气举反循环钻井工艺及应用

反循环钻井【摘 要】 钻井液从井筒环空流入，经钻头、钻具内眼返出为反循环钻井。

反循环钻井技术具有减少地层漏失、保护油气层、岩样代表清晰等优点。

反循环钻井分为气举反循环、空气反循环、泵吸反循环等。

气举反循环钻井技术从装备上需要空气压缩机、储气罐、气盒子、双壁钻具、混气器、反循环钻头等，现场利用原钻机连接上述设备进行作业，应用结束拆走设备后不影响正常钻井作业，利用反循环钻井原理，进行了捞砂工艺的研究及工具的研制。

通过试验及现场应用，设备配套实用，漏层连续钻进400余米，效果良好。

1 气举反循环钻井概述气举反循环钻井，是将压缩空气通过气水龙头或其它注气接头（气盒子），注入双层钻具内管与外管的环空，气体流到双层钻杆底部，经混气器处喷入内管，形成无数小气泡，气泡一面沿内管迅速上升，一面膨胀，其所产生的膨胀功变为水的位能，推动液体流动；压缩空气不断进入内管，在混合器上部形成低比重的气液混合液，钻杆外和混气器下部是比重大的钻井液。

如图1所示，h 1为钻具内混合钻井液高度，密度为ρ1；h 2为钻具内未混合的钻井液高度，密度为ρ2；H 为环空钻井液高度，密度为ρ，由于ρg H ＞ρ1g h 1+ρ2g h 2，环空钻井液进入钻具水眼内，形成反循环流动，并把井底岩屑连续不断的带到地表，排入沉砂池。

沉淀后的泥浆再注入井眼内，如此不断循环形成连续钻进过程。

钻井液循环流程见图2：沉砂池—环空—钻头—钻具内水眼—混气器（与注入空气混合）—双壁钻具内水眼—水龙带—排液管线—沉砂池。

优点及用途（1）能实现地质捞砂目的气举反循环钻井液流在钻具内直接上返，携带岩屑能力强，岩样清晰，在漏失地层钻进时能实现捞砂等地质目的。

（2）提高漏层钻井效率气举反循环钻井时，钻头处的钻井液对井底产生抽汲作用，岩屑被及时带走，减少压实效应，在漏层钻井时，可减少岩屑重复破碎、能提高机械钻速，增加钻井效率。

（3）可减少或消除钻井液的漏失，保护储层由于反循环钻井时环空压耗小，作用于地层的压力小，所以在易漏地层钻进时，可减少或消除钻井液的漏失，保护储层，并节约大量钻井液材消耗。

三、气举反循环清孔工艺操作要领
1、导管下放深度以出浆管底距沉淤面300～400mm为宜，风管下放深度一般以
气浆混合器至泥浆面距离与孔深之比的0.55～0.65来确定。

2、主要参数：空压机的风量6～9m3/min，导管出水管直径＞Φ200mm，送风
管直径（水管）Φ25mm，浆气混合器用Φ25mm水管制作，在1m左右长度范围内打
6排孔、
每排4个Φ8mm孔即可。

3、开始送风时应先孔内送浆（补浆），停止清孔时应先关气后断浆。

清孔过
程中，特别要注意补浆量，严防因补浆不足（水头损失）而造成塌孔。

4、送风量应从小到大，风压应稍大于孔底水头压力，当孔底沉渣较厚、块度较大，或沉淀板结时，可适当加大送风量，并摇动出水管（导管），以利排渣。

5、随着钻渣的排出，孔底沉淤厚度较小，出水管（导管）应同步跟进，以保
持管底口与沉淤面的距离。

6、清孔后，孔内泥浆比重应小于1.20，粘度18～20s，孔底沉渣厚度≤5cm。

7、反循环法清孔时所需风压P的计算。

P=γs·h0/1000+ΔP
γs——泥浆比重（KN/m3），一般取1.2
h0——混合器沉没深度（m）
ΔP——供气管道压力损失，一般取0.05～0.1MPa。

气举反循环钻井技术在超深地热井钻探中的应用
气举反循环钻井技术是目前国内外先进的钻井技术之一，该技术已应用于许多油气勘探与开采领域。

随着气举反循环钻井技术的不断发展和完善，其在超深地热井钻探中的应用也越来越广泛。

在传统的钻探方式中，钻头在井中旋转，往往会引起井底的泥浆循环。

而气举反循环钻井技术则采用气体作为钻井液，将气体从井口注入井身底部，通过压力差将钻屑和砂石带回井口，实现了钻探废液的直接排放。

这样，不仅能够减少环境污染，还可以节约钻井成本，提高钻探效率。

超深地热井的钻探深度非常深，通常都要超过5000米，而传统的钻探方式往往会因为地层情况复杂、钻头易卡住等问题导致工作效率低下。

但是，气举反循环钻井技术具有气体充填、无泥浆环流等特点，使得深度达到5000米以上的超深地热井钻探变得更加容易。

另外，气举反循环钻井技术还可以有效地防止地层塌陷和井漏等情况的发生。

由于气举反循环钻井技术采用气体充填井身，因此不会对地层造成过大的压力，防止了地层塌陷；同时，该技术还可以在井底形成压力差，使得井底处于正压状态，防止了井漏现象的发生。

