摘要
地热资源是一种清洁、安全、可靠、稳定的可再生能源。LQDR-1是一口地热温泉井，设计井深3500 m，实际完钻井深3201.2 m。热储属于裂隙型，设计靶区范围较小，钻井的针对性、目的性比较强，且地层倾角大、可钻性差。在一开、二开井段，为减少井底水平位移，提高中靶率，LQDR-1井采用了塔式+钟摆钻具组合，通过优化钻具组合及钻井参数，全井保持了较低的井斜和较高的井身质量。在三开、四开井段，采用气举反循环钻井工艺钻进热储地层，一方面可以解决大口径多开次地热井环空携岩能力较差问题，另一方面可避免或减少伤害储层，保持地层最大出水能力，提高单井出水量。
地热资源集热、水、矿为一
地热钻井工艺根据循环流体的不同，可分为传统泥浆正循环钻井工
本文重点介绍LQDR-1地热温泉井泥浆正循环钻井工艺井斜控制方法及气举反循环钻进热储关键技术，分析其在地热深井中的应用效果和优势。
LQDR-1地热温泉井位于太行山北部山区的废弃矿山治理区，该地区属于缺水山区，在该井附近没有完井成果较好的地热井，现设计井深3500 m，实际完井深度3201.2 m（已达地质目的，按要求完钻），该区断层发育丰富，地热资源类型为裂隙型。
LQDR-1井实际完井深度3201.2 m，采用四开井身结构（见
图1 LQDR-1井井身结构
一开Ø444.5 mm牙轮/PDC钻头钻进至602 m；下入Ø339.7 mm×9.65 mm泵室管，所用管材为API标准J55无缝石油套管。
二开Ø311.1 mm牙轮/PDC钻头钻进至1900 m；下入Ø244.5 mm×8.94 mm技术套管，所用管材为API标准J55无缝石油套管。
三开Ø215.9 mm反循环牙轮钻头钻进至2817 m；下入Ø177.8 mm×8.05 mm技术套管，所用管材为API标准J55无缝石油套管及花管。
四开Ø152.4 mm反循环牙轮钻头钻进至3201.2 m，裸眼成井。
（1）地层坚硬。本井钻遇地层岩性主要是灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩、灰色层状白云岩、燧石结核燧石条带白云岩、石英砂岩，长石石英砂岩等，下部井段以变质岩为主（大理岩化白云岩），属中硬—坚硬岩石，可钻性6~10级，具有强研磨性，可钻性极差，钻效低，难以发挥大功率石油钻机优势，只能通过优选钻井工艺和钻头型号以提高钻效。
（2）地层倾角大，极易导致井斜。根据出露地层剖面倾角分析，工区内断层发育，产状不一，地质条件异常复杂，常规钻具组合控制井斜难度较
（3）下部地层（1900 m以深）易发生坍塌、掉块、破碎等不利情况，井底沉砂多，采用清水气举反循环钻
LQDR-1井采用ZJ40型钻机进行施工，主要设备如下：JJ225/43K型井架，PZ12V190B型柴油机3台，400kw节能发电机1台，3NB-1300型泥浆泵2台，SF-10/250型空气压缩机1台，振动筛2台，ZQJ250×2/1.5×0.6型除砂器1台，ZCJ100×10型除泥器1台，LW450-842NA型离心机1台。施工现场见
图2 LQDR-1地热温泉井施工现场
一开、二开井段采用泥浆正循环钻进工艺施工。
地表地层岩性为石灰岩，仅靠水力冲击开孔难度较大，且若开孔不正对后续的施工会造成一定的困难，因此采用常规泥浆正循环回转开孔。在设备安装阶段校正、固定好，以保证开孔及后续施工的安全；做到井口、天车、转盘三点一线，使用转盘旋转开孔。
在开孔阶段（0~12 m），采用Ø444.5mm PDC钻头+731×730接头+731×410变径接头+Ø127 mm钻杆+Ø133 mm×133 mm方钻杆的钻具组合。钻进参数：钻压5~10 kN，转速Ⅰ档（55 r/min），泥浆排量22~55 L/s。
常规泥浆螺杆复合钻进阶段（12~602 m），采用Ø444.5 mm牙轮钻头+Ø244.5 mm直螺杆+Ø228.6 mm钻铤×1根+Ø406 mm扶正器+Ø228.6 mm钻铤×2根+731×410变径接头+Ø177.8 mm钻铤×6根+Ø127.0 mm钻杆+Ø133 mm×133 mm方钻杆的钟摆复合钻具组合。钻进参数：钻压200~350 kN，转速Ⅰ档（55 r/min+螺杆转速），泥浆排量55 L/s，泵压3~6 MPa。钻压可根据地层倾角及井斜变化趋势进行调整，为有效控制井斜，可采用150~300 kN钻压进行吊打。
由于该井地层倾角大、可钻性差，二开井段钻进时选用2种大钟摆钻具组合：
