峰負(fù)荷的電力供應(yīng)，是一種清潔、可再生的綠色能源，既環(huán)保、又安全，符合國家對新能源的開發(fā)政策。可以預(yù)見不久的將來，隨著相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用干熱巖所發(fā)的電能將會成為國家電網(wǎng)中最受歡迎的部分。

2 干熱巖井氣舉反循鉆進(jìn)工藝鉆機和鉆孔結(jié)構(gòu)

2.1 氣舉反循鉆進(jìn)工藝技術(shù)

此項技術(shù)就其本質(zhì)來講屬于泥漿循環(huán)鉆進(jìn)方法范疇，壓縮空氣的作用只是起到使用泥漿產(chǎn)生循環(huán)的作用，也就是泵的作用(稱為氣舉泵)。由于空壓機的工作介質(zhì)是空氣，其工作可靠性要比泥漿泵正循環(huán)的高，所以在滿足氣舉反循鉆進(jìn)工藝條件下，現(xiàn)施工單位都優(yōu)先采用。但對于氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工作原理來講，壓縮空氣通過水龍頭下方連接的氣盒子，經(jīng)雙壁主動鉆桿、雙壁鉆桿的內(nèi)外管環(huán)狀間隙到氣水混合器噴入內(nèi)管，形成無數(shù)小氣泡，氣泡一面沿內(nèi)管迅速上升，一面同時膨脹，從而產(chǎn)生氣舉作用。當(dāng)壓縮空氣不斷送入井液，使得氣水混合器上部的比重降低，而井中的液體比重大，在壓差的作用下氣、液、固三相流高速向上流動，經(jīng)水龍頭連續(xù)排到孔外，分離后的液體再返回孔內(nèi)，其鉆進(jìn)過程見圖2所示。

圖2 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工作原理示意

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)效率主要取決于壓縮空氣的壓力及風(fēng)量，以及氣水混合器沉沒在水中的深度。而氣水混合器的安裝深度由整個系統(tǒng)的沉沒系數(shù)確定。沉沒系數(shù)，在一些文獻(xiàn)上稱為沉沒比，它為氣水混合器下入水中的深度與自混合器算起的揚程高度之比。

(1)

式中：m— 沉沒比；h2— 靜水位至氣水混合器高度；h1— 靜水位至鵝頸管高度。

一般要求m≥0.5，當(dāng)m<0.5時，升液效率很低，甚至不升液。m值越大，整個系統(tǒng)工作是優(yōu)越的。對于氣舉反循環(huán)來說，當(dāng)m增大后，由于工作系統(tǒng)驅(qū)動力增大，就能克服鉆進(jìn)中難以避免的困難，如井壁坍塌，突然的井漏以及意外的阻力加大。同時，有高的鉆進(jìn)效率。根據(jù)沉沒比系數(shù)的確定，可計算出氣水混合器在井下的安裝深度。

2.2 鉆井設(shè)備

干熱巖鉆井選擇設(shè)備依照鉆孔深度，一般使用石油鉆井設(shè)備。鉆機型號為ZJ40/2250L、ZJ70/4500D就可基本滿足3000～7000 m鉆井的需求，見圖3和圖4所示。

圖3 干熱巖鉆井石油ZJ40/2250L鉆機

圖4 干熱巖鉆井石油 ZJ70/4500D鉆機

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

干熱巖井鉆孔設(shè)計為垂直井，基本上同地?zé)峋@孔結(jié)構(gòu)，見圖5所示。

圖5 干熱巖井鉆孔結(jié)構(gòu)示意

3 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)目前推廣應(yīng)用狀況

我國從20世紀(jì)80年代初開始研究和推廣氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，當(dāng)時主要以中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所為技術(shù)依托，既包括鉆具的系列化，又包括鉆探設(shè)備的配套研制，以及氣舉反循環(huán)基礎(chǔ)理論和施工工藝的研究等。經(jīng)過多年來不斷創(chuàng)新發(fā)展，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，應(yīng)用前景更加廣闊。到目前為止該技術(shù)涉及的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域有：水井、地?zé)峋?、大口徑瓦斯排放井、大口徑礦山搶險救援井、地?zé)峋褪途蘧?、科學(xué)鉆探井洗井通井等。尤其近年來地?zé)峋┕挝辉谑袌龈偁幨旨ち业那闆r下，地?zé)峋┕ふ袠?biāo)采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)已成為先決條件，這都充分說明此種工藝能夠發(fā)揮巨大的作用?，F(xiàn)以實際應(yīng)用舉例說明：

2010年利用科鉆一井現(xiàn)有的井架和平臺配齊鉆機和附屬設(shè)備、工具，組合鉆具進(jìn)行氣舉反循環(huán)工藝通井、洗井，達(dá)到了原鉆孔深度5158 m，入井鉆具耐高溫、高壓、井底溫度約為142.4℃的考驗，成井結(jié)構(gòu)示意見圖6、現(xiàn)場見圖7所示。

