地热井应用气举反循环钻进的案例分析
地热井应用气举反循环钻进的案例分析
摘 要： 在新乡太行山脉地区基岩地热井施工中，钻遇上部奥陶寒武灰岩地层时出现严
重漏失现象，且该地层漏失点多，需多次堵漏，堵漏时间长成本高，正循环泥浆钻进无法施
工。随后采用气举反循环钻进，成功实施深度达 2551.48 m 的地热井，顺利在太古界片麻岩构
造地层中找到地热水，水量 50 m3/h,水温 55℃。本文介绍了该地热井施工的主要设备、钻头设
计、钻具组合及钻探施工技术，并对钻探施工中的难点和经验体会进行了总结，为同类工程施
工提供借鉴。
Abstract： During the construction of bedrock geothermal well at Taihang Mountains area
in Xinxiang, serious leakage occurred when drilling the upper Ordovician Cambrian limestone strata,
and there were many leakage points in this formation, where much times and high cost are needed to
stop leakage, and normal circulation mud drilling can't be carried out. But, the geothermal well with
depth of 2551.48 m was successfully drilled with air-lift reverse circulation, and the geothermal water
was found in Archean GNEISS formation with water flow of 50 m3/h and water temperature of 55 °C.
This paper introduces in detail the main equipment, bit design, drill assembly and drilling technology
for this geothermal well construction, and summarizes the difficulties and experiences in drilling to
provide references for similar projects.
Keyword： bedrock; geothermal well; leakage; formation collapse; air-lift reverse circulation;
gneiss;
1 、 项目概况
为开发新乡市云龙山大健康文化产业园项目，提升文化园内旅游产业品味，使用绿色能
源，促进云龙山大健康文化产业园的发展，受新乡市德睿实业有限公司委托施工一口地热井。
该项目取水层位为太古界片麻岩地层，太古界变质岩系地层富水性差，找水难度很大，一
“ ” 般被视为 找水禁区 。 物探技术人员反复研究相关资料，结合物探数据解释结果，最终确定井
位。钻井施工中，由于地层处于断裂带上，岩层破碎，塌孔、掉块、卡钻及容易偏斜等问题时
有发生，采用气举反循环施工工艺[1]克服了种种困难，实现了太古界片麻岩地区地热勘探的新
突破。最终成井深度 2551.48 m, 水量 50 m3/h, 水温 55℃。
2 、 工程地质条件
2.1 、区域水文地质条件
本区地下水可划分为两种不同的基本类型。上部奥陶、寒武系碳酸盐岩裂隙岩溶水地下水
发育
2.1.2 、 寒武系( )∈
(1) 下统( 1)∈。
自下而上分为辛集组和馒头组。辛集组( 1x),∈钻孔揭露 750～865 m, 下部岩性为红色石英
砂岩、紫红色页岩夹泥灰质白云岩，上部为灰色薄、中厚层状灰质白云岩。馒头组( 1m),∈钻孔
揭露 630～750 m, 底部为紫红色粉砂岩、页岩，主要为黄色板状白云质泥灰岩夹紫红色页岩。
(2) 中统( 2)∈。
分为毛庄组、徐庄组和张夏组。毛庄组( 2m),∈钻孔揭露 500～630 m, 下部为紫红色页岩、
粉砂岩，上部以深灰色厚层状灰岩、泥质灰岩为主，夹透镜状白云岩层。徐庄组( 2x),∈钻孔揭
露400～500 m, 上部为深灰色薄层状含竹叶状灰岩、泥质条带灰岩及巨厚层鲕状灰岩，岩溶发
育，下部主要为黄绿色页岩，夹薄层灰岩泥灰岩。张夏组( 2zh),∈钻孔揭露 185～400 m, 主要为
灰、深灰色厚、巨厚层鲕状灰岩、白云质灰岩，岩溶发育。
2.1.3 、 奥陶系下统(O)
为厚至巨厚细晶或粗晶白云岩，钻孔揭露 20～185 m, 岩溶发育。
2.1.4 、新近系(N)
为棕红色、浅黄色及杂色砂质黏土、泥灰岩及泥质砂岩，多未胶结或半胶结0～20 m。
2.2 、 地质构造
本区构造部位处于新华夏系太行山隆起的东南边缘和华北凹陷的过渡地带，南邻秦岭纬向
复杂构造带。区内构造痕迹以断裂为主，新构造运动比较活跃，并多呈继承性活动。
(1)青羊口断层(F1)。
―由青羊口经本区金灯寺 北站延至新乡一带，全长大于 100 km, 走向北东 25°～40°,倾向南
东，为高角度正断层，垂直断距大于 1000 m, 该断层晚近期仍有活动。据钻孔资料，上第三系
上部泥灰岩被断开，断距60～90 m, 反映到地貌形态上，此断裂北西侧为太行山麓的山岳地