（1）同一开井段选用的钻具组合相类似，此钻具组合适合PDC钻头钻进，在软硬胶结不均质性强地层应用效果良好。Ø311.2 mm PDC钻头+Ø244.5 mm直螺杆+Ø228.6 mm钻铤×1根+Ø308 mm扶正器+Ø228.6 mm钻铤×2根+731×410变径接头+Ø177.8 mm钻铤×6根+Ø127.0 mm钻杆+Ø133 mm×133 mm方钻杆。
钻进参数：钻压100~150 kN，转速Ⅰ档（55 r/min+螺杆转速），泥浆排量55 L/s，泵压6~15 MPa。钻压可根据地层倾角及井斜变化趋势进行调整，采用80~100 kN钻压进行吊打，井斜控制效果良好。
（2）适用于采用牙轮钻头钻进极硬变质岩地层的钻具组合。Ø311.2 mm牙轮钻头+Ø228.6 mm钻铤×2根+Ø308 mm扶正器+Ø228.6 mm钻铤×1根+731×410变径接头+Ø177.8 mm钻铤×6根+Ø127.0 mm钻杆+133 mm×133 mm方钻杆。
钻进参数：钻压100~150 kN，转速Ⅰ档（55 r/min），泥浆排量55 L/s，泵压9~12 MPa。钻压可根据地层倾角及井斜变化趋势进行调整。
LQDR-1井钻遇地层坚硬，可钻性差，为提高钻效，应采用较大钻压，但钻遇地层倾角大，增大钻压极易增加井斜。为提高钻效且将井斜控制在较小范围内，采用塔式、钟摆复合钻具。
塔式、钟摆复合钻具既可以有效防止井斜，也可以有效纠斜，是控制井斜的有力手段。
以二开井段为例，井斜及水平位移较常规钟摆钻具组合钻进时得到大幅降低，取得了较好应用效果，井斜角、水平位移变化趋势见
图3 二开井段井斜角、水平位移变化趋势
三开、四开井段热储层钻进施工中，采用气举反循环钻井工艺，可避免或减少伤害热储层，保持地层最大出水能力，提高单井出水量。
气举反循环钻井工艺的原理是空气在空压机的驱动下经过双壁钻杆的内外管环空到达双壁钻杆底部，通过气水混合器进入内管与清洗液及岩屑形成三相流。双壁钻杆内管中的清洗液（多为携带岩屑的清水）因为混入空气，在混合器上部形成低密度的气水混合液，内管的气水混合液在压差作用下向上流动，把井底的岩屑连续不断携带出地表，排入沉淀池。沉淀后的泥浆再流回井内，补充循环液的空间，如此不断循环形成连续钻进的过
气举反循环是一种欠平衡空气钻井工艺，相比传统钻井工艺，可有效降低环空井底压力，减少岩屑重复破碎，有效保护热储层，保持单井最大出水能
泥浆正循环钻进切换至气举反循环钻进，仅需额外配备双壁钻具、空压机等设备、钻头更换反循环牙轮钻头即可，且气举反循环钻进不需要配备大功率泥浆泵，其他钻探设备不需要改变，工艺切换较为简单快捷。
气举反循环钻具组合为∶反循环钻头+钻铤+加重钻杆+单壁钻杆+气水混合器+双壁钻杆+双壁主动钻杆+气盒子+单通道水龙头。
三开、四开井段（1900~3201 m）采用气举反循环钻井工艺施工，该工艺钻进效率主要取决于压缩空气气量、压力、沉没比及上返速度等。
（1）供气压力。可通过现场测试确定，选用空压机可保证在设计最大应用深度（终孔深度）、最低动水位和最大沉没深度的工况下，正常启动形成反循环即可。选定空压机的额定供气压力应满足
| （1） |
式中：——空压机额定压力，MPa；——钻孔冲洗液密度，g/cm³；g——重力加速度，9.8 m/
代入相关参数计算得空压机最小供气压力为6.2 MPa。
（2）供气量。空压机的供气量应与双壁钻杆内外直径、钻孔直径相适应，以达到最佳的排渣效果。空压机额定供气量应满足见
| （2） |
式中：——空压机额定供气量，m³/min；——岩屑上返通道直径，m；——双壁钻杆内管流体上返速度，m/s。
代入相关参数计算得空压机最小供气量为1.8 m³/min。
供气量也可参照
| 双壁钻杆内管内径/mm | 供气量/（m³·mi |
|---|---|
| 49 | 1.0~2.4 |
| 66 | 1.8~4.3 |
| 78 | 2.6~6.0 |
| 98 | 4.1~9.5 |
| 113 | 5.4~12.6 |
| 150 | 9.5~22.3 |
因此，综合确定选用型号为SF-10/250型空压机1台，其额定排气量10 m³/min、额定排气压力25 MPa，可以满足实际需求，且有较大富余量。
