雪彦宏，马 江

（宁夏回族自治区水文环境地质调查院，宁夏银川 750021）

空气潜孔锤是利用重锤的高速冲击作用破碎岩层，适用于破碎比较坚硬的地表岩层。而地热资源的开发中，钻进深度往往达到1 km 以上，因此空气潜孔锤钻井有一定的局限性。在实际作业中，可以先利用空气潜孔锤完成地表坚硬岩层的破碎，然后再替换为气举反循环工艺，继续完成地层深部的钻井任务。由于气举反循环技术是利用钻具内外液面的压力差实现岩屑返出，可以为钻具的钻进创造良好条件，保证钻进更加高效。同时，气举反循环技术还能避免钻具夜泄露，也符合当前提倡的“绿色施工”理念。因此，在地热资源的开发与利用中，熟练掌握“空气潜孔锤+气举反循环”组合钻井技术，对兼顾施工质量、效率与环保有积极帮助。

1 气举反循环钻进的工艺特点与参数计算

1.1 气举反循环钻进的工艺特点

现阶段国内地热资源开发中钻进深度最大可达4 000 m。随着钻进深度的增加，遇到破碎岩层、漏失地层的概率也会显著上升。除了增加钻进难度、降低作业效率外，还有可能会出现埋钻、卡钻等问题，给施工单位造成经济损失[1]。气举反循环作业是一种适用于地层深度开采的成熟工艺，其原理是利用空压机将空气压缩后，再利用气水龙头和连接管路，将压缩空气与钻具内的钻井液混合。利用内外液面压力差的作用，让混合液携带钻孔内的固相颗粒，沿着钻井内的环向间隙从下往上返出。气举反循环的工艺原理见图1。

图1 气举反循环钻进示意图

结合图1 可知，气举反循环系统的核心设备包括空压机、双壁钻具、水气盒子、三牙轮钻头等。与常规的钻进工艺相比，气举反循环工艺的优越性主要体现在以下几个方面：（1） 能够避免钻进过程中钻井液泄露而引起地层水污染的问题，兼顾了环保效益和经济效益；（2） 在地质条件较好的情况下，现场钻进作业可直接抽取地下水作为钻井液，使得施工成本进一步降低；（3） 用于冲洗钻孔的介质上返速度快，能够保证深部钻进时产生的岩屑被及时排出孔外，有利于减轻钻头的磨损，提高作业的效率。同时，现场施工人员还可以通过收集上返的冲洗介质，判断当前的地层状况；（4） 可适用于以下较深的钻孔。从工程实践来看，使用气举反循环工艺可以在钻进深度达到3 000 m 仍然保持良好的作业状态。

1.2 气举反循环钻进关键参数计算

1.2.1 沉没系数

钻井液面以下双壁钻具长度（H）与双壁钻具总长度的比值，即为沉没系数（η），其计算公式为：

式中：h 为液面以上双壁钻具的长度，单位为m。在气举反循环钻进作业中，使空压机保持在额定压力下运行，然后尽量增大沉没系数，可以提高钻进效率。正常情况下，沉没系数最小不得低于0.5[2]。沉没比与效率系数的对应关系见表1。

表1 气举反循环沉没比与效率系数的对应关系

1.2.2 双壁钻杆与钻井直径的关系

本次工程项目中主要使用了3 种规格的双壁钻杆。SHB114 型钻杆的内管直径为81 mm，外管直径为115 mm，使用该钻杆形成的钻孔直径在120～250 mm；SHB127 型钻杆的内管直径为88 mm，外管直径为130 mm，使用该钻杆形成的钻孔直径在250～500 mm；SHB140 型钻杆的内管直径为100 mm，外管资金为150 mm，使用该钻杆形成的钻孔资金在500～800 mm。

1.2.3 钻具液上返流速

在实际作业中，要求钻井液的上返流速≥固相颗粒下沉速度，才能使固相颗粒维持在悬浮状态或上返状态。在气举反循环工艺中，对于上返空气的流速要求控制在15～25 m/s 之间；如果是气液固的混合物，则要求上返速度在3.5～5.0 m/s 之间。其中，钻具内钻井液的上升速度（Vmin）可通过下式求出：

式中，df为岩屑颗粒直径，单位为m；rf为岩屑密度，r1为钻井液密度，单位均为g/cm3。

2 空气潜孔锤+气举反循环组合钻井技术

2.1 地热地质条件

项目位于一处压扭性深大断裂带上，裂隙发育成熟，为地热水的储存和运移提供了有利环境。初步地质勘测表明，多数岩石节理裂隙发育密度在15～20条/m3，个别可以达到36 条/m3。裂隙水主要来自于地表水，各区域的富水性有明显差异，总体流向为由南向北径流[3]。地表出露泉眼共有3 处，最大温水流量10.3 t/h，温度在40～60 ℃。随着旅游开发程度的不断加深，温泉的温水流量已经不满足需要。为更好地利用地热资源，拟采取“空气潜孔锤+气举反循环”组合钻进技术进行开发。

