气举反循环工艺在钾盐井施工及开采中的应用

2016-09-01程林任立坤王家一闫路张慧杰

地质装备 2016年4期

关键词：气举钾盐修井

程林，任立坤，王家一，闫路，张慧杰

(河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄 050081)

气举反循环工艺在钾盐井施工及开采中的应用

程林，任立坤，王家一，闫路，张慧杰

(河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄 050081)

钾盐是生产钾肥的主要原料，在我国钾盐主要分布在新疆的罗布泊和青海的格尔木地区。采卤取盐是格尔木花土沟钾盐矿的主要开采方式，但常规的钻井和抽采方式在卤水抽采中并不适用，气举反循环工艺的引入不仅解决了钾盐生产井使用寿命短的问题，还解决了潜水泵抽采故障率高、维修困难的问题。

气举;反循环；钾盐;开采

0　引言

气举反循环钻井工艺是一种先进的钻井工艺，其具有如下优点：

(1)由于循环液上返速度快、孔底干净、岩屑重复破碎率低，因而具有钻进效率高(反循环一般是正循环效率的2倍以上)、钻头寿命长(钻头寿命是正循环的2～3倍)；

(2)正循环一般需要一套完整的泥浆系统，而反循环钻进在很多情况下用清水钻进即可，节省了泥浆配制及维护时间，减少了费用，节省了人力。

在裂隙发育的漏失地层，采用泥浆正循环钻进，经常要花费大量的人力、物力和时间进行堵漏，既增加了成本，又延误了工期，在水井钻进中还会对目的层的裂隙造成堵塞，使目的层水质受到了污染。采用气举反循环工艺钻进，由于岩屑随冲洗液从钻杆内返回地面，不必考虑堵漏问题，避免了因堵漏造成的浪费、误工、裂隙堵塞等一系列问题。

在水井钻进中，正循环钻进泥浆由钻杆和孔壁间的环状间隙上返。由于水井目的层的压力与泥浆压力相比大多为负压，因此泥浆在孔壁上形成泥皮前可能会有一部分岩屑及泥浆进入目的层岩石裂隙，造成裂隙堵塞和污染。特别是对于地热井，在井下的高温高压下，长期堵塞于裂隙中的泥浆会增稠甚至胶化，给洗井工作带来极大的困难甚至无法成井。而气举反循环工艺钻进时，泥浆由钻杆内上返，夹裹着岩屑的冲洗液不与孔壁接触，不会进入孔壁裂隙内造成堵塞。如果钻进中使用清水作为冲洗液，更避免了泥浆进入目的层岩石裂隙而带来的麻烦。

现气举反循环钻井工艺在水井施工、地热井施工及矿山大口径钻井施工中应用已十分广泛，且优势明显，但在钾盐生产井的施工中应用还属空白。

1　现场概况

在青海省格尔木市花土沟镇中农集团茫崖兴元钾肥有限责任公司采盐场，钾盐是以卤水的形式蕴藏在地下。钾盐的开采需钻凿生产井，采用抽采的方式获得。盐井深度300～400 m，钻孔直径450 mm，一径到底，不下套管裸眼成井。该地静水位为30 m，出水量80 m3/h，该盐场共有生产井350口，在抽采过程中生产井出水量逐步减小，有近300口生产井需要修井。采用泥浆正循环修井，钻井液漏失严重，不能正常钻井，只能采用桶钻捞沙的工艺施工，但此工艺效率低、工期长，不能满足生产要求。为此施工该项目的内蒙古自治区包头市第四勘察院来我单位咨询提高钻井效率的新工艺、新方法。