为提高钻进效率，探索供气量对气举反循环钻进的影响，在2577.27~2607 m井段采用2台SF-10/250型空压机并联供气进行钻井作业，供气量提升至20 m³/min。实际钻进过程中井口返水量较为稳定，约36 m³/h，井口收集的岩屑粒径有所增加，多见7~10 mm的片状岩屑、有少量达到15 mm 的块状岩屑，井底较为干净。供气量增加至20 m³后，接单根后重新建立循环的时间由25 min缩减至12 min，但在其他参数及地层均保持一致的情况下，机械钻速提升不明显，因此此后井段供气量仍采用10 m³/min的单台空压机供气。该试验仅维持较短时间，为优化气举反循环钻进所需供气量，应在不同工况下展开多次试验，并理论分析供气量对钻效的影响。
沉没比即气水混合器在动水位以下的浸没深度与其至水龙头弯管最高处中心线的长度之比。该井在应用气举反循环钻进过程中，为提高沉没比，增大钻杆内外压差，采取了回灌措施，时刻保持动水位在井口处，因此动水位以下的双壁钻杆长度等于下入双壁钻杆总长度。气举反循环钻进沉没比计算示意见
图4 气举反循环钻进沉没比计算示意
实现气举反循环要求一定的沉没比。计算公式如下，在第一次尝试应用气举反循环的过程中，此时孔深1920 m，净水位70 m，平台至水龙头鹅颈管高度12 m。
| m= | (3) |
式中：m——沉没比；——静水位至气水混合器的高度；——静水位至鹅颈管的高度。
为保证钻杆内外建立足够压差，下入了多达54根、总长度517.32 m的双壁钻杆，沉没比达到0.974按照沉没比计算公式得沉没比为0.86。此时，气举反循环效果较好，但由于双壁钻杆数量有限，钻进进尺较快，需要提钻加接单壁钻杆，劳动强度大，随着孔深加大，通过调整沉没比来减轻提下钻带来的劳动强度。
在气举反循环钻进过程中，流体的携岩能力与其上返速度密切相关，合理的上返速度是气举反循环钻进顺利进行的关键，可以运用下式计算气举反循环钻进岩屑上返所需的最小流
| （4） |
式中：D——外圆截面积，c
按照Ø215.9 mm计算得举升液量为2.9~5.09 L/s，代入Ø127 mm双壁钻具相关参数，忽略钻杆接头参数和延程损失，计算得Vmin=2.35 m/s，满足气举反循环最小流速2 m/s要求。上返岩屑见
图5 气举钻进排出的岩屑
在施工过程中，出现了多次钻头或钻铤堵塞的井下事故，大大增加了辅助作业的时间。为解决堵塞问题，经研究决定在钻头上加焊裙板（见
图6 反循环牙轮钻头导流裙板
在实际施工过程中，常见片状岩屑架桥堵塞现象，一般将钻具提离井底，继续送风40~50 min后可恢复返水，若不能恢复返水，反复多次上提活动钻具大多能解除堵塞问题虽对钻进效率造成了一定的影响，但基本能维持正常钻进。
本井采用气举反循环钻进工艺，完钻后采用酸洗，出水量达到57
图7 抽水试验效果
根据现场统计，使用正循环钻进工艺，每月的耗电量大约为15万kW·h，使用气举反循环钻进的每月耗电量大约为10万kW·h。这是因为使用气举反循环钻进只使用空压机作为循环装置，相较于泥浆泵能更好的节约动力费用。
使用气举反循环钻进工艺在三开钻进，钻头的机械钻速相比一、二开正循环钻进高，且钻头平均寿命也提高，钻头使用情况见
| 井段 | 井径/mm | 总进尺/m | 钻头个数 | 钻头类型 | 平均机械钻速/（m· | 最大机械钻速/（m· | 平均寿命/（m· |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 一开 | 444.5 | 602 | 7 | PDC+镶齿牙轮 | 1.07 | 1.88 | 86 |
| 二开 | 311.1 | 1298 | 12 | PDC+镶齿牙轮 | 1.32 | 2.17 | 108.17 |
| 三开 | 216.3 | 927.02 | 7 | 镶齿牙轮 | 1.62 | 2.27 | 130.14 |
（1）LQDR-1井一开及二开井段应用塔式+钟摆复合钻具控制井斜取得了较好应用效果，为井斜控制提供了一条有效途径。
（2）泥浆正循环钻进切换至气举反循环钻进较为简单快捷，在钻遇热储地层时，可根据实际情况及时切换。
（3）在维持大沉没比的前提下，双壁钻杆沉没在水中的长度与尾杆的长度之比不低于1∶10均可实现气举反循环钻进，可适当减少双壁钻杆下深，以增加替杆间距、减少替杆时间。
（4）气举反循环钻进流体上返速度快，不受井径影响，携岩能力强，携岩困难的大口径地热井可采用气举反循环钻进增加携岩能力，而且可避免或减少伤害热储层。
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