圖6 科鉆一井5158 m成井結(jié)構(gòu)示意

圖7 科鉆一井現(xiàn)有井架氣舉通井、洗井現(xiàn)場

2012年9月邯鄲市偉業(yè)地?zé)衢_發(fā)有限公司在天津北辰區(qū)施工一口地?zé)峋?，泥漿正循環(huán)鉆至2368 m 處，由于孔內(nèi)嚴(yán)重漏失無法進(jìn)行鉆進(jìn)，導(dǎo)致孔內(nèi)留有92 m的巖屑返不上來，經(jīng)過反復(fù)討論，決定采用氣舉反循環(huán)工藝通井、清孔作業(yè)，僅2天多時間清孔干凈，后來使用該工藝鉆至孔深2520 m，圓滿完成施工任務(wù)?，F(xiàn)場見圖8和圖9所示。

圖8 氣舉反循環(huán)工藝通井、清孔作業(yè)施工現(xiàn)場

圖9 氣舉反循環(huán)工藝通井、清孔返出巖屑

2014年7月至11月陜西地質(zhì)工程公司為咸陽海泉灣地?zé)峋蘧?、洗井，在幾個單位采用別的工藝無法完成的情況下，選用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)方法，成功完成了3355 m的深度，修井、洗井后經(jīng)抽水試驗，出水量78 m3/h，井口溫度高達(dá)100℃，達(dá)到原井生產(chǎn)指標(biāo)，得到了用戶高度評價?，F(xiàn)場見圖10和圖11。

圖10 咸陽海泉灣地?zé)峋蘧⑾淳F(xiàn)場

圖11 氣舉反循環(huán)工藝清孔作業(yè)排渣

有關(guān)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在地?zé)峋┕ぶ械膽?yīng)用，目前已很普遍，推廣應(yīng)用取得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果非常顯著，也得到了大家的認(rèn)可，所以用于干熱巖井鉆進(jìn)是完全可行的。

4 干熱巖井氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)組織和技術(shù)準(zhǔn)備

根據(jù)干熱巖井地層構(gòu)造，以及鉆井技術(shù)要求，要想應(yīng)用于大規(guī)模的發(fā)電站，在注水井和生產(chǎn)井的施工中，如何提高鉆效，降低單井成本，保證獲取足夠的熱量，使用先進(jìn)的鉆井技術(shù)，減少干熱巖地?zé)衢_發(fā)費用，實踐證明選用氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)是比較理想的選擇，很有必要在此施工領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用，在滿足其他施工要求的前提下，氣舉反循環(huán)工藝鉆進(jìn)深井以及復(fù)雜地層優(yōu)越性非常明顯，主要體現(xiàn)在鉆進(jìn)效率高，純鉆進(jìn)時間比率高，施工周期短，鉆探成本低，對加速干熱巖井鉆探進(jìn)程起到了推動作用。

4.1 技術(shù)組織準(zhǔn)備

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝從許多應(yīng)用領(lǐng)域證明，是一項比較成熟、簡單實用的技術(shù)，但如何推廣應(yīng)用于干熱巖井鉆井還需要認(rèn)真的分析，使大家能對此種鉆進(jìn)技術(shù)的實質(zhì)、優(yōu)點、特點和適用范圍，尤其針對干熱巖井地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同于別的鉆井，所以一定要高度重視，做好技術(shù)組織準(zhǔn)備。一方面組織一線人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，另一方面要去地?zé)峋畱?yīng)用現(xiàn)場參觀學(xué)習(xí)，使其結(jié)合干熱巖井鉆探施工任務(wù)，做好各方面的技術(shù)配套工作，并要搞清楚應(yīng)用的難點，以利于施工過程中發(fā)揮更大的作用。

4.2 干熱巖井氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)用雙壁鉆具分析

實現(xiàn)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)主要是靠一套合理的鉆具，而鉆具的選擇好壞，直接影響到鉆進(jìn)機械鉆速的提高。而且鉆具的結(jié)構(gòu)性能好壞，也直接關(guān)系到能否滿足施工要求。從目前一般水井、地?zé)峋约按罂趶焦こ叹@具而言，相對于干熱巖井來說孔較淺，地層要比干熱巖井施工難度要小一些，對鉆具的要求也低。干熱巖井由于井比較深，而且孔內(nèi)溫度也特別高，地層復(fù)雜研磨性強，除對雙壁鉆具的內(nèi)外管材質(zhì)要求高外，更主要的是密封方式，耐壓能力的考驗。我公司通過近年來在地?zé)峋罅ν茝V應(yīng)用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，已對該工藝技術(shù)性能要求積累了不少成功經(jīng)驗，只要在地?zé)峋畱?yīng)用的基礎(chǔ)上對雙壁鉆具的結(jié)構(gòu)以及材質(zhì)進(jìn)一步創(chuàng)新提高，我們認(rèn)為用于干熱巖井是有一定的把握。特別是能夠有效解決孔內(nèi)漏失、井噴以及正循環(huán)鉆進(jìn)存在的技術(shù)難題，更重要是減少了正循環(huán)鉆進(jìn)采用泥漿堵塞巖石的孔隙率，大大增加了孔內(nèi)液體循環(huán)溫度，提高了鉆進(jìn)效率，對改善干熱巖鉆探工作環(huán)境，降低鉆井風(fēng)險，保障施工安全，促進(jìn)干熱巖資源開發(fā)，具有非常重要的意義。