2　气举反循环修井配置

针对钾盐矿的地质特点及卤水的抽采方式，我们认为采用气举反循环钻井工艺是解决此问题的最好方式，并制订了气举反循环钻井配套如下：

SPC-600车载水井钻机

36 t气水龙头

108 mm/60 mm双壁主动钻杆

127 mm/60 mm双壁钻杆

127 mm/60 mm气水混合器

127 mm/60 mm堵头

127 mm/60 mm排堵装置

127 mm单壁钻杆

445 mm反循环牙轮钻头

空压机排量6 m3/min、压力3 MPa

钻具配置见图1，在现场的使用过程中，由于井下静水位高，出水量、钻井液上返速度快，钻渣携带能力强，钻进效率得到了很大提高，现场施工见图2、图3。

图1　钻具连接示意图

图2　施工现场

图3　排渣现场

3　施工中遇到的问题及解决方法

(1)最初施工方采用我单位气举反循环钻具配合刮刀式反循环钻头进行修井施工，在采用刮刀式反循环钻头修井时扫落了大量的钻渣和结晶盐，但刮刀钻头却不能把这些钻渣和结晶盐再破碎成能从内管排出的小颗粒，使得大量大直径的钻渣和结晶盐饱和卤水中随钻具转动，不能被吸入内管而上返出井，不但无法正常进尺，还存在埋钻风险。后采纳我单位建议，改用我单位生产的反循环牙轮钻头。反循环牙轮钻头在钻进过程中，三个牙轮把钻渣和结晶盐压在牙轮下面，并通过牙轮旋转将其破碎成小块，从而吸入内管、排出井外，使得进尺速度大大加快，还排除了埋钻的风险，获得了施工单位的认可。

(2)花土沟地处青藏高原，海拔高度2 800 m，为典型的高原戈壁气候，昼夜温差大，白天最高温度30 ℃，入夜后最低温度只有0 ℃。地表温度变化很大，而井内温度却基本保持恒定，这就造成了在夜间施工时，由于环境温度比井内卤水温度低得多。卤水在上返过程中，由于温度的降低，饱和卤水出现结晶析出现象，析出的盐晶附着在内管内壁上，时间一长就造成内管堵塞，不能正常上返。这时就得提出双壁钻杆，通过敲击、振动使盐晶脱落，内管疏通后，方能再次下井施工。重复的起下钻具极大的影响了钻井效率，增加了工人的劳动强度。出现此现象的原因在于温度变化时卤水的饱和浓度发生了变化，如能采取加热措施，就可轻松解决此问题。在加热源的选择上，我们想到了空压机输出的压缩空气，压缩空气经双壁环隙进入井内，完全可以利用压缩空气给内管加热，且在空压机工作中对空气压缩做功，空气温度升高，在输出时又对压缩空气进行冷却以降低其温度。经空压机厂家同意，我们将空压机的输出温度调高到60 ℃，通过压缩空气的加热，避免了饱和卤水的结晶析出，成功解决了盐晶堵塞内管的问题。

上述问题解决后，与常规正循环洗井相比气举反循环修井施工的优点得以充分展现，见表1。

表1　正循环修井与气举反循环修井对比

4　气举反循环采卤

以前卤水的抽采均使用潜水电泵，在抽采中新泵入井后刚开始抽采效果较好，但时间一长，一般4～5个月后就出现叶轮结晶、滤网结晶现象。结晶严重影响了抽水效果，如不及时处理还会出现烧泵现象，而在提泵处理时还会遇到井壁盐晶析出缩径及泵体与井壁结晶粘连现象，造成提泵困难。为此我单位提出采用气举反循环工艺抽采方案，气举反循环抽采与气举反循环钻进原理相同，也是通过向管内液体注入空气产生气举作用，从而将卤水抽采出来。

抽采装置组成如下：

89 mm井口气水龙头

89 mm法兰式抽水管

1英寸风管

1英寸气水混合管

空压机排量6 m3/min、压力3 MPa

抽水装置的组装顺序为：先将抽水管依次用螺栓连接下入井内，直至距井底10～15 m的距离，然后在抽水管中下入气水混合管和风管，气水混合器下入距抽水管底端10～15 m 的位置，在井口位置安装井口气水龙头，气水龙头的排水管和进气管分别与抽水管和风管连接，见图4。进气管通过高压胶管与空压机相连，见图5。排渣管连接排渣软管将抽采的卤水送入卤水渠，见图6。启动空压机向抽水管内输入高压空气，空气与卤水在气水混合管处结合，形成气水混合液，产生气举作用，卤水和空气的混合液就源源不断的从排渣管涌出，实现连续抽卤作业。