貌，南东侧为堆积平原地貌。
(2) ―山彪 五陵断层(F2)。
由山彪、五陵与青羊口大断层复合，走向北东 40°～50°,倾向北西，断距20～30 m, 为正断
“ ”层，断至上第三系泥灰岩，从该断层和青羊口断裂成 入 字型斜接的关系看，可能是青羊口断
裂的分支断层。该断层穿过本井区域，对本井水文地质条件有重要影响。
(3)西曲里断层(F3)。
由西曲里沿卫河向北东方向延伸，走向北东 40°左右，倾向南东，断距20～40 m, 向北东
方向逐渐消失，为高角度正断层，切穿地层至上第三系泥灰岩。
2.3 、 施工条件分析
该地区地层老，结构复杂，易偏斜、漏失，施工程序复杂，要到达含水层，需要通过高裂
隙发育带奥陶系灰岩漏失层。岩性多变、软硬不同，钻头选型困难；部分泥岩中含有钙质团
块，地层非均质、夹层发育，岩性变化大，在井底形成非均质切削；井内掉块导致蹩、跳钻严
重，极易造成钻具胀扣和断钻具事故。辛集组砂岩层研磨性较强，太古界片麻岩可钻性 8～9,
属于硬岩，造成钻头的磨损速度快，钻进效率低，极易疲劳损坏，导致钻井周期和成本比较
高。
3 、钻井工艺
3.1 、 设备选型
选用TSJ3000 型水源钻机和与之配套的LG.VF-10/60 高压空气压缩机及HS-37 型四脚钻
塔。LG.VF-10/60 高压空气压缩机的公称容积流量10 m3/min, 额定排气压力 6 MPa, 108
mm×108 mm 双壁主动钻杆及双壁气水龙头，直径 114 mm 内平双壁钻杆300 m 和89 mm(内径
70 mm)单壁钻杆。
3.2 、气举反循环钻井工艺
先用直径 445 mm 钻头钻孔，然后下入直径 425 mm 保护管 30 m, 确保上部孔壁安全稳定。
在一开钻进时首先采用正循环钻进工艺，使用直径 346 mm 钻头钻进，在钻进至231 m 深奥陶
系灰岩地层时，孔内漏浆严重，采用多种方法堵漏，地层仍漏浆严重。测试发现漏失地层富含
地下水，地下水位 50 m 左右。
气举反循环钻进工艺[2]广泛应用于漏水严重的基岩地层中，弥补了大漏失地层无法正常泥
浆正循环钻进的不足，钻进效率、成井质量都优于正循环工艺。经研究，本工程采用气举反循
环钻井工艺。
3.2.1 、 反循环钻头设计
常规钻头分刮刀钻头、三牙轮钻头及 PDC 合金钻头等，其中三牙轮钻头又分为钢齿钻头
和镶齿钻头。反循环钻头需要在常规钻头中心切割出一个与钻杆内径相通的圆孔，可以使井底
刻取的岩屑在反循环作用下，经钻头中心孔、钻杆内管排至地表[3]。
本井施工采用江汉石油设备厂生产的 HJ517GK、HJT537G 型、HJT547 镶齿牙轮钻头。在
牙轮钻头中心位置开直径为50 mm 进水孔，钻头牙掌上设置钢筋裙网，减少钻头边部的磨损，
增加出渣效果，钻头见图 1。
图1 气举反循环钻头
Fig.1 Air-lift reverse circulation bit
3.2.2 、钻具配置
依据地质设计给出的地层剖面及岩性描述，本工程采用以下钻具组合：①直径 346 mm 钻
头+直径 203 mm 钻铤5根+直径 178 mm 钻铤6根+直径 159 mm 钻铤6根+直径 89 mm 钻杆+主
动(双壁)钻杆；②直径 311.1 mm 钻头+直径 203 mm 钻铤+直径 203 mm 钻铤+直径 308 mm 扶正
器+直径 203 mm 钻铤3根+直径 178 mm 钻铤6根+直径 159 mm 钻铤6根+直径 89 mm 钻杆+直
径114 mm 双壁钻杆+主动(双壁)钻杆；③直径 215.9 mm 钻头+直径 159 mm 钻铤+直径 159 mm
钻铤+直径 214 mm 扶正器+直径 159 mm 钻铤13 根+直径 89 mm 钻杆+直径 114 mm 双壁钻杆
+主动(双壁)钻杆。
3.2.3 、 施工参数
本井一开井段(0～325.15 m)使用正循环钻进工艺，泥浆泵排量23 L/s, 泵压 2 MPa, 之后的
井段采用气举反循环钻进，各井段详细钻进参数见表 1。
气举反循环钻进效率主要取决于压缩空气的压力、风量以及混合器沉没在水中的深度[4],
以下为气举反循环主要钻进参数。
①根据不同地层情况、岩性、钻头尺寸及出渣情况调整钻压，上部灰岩控制在80～120
kN,下部片麻岩、砂岩控制在30～80 kN,钻压不能超过钻铤总重量的 2 M3,�以防孔斜。②采用
摘要：
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地热井应用气举反循环钻进的案例分析 摘 要： 在新乡太行山脉地区基岩地热井施工中，钻遇上部奥陶寒武灰岩地层时出现严重漏失现象，且该地层漏失点多，需多次堵漏，堵漏时间长成本高，正循环泥浆钻进无法施工。随后采用气举反循环钻进，成功实施深度达2551.48 m的地热井，顺利在太古界片麻岩构造地层中找到地热水，水量50 m3/h,水温55℃。本文介绍了该地热井施工的主要设备、钻头设计、钻具组合及钻探施工技术，并对钻探施工中的难点和经验体会进行了总结，为同类工程施工提供借鉴。 Abstract： During the construction of bedrock geothermal we...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
价格：免费
属性：9 页
大小：253.45KB
格式：DOCX
时间：2024-03-22