总之，气举反循环钻井技术在超深地热井钻探中具有十分广泛的应用前景。

其可以有效地降低钻探成本、提高工作效率、减少环境污染，并且可以防止地层塌陷和井漏等问题的发生。

因
此，对于超深地热井钻探的工程来说，采用气举反循环钻井技术是一个不错的选择。

气举反循环施工工艺气举反循环钻进工艺气举反循环钻进，是将压缩空气通过气水龙头、经双壁主动钻杆、双壁钻杆的内管与外管之间的环状间隙送到气水混合器后进入内管，这时压气膨胀，液气混合，形成一种密度小于液体密度的液气混合物，由于气体不断进入钻井液，产生气举作用，使得管内的液气混合物同井内的钻井液之间产生压差，从而将气、液、固三相流以较高的速度带出孔外，流经震动筛，排入沉淀池。

经过沉淀的钻井液再流回井内，经井底进入钻杆内，补充钻井液消耗的空间，这样不断循环形成了连续钻进的过程。

气举反循环钻进具有排屑能力强、钻进效率高、钻头寿命长、成井质量好、辅助时间少和劳动强度低等优点，所以在地热井钻探施工中采用优势很大。

气举反循环的输水管路，一般均没有断面收缩，排渣条件比较有利，由于钻杆内的冲洗液上升流速与钻杆内外液柱的密度差有关，因此当井深增大后，只要相应增加供气压力和供气量，钻进仍能保持较高的效率。

一般钻进深度大的孔以及大直径的孔均采用气举反循环钻进工艺。

钻进工作原理如图1所示。

气举反循环钻进工艺特点:1、沉渣厚度大大减小，提高孔壁质量，优化孔壁结构。

地热井成孔质量，取决于孔壁泥浆和岩屑挂壁程度，气举反循环与常规钻进相比，钻进过程中形成的泥皮较薄，孔底沉渣清除较为彻底，其钻进过程也就是洗井过程，防止了泥浆对孔壁及裂隙的堵塞，从而大大提高了地热井的成孔质量。

2、清渣速度快，缩短工期。

采用气举反循环法施工时，能提高了劳动生产率，加快设备周转周期，直接缩短了施工工期。

3、清渣速度快，泥浆排放量减少，减少环境污染。

图1 气举反循环钻进工艺工作原理在我院长期的施工过程中，气举反循环钻进工艺一直得到很好的应用。

2009年在临沂市汤头镇前期打出十几个废井的前提下，我院应用气举反循环施工工艺成功打出一眼高质量地热井，水温52?，水3量480m/d，本次施工为该地区地热资源的开发利用打开了先河，临沂市电视台对该项目进行了专门的报道。

气举反循环工艺在地热井中的研究和应用摘要：随着地热资源被广泛利用，地热井各种钻井技术新方法不断应用，如何提高地热井施工效率、降低地热井施工成本是地热井项目钻探施工的关键。

气举反循环钻进工艺被广泛应用于地热井钻探施工中，然而在基岩浅井和中深井地热项目施工中，使用常规气举反循环钻进工艺存在钻具重量大、结构复杂、双壁密封不严等问题，对钻机提升能力要求较高，中小型钻机难以满足，加大了施工成本。

在使用地热井发电时，地热井的施工技术是保障地热井项目质量的关键。

气举反循环技术主要的原理是利用的地热深井内外的压力差进行深井的钻进工作，有效地降低了地热深井施工的施工成本，保障了钻孔内的干净清洁，钻进的质量较高，所以气举反循环技术受到了人们的广泛欢迎。

关键词：气举反循环技术；地热井施工；应用气举反循环钻进工艺由于反循环液流上返速度高，所以携带岩屑能力强，具有钻进效率高、钻头寿命长、成井质量好，在复杂地层中钻进安全可靠，在漏失地层可不堵漏直接钻进，节省辅助时间和减轻劳动强度等优点。

地热是一种清洁、蕴藏量丰富的绿色能源，地热能的开发利用能够有效地替代经济发展对传统石化能源的需求，减少二氧化碳及硫化物的排放量，提高生态环境保护水平。

地热井是实现地热开发的主要途径，地热赋存于裂隙发育、涌水或漏水地层中，正循环钻进工艺携渣能力差，易造成钻头重复破碎，降低钻进效率，同时易造成含水层通道堵塞，影响涌水量，增加洗井难度，在地热井特别是生产层钻进存在诸多弊端。

因此，在地热井钻进施工中气举反循环钻井工艺应用越来越广泛。

一、气举反循环钻井工艺的工作原理与传统正循环钻井的工作方式不同，气举式循环钻井是将压缩气体经由气水龙头，经过双壁主动钻杆和双壁钻杆的内外管之间的环形缝隙，然后用气 - 水混合器向内管内喷射，使气体在管内产生大量细小的气泡，这些气泡与钻杆内管内的流体在一起，从而在钻杆外产生大量的气体。

