程林，任立坤，王家一，閆路，張慧杰

(河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081)

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氣舉反循環(huán)工藝在鉀鹽井施工及開采中的應(yīng)用

程林，任立坤，王家一，閆路，張慧杰

(河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081)

鉀鹽是生產(chǎn)鉀肥的主要原料，在我國鉀鹽主要分布在新疆的羅布泊和青海的格爾木地區(qū)。采鹵取鹽是格爾木花土溝鉀鹽礦的主要開采方式，但常規(guī)的鉆井和抽采方式在鹵水抽采中并不適用，氣舉反循環(huán)工藝的引入不僅解決了鉀鹽生產(chǎn)井使用壽命短的問題，還解決了潛水泵抽采故障率高、維修困難的問題。

氣舉;反循環(huán)；鉀鹽;開采

0　引言

氣舉反循環(huán)鉆井工藝是一種先進(jìn)的鉆井工藝，其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于循環(huán)液上返速度快、孔底干凈、巖屑重復(fù)破碎率低，因而具有鉆進(jìn)效率高(反循環(huán)一般是正循環(huán)效率的2倍以上)、鉆頭壽命長(鉆頭壽命是正循環(huán)的2～3倍)；

(2)正循環(huán)一般需要一套完整的泥漿系統(tǒng)，而反循環(huán)鉆進(jìn)在很多情況下用清水鉆進(jìn)即可，節(jié)省了泥漿配制及維護(hù)時(shí)間，減少了費(fèi)用，節(jié)省了人力。

在裂隙發(fā)育的漏失地層，采用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)，經(jīng)常要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間進(jìn)行堵漏，既增加了成本，又延誤了工期，在水井鉆進(jìn)中還會(huì)對(duì)目的層的裂隙造成堵塞，使目的層水質(zhì)受到了污染。采用氣舉反循環(huán)工藝鉆進(jìn)，由于巖屑隨沖洗液從鉆桿內(nèi)返回地面，不必考慮堵漏問題，避免了因堵漏造成的浪費(fèi)、誤工、裂隙堵塞等一系列問題。

在水井鉆進(jìn)中，正循環(huán)鉆進(jìn)泥漿由鉆桿和孔壁間的環(huán)狀間隙上返。由于水井目的層的壓力與泥漿壓力相比大多為負(fù)壓，因此泥漿在孔壁上形成泥皮前可能會(huì)有一部分巖屑及泥漿進(jìn)入目的層巖石裂隙，造成裂隙堵塞和污染。特別是對(duì)于地?zé)峋诰碌母邷馗邏合?，長期堵塞于裂隙中的泥漿會(huì)增稠甚至膠化，給洗井工作帶來極大的困難甚至無法成井。而氣舉反循環(huán)工藝鉆進(jìn)時(shí)，泥漿由鉆桿內(nèi)上返，夾裹著巖屑的沖洗液不與孔壁接觸，不會(huì)進(jìn)入孔壁裂隙內(nèi)造成堵塞。如果鉆進(jìn)中使用清水作為沖洗液，更避免了泥漿進(jìn)入目的層巖石裂隙而帶來的麻煩。

現(xiàn)氣舉反循環(huán)鉆井工藝在水井施工、地?zé)峋┕ぜ暗V山大口徑鉆井施工中應(yīng)用已十分廣泛，且優(yōu)勢明顯，但在鉀鹽生產(chǎn)井的施工中應(yīng)用還屬空白。

1　現(xiàn)場概況

在青海省格爾木市花土溝鎮(zhèn)中農(nóng)集團(tuán)茫崖興元鉀肥有限責(zé)任公司采鹽場，鉀鹽是以鹵水的形式蘊(yùn)藏在地下。鉀鹽的開采需鉆鑿生產(chǎn)井，采用抽采的方式獲得。鹽井深度300～400 m，鉆孔直徑450 mm，一徑到底，不下套管裸眼成井。該地靜水位為30 m，出水量80 m3/h，該鹽場共有生產(chǎn)井350口，在抽采過程中生產(chǎn)井出水量逐步減小，有近300口生產(chǎn)井需要修井。采用泥漿正循環(huán)修井，鉆井液漏失嚴(yán)重，不能正常鉆井，只能采用桶鉆撈沙的工藝施工，但此工藝效率低、工期長，不能滿足生產(chǎn)要求。為此施工該項(xiàng)目的內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市第四勘察院來我單位咨詢提高鉆井效率的新工藝、新方法。