2.2 钻进设备选型

本次工程中使用到的核心设备有TSJ-4400 型钻机、RHP-825F 型螺杆式空压机、3NB-600 型泥浆泵等。这里以钻机为例，其参数见表2。

表2 TSJ-4400 钻机的基本参数

于钻进施工前3 天安排施工机械进场，对照设备清单进行核查，保证设备数量、型号等符合要求，起动试运行保证设备工况良好，以备使用。

2.3 钻进方法

结合地质勘测结果，本地岩石坚硬，并且破碎带广泛分布，为此设计了“空气潜孔锤+气举反循环”组合的钻进方案。首先使用空气潜孔锤在基岩地层上凿孔，随着钻机钻进深度的增加，当水压升高、阻力增大，导致钻机钻进困难后，再替换成气举反循环工艺。气举反循环钻进分为3 个阶段：第一阶段（238 m～300 m）：使用350 mm 牙轮钻头，90 mm 钻杆，配合使用双壁立轴与气水混合器完成钻孔。该阶段转速维持在0.60 m/h，地层矿物成分以角闪石、黑云母等；第二阶段（300 m～686 m）：使用215 mm 牙轮钻头，90 mm钻杆，配合使用双壁立轴与气水混合器完成钻孔。该阶段转速维持在0.75 m/h，地层矿物成分以斜长石、凝灰岩为主；第三阶段（686～1 200 m）：使用160 mm 牙轮钻头，90 mm钻杆，配合使用双壁立轴与气水混合器完成钻孔。该阶段转速维持在0.55 m/h，地层矿物成分以英安岩、石英为主。

2.4 空气潜孔锤钻进

空气潜孔钻使用φ350 mm 合金钻头，风压2.0 MPa，最大转速35 rpm，避免转速太快、扭矩过大而出现钻杆折断的情况[4]。选择空气潜孔锤的优势在于：适用范围广泛，在无水或者有地下水的情况下都可钻进，对提高作业效率有积极帮助。同时，作业期间可以实时观测地层情况，如果发现出水为止，或者是出水量突然增多的情况，可以立即停止钻井进行处理，提升作业质量。除此之外还可以做到钻进与洗井的同步进行，不容易对含水层的污染。在使用空气潜孔锤钻进时，为保证钻孔内的岩屑、石粉等能够顺利排出，需要空气上返速度必须达到15 m/s。空压机的供风量（Q）可通过下式计算得出：

Q≥47K1K2（D2-d2）V

式中，K1和K2分别表示孔深修正系数、孔内涌水量影响系数。当孔深不超过200 m 时，K1的取值为1.1；当孔深超过200 m 时，K1的取值为1.25。在涌水量较小的情况下，K2的取值为1.5。D 和d 分别表示钻孔直径、钻杆外径，V 表示上返速度，通常在15～25 m/s 之间。根据设备说明书，可知RHP-825F 型螺杆式空压机的额定分量为24.4 m3/min，将各项参数带入上述公式后，求得实际上返速度，见表3。

表3 试验钻孔实际上返速度评价

将空气潜孔锤的钻进作业分为2 段，其中0～100 m 段内使钻速稳定在1.5～3.5 m/h 范围内；在100～238 m 段内使钻速恒定在1.6 m/h。统计从0～238 m内空气潜孔锤钻进深度与钻速对应关系，并绘制曲线图，见图2。

图2 空气潜孔锤钻井深度与转速的变化曲线

结合图2 可知，随着钻进深度的增加，由于岩石密度不断加大，以及受到排水背压等因素的影响，钻速也逐渐变缓。在最终达到238 m 时，平均钻速接近1 m/h，此时钻进效率明显下降。故不宜再使用空气潜孔锤钻进，需要替换为气举反循环钻进。

2.5 气举反循环钻进

如上文所述，本次工程中气举反循环钻进共分为3 个阶段，各阶段的参数设计与钻效如下：

第一阶段：钻压4.8 t，转速75 rpm，供气量24.4 m3/h。最低钻速0.33 m/h，最高转速0.91 m/h，该阶段平均钻速0.60 m/h。由于该阶段的进尺深度只有62 m，地质类型比较单一，因此钻速变化不明显；

第二阶段：总进尺达到了386 m，完成全段钻进共使用了4 个合金钻头，平均每钻进96.5 m 需要消耗一个钻头。根据现场作业情况，新钻头安装后钻速较低，在钻进作业35 h 后钻速达到最高，维持该转速约25～30 h 后，钻速开始下降，直到钻头报废。钻速与使用时间的变化曲线见图3。

图3 钻头使用时间与钻速的关系曲线

该阶段施工总用时为25 d，平均每天进尺15.44 m。最低钻速0.45 m/h，最高钻速1.86 m/h，该阶段平均钻速为0.85 m/h。平均机械钻效为0.60～0.85 m/h，相比于空气潜孔锤作业，其效率可提升2.2～2.5 倍。

第三阶段：总进尺为514 m，共计消耗钻头9 个，平均每进尺57.1 m，需要替换一个新的钻头，该阶段平均钻速0.55 m/h。耗时42 d，平均每日钻进深度12.24 m[5]。

3 结论

在复杂地层下进行深层地热资源开发时，需要使用“空气潜孔锤+气举反循环”组合工艺。对于表层比较坚硬的岩层，可使用空气潜孔锤进行高速钻进，提高作业效率；对于地下200 m 以下的岩层，为避免钻杆折断、保证钻进效果，需要替换成气举反循环工艺，确保顺利达到指定的钻进深度。在本次工程中，使用气举反循环技术可以保证平均钻效达到0.60～0.85 m/h，相比于常规的钻进工艺提升了2 倍多，兼顾了质量与效率，为地热资源的开发和利用提供了技术支持。