这样，在钻杆内管中的气体和液体的混合气体与外面的更大比例的冲洗液体间存在着一定的压差。

例析气举反循环钻进技术的应用1、应用背景锦州市位于辽西，是国家经济发展的交通要道。

项目区西邻锦州港，东接盘锦市，南邻辽东湾，地势平坦，交通方便；距锦州市区20公里，距在建的锦州湾机场20公里，滨海大道直达项目区。

近两年，锦州市委、市政府积极响应辽宁省委、省政府提出的“建设中国温泉旅游第一大省”的号召，目前在锦州市临海区域内已勘探到温泉资源丰富。

该区域因与锦州城市南扩战略和建设沿海城市紧密配合，地理位置优越，因而将给该地温泉旅游的开发建设带来无限商机。

施工区存在“硬、脆、碎、漏”等复杂地层，且为地热井超深孔，因此，在该区引进气举反循环钻进技术，能够减少施工中复杂地层极易发生的孔内事故，同时具有提高钻进时效、钻头使用寿命长等优点。

2、施工区地段地热地质条件本区在地质构造上位于天山～阴山纬向复杂构造带与新华夏系第三隆起带的交接复合部位，与渤海坳陷相邻，属太古代古隆起区。

地质构造主要受新华夏系构造体系控制，锦州～哈尔套断裂带由工作区西侧呈NE向通过，受其影响本区构造十分发育，燕山晚期断裂及岩浆活动强烈，燕山晚期断裂切割了纬向构造，沿构造带有细晶花岗岩出露，各构造体系的断裂都具有二次或多次活动的特点，上地幔软流层或岩浆沿断裂带上拱，岩浆余热为地下热水的形成提供了热源。

3、施工区地层岩石钻探施工性能该区地层属太古界建平群大营子组（Ard）及火山岩系建造。

岩性以黑云母角闪片麻岩为主，次为变粒岩，总体颜色为深灰色，中粗粒变晶结构，片麻状构造，主要矿物成分为长石、石英、角闪石、黑云母，各种矿物成分在岩石中分布不均匀，局部变粒岩呈灰黑色，坚硬，岩层可钻性5-8级。

该区出露大量火山岩系，太古代混合岩（M1）、燕山早期黑云母花岗岩（R52）、燕山晚期辉绿岩脉（βμ53）、燕山晚期细晶花岗岩（r53），坚硬，岩层可钻性7-10级。

该区构造复杂，地层裂隙发育，破碎带多，极易造成钻井液严重漏失，漏失渗透系数K>13。

4、钻进方法及使用的设备4.1钻进方法在综合考虑了地质情况、硬岩层厚度大和地热井2200m超深钻探的特点要求之外，我队首次选则使用气举反循环钻进技术。

气举反循环在大口径钻孔中的应用摘要:钻井液从井筒环空流入，经钻头、钻具内眼返出为反循环钻井。

反循环钻井分为气举反循环、泵吸反循环等。

气举反循环钻井技术具有减少钻井液漏失、保护油气层、岩样清晰、排渣能力强等优点。

利用气举反循环时对井底的抽吸作用，可以进行洗井、捞砂作业，由于减少了正循环时压实效应，液流在钻具内直接上返，避免了含砂洗井液进入地层，堵塞通道，可以有效的保护油气层及含水层等，并在大口径钻孔施工中得到了广泛应用。

关键词：反循环气液固三相流气举反循环是空压机压缩气体通过双层钻具在适当位置打入气体，在钻具内部形成气液固三相流体，并上返，构成气举作用，在钻杆内腔形成负压，在孔内液柱和大气压的作用下，孔壁与环状空间的冲洗液流向孔底，将钻头切削下来的钻渣带进钻杆内腔，再经过气举力排至地面沉淀池内；沉淀钻渣后，冲洗液流向孔内，形成反循环（图1为气举反循环）即：沉砂池—环空—钻头—钻具内水眼—水龙头—排液管线—沉砂池。

反循环与正循环的本质区别在于沉渣的冲洗、上返流速存在巨大差异，反循环冲洗液携带钻渣后迅速进入过水断面较小的钻杆内腔，可以获得比正循环高出数倍的上返速度。

根据钻探水力学原理，冲洗液在钻孔内的上返速度Va的1.2-1.3倍，即Va=（1.2-1.3）Vs。

反循环钻进钻渣在钻杆内运动，是形态各异的钻渣群在有限的空间作悬浮运动，钻渣颗粒要占据一定液体断面，在这种特定条件下可以采用长春地质学院在利延哥尔公式基础上进行实验给出的公式计算颗粒悬浮速度Vs计算公式为：Vs=3.1×k1×｛ds×(rs-ra)/(k2×r2)｝的1/2次方Vs-钻渣颗粒群悬浮速度（m/s)ds-颗粒群最大颗粒粒径（m）rs-钻渣颗粒的密度(kg/dm3)ra-冲洗液的密度（kg/dm3)k1-岩屑浓度系数；k1=0.9-1.1，浓度越大，k1越小；k2-岩屑颗粒系数，k2=1-1.1,球形颗粒为1，越不规则，k2的值越大。