4.3 干熱巖井氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)雙壁鉆具配套

目前干熱巖井選用的設(shè)備要比地?zé)峋奶嵘芰?、扭矩要大，所以配套的雙壁鉆具強度要求也就更高，耐高溫的能力要強，密封要可靠。對此，我們設(shè)想干熱巖井氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)采用同心式雙壁鉆具，空氣從內(nèi)外管的環(huán)狀間隙進(jìn)入，鉆桿之間連接采用API標(biāo)準(zhǔn)螺紋，方便快捷。全部鉆具組合是在所配鉆機水龍頭下連接實施，鉆具的提下、擰卸過程均同石油鉆井，幾種口徑的鉆具連接見表1。

表1 干熱巖井氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)鉆具組合

4.4 應(yīng)用該項技術(shù)要點及附屬設(shè)備配套

為保證氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)能夠在干熱巖井的實施，我們同中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所從事這方面技術(shù)的專業(yè)人員商議，借鑒為石油超深井(7000～9000 m)洗井研制的雙壁鉆具結(jié)構(gòu)性能，密封耐壓20 MPa，耐溫200℃以上；雙壁鉆桿外管材質(zhì)S135；內(nèi)管材質(zhì)N80；每一個環(huán)節(jié)都應(yīng)嚴(yán)格檢驗，確保使用過程中安全可靠。

另外，采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)空壓機的選擇也非常重要，因為空壓機的排氣量和壓力是決定氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)效率的主要參數(shù)，決定著循環(huán)液流在鉆桿內(nèi)上升速度，液流速度要大于巖屑的沉降速度。氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)空壓機風(fēng)量與雙壁鉆具通孔內(nèi)徑有著密切關(guān)系，壓力由雙壁鉆具氣水混合器的埋深來確定，當(dāng)雙壁鉆具的通孔內(nèi)徑選定之后，雙壁鉆具的數(shù)量決定后空壓機的風(fēng)量和壓力基本就可選定。目前適合該工藝的空壓機國產(chǎn)的已能滿足要求，若干熱巖井按7000 m深度，配套雙壁鉆桿通孔內(nèi)徑為70 mm 總長度1400 m計算，可配空壓機柴油機動力的風(fēng)量10 m3/min，壓力15 MPa，電動機動力的風(fēng)量可為12.5～15.0 m3/min；壓力15 MPa，這樣便可滿足工藝要求。

5 結(jié)語

對于干熱巖地?zé)豳Y源的開發(fā)利用，鉆探技術(shù)是關(guān)鍵，但因在鉆井過程中孔內(nèi)高溫高壓的極端惡劣環(huán)境，給施工帶來了許多意想不到的困難。對此，急需引起高度重視,盡快開展技術(shù)攻關(guān)。從目前采用的泥漿正循環(huán)工藝來看方法比較單一，很有必要選用氣動潛孔錘和氣舉反循環(huán)組合鉆進(jìn)，可因地制宜實現(xiàn)多種工藝鉆進(jìn)，這也是在干熱巖井施工中一種新的突破。干熱巖井同地?zé)峋┕し矫嬗蓄愃浦?，在地?zé)峋┕し矫娉浞肿C明，氣動潛孔錘和氣舉反循環(huán)組合鉆進(jìn)是大家公認(rèn)的高效鉆進(jìn)技術(shù)。尤其氣舉反循環(huán)工藝在深孔鉆進(jìn)時，沖洗液的上返速度快，攜帶巖粉的能力很強，不重復(fù)破碎，孔底非常干凈，鉆進(jìn)效率要比泥漿正循環(huán)高2～3倍，鉆頭壽命長，成本大大降低。除適合在嚴(yán)重漏失地層中采用外，最大優(yōu)越性是對于干熱巖井施工地層中無堵塞。由此可見，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝一定能夠在干熱巖井開發(fā)中，不論鉆井還是洗井都能發(fā)揮重大作用。

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2017-02-09

陰文行(1976-)，男，漢族，工程師，水文地質(zhì)專業(yè)，主要從事地?zé)豳Y源開發(fā)、綜合利用和地?zé)嵛菜毓囝I(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)及管理工作，邯鄲市偉業(yè)地?zé)衢_發(fā)有限公司技術(shù)總工，河北省邯鄲市廣平縣金廣源路中段北側(cè)，Tel：13831064876，E-mail：yinhang006@163.com。

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