2　氣舉反循環(huán)修井配置

針對(duì)鉀鹽礦的地質(zhì)特點(diǎn)及鹵水的抽采方式，我們認(rèn)為采用氣舉反循環(huán)鉆井工藝是解決此問題的最好方式，并制訂了氣舉反循環(huán)鉆井配套如下：

SPC-600車載水井鉆機(jī)

36 t氣水龍頭

108 mm/60 mm雙壁主動(dòng)鉆桿

127 mm/60 mm雙壁鉆桿

127 mm/60 mm氣水混合器

127 mm/60 mm堵頭

127 mm/60 mm排堵裝置

127 mm單壁鉆桿

445 mm反循環(huán)牙輪鉆頭

空壓機(jī)排量6 m3/min、壓力3 MPa

鉆具配置見圖1，在現(xiàn)場的使用過程中，由于井下靜水位高，出水量、鉆井液上返速度快，鉆渣攜帶能力強(qiáng)，鉆進(jìn)效率得到了很大提高，現(xiàn)場施工見圖2、圖3。

圖1　鉆具連接示意圖

圖2　施工現(xiàn)場

圖3　排渣現(xiàn)場

3　施工中遇到的問題及解決方法

(1)最初施工方采用我單位氣舉反循環(huán)鉆具配合刮刀式反循環(huán)鉆頭進(jìn)行修井施工，在采用刮刀式反循環(huán)鉆頭修井時(shí)掃落了大量的鉆渣和結(jié)晶鹽，但刮刀鉆頭卻不能把這些鉆渣和結(jié)晶鹽再破碎成能從內(nèi)管排出的小顆粒，使得大量大直徑的鉆渣和結(jié)晶鹽飽和鹵水中隨鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)，不能被吸入內(nèi)管而上返出井，不但無法正常進(jìn)尺，還存在埋鉆風(fēng)險(xiǎn)。后采納我單位建議，改用我單位生產(chǎn)的反循環(huán)牙輪鉆頭。反循環(huán)牙輪鉆頭在鉆進(jìn)過程中，三個(gè)牙輪把鉆渣和結(jié)晶鹽壓在牙輪下面，并通過牙輪旋轉(zhuǎn)將其破碎成小塊，從而吸入內(nèi)管、排出井外，使得進(jìn)尺速度大大加快，還排除了埋鉆的風(fēng)險(xiǎn)，獲得了施工單位的認(rèn)可。

(2)花土溝地處青藏高原，海拔高度2 800 m，為典型的高原戈壁氣候，晝夜溫差大，白天最高溫度30 ℃，入夜后最低溫度只有0 ℃。地表溫度變化很大，而井內(nèi)溫度卻基本保持恒定，這就造成了在夜間施工時(shí)，由于環(huán)境溫度比井內(nèi)鹵水溫度低得多。鹵水在上返過程中，由于溫度的降低，飽和鹵水出現(xiàn)結(jié)晶析出現(xiàn)象，析出的鹽晶附著在內(nèi)管內(nèi)壁上，時(shí)間一長就造成內(nèi)管堵塞，不能正常上返。這時(shí)就得提出雙壁鉆桿，通過敲擊、振動(dòng)使鹽晶脫落，內(nèi)管疏通后，方能再次下井施工。重復(fù)的起下鉆具極大的影響了鉆井效率，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因在于溫度變化時(shí)鹵水的飽和濃度發(fā)生了變化，如能采取加熱措施，就可輕松解決此問題。在加熱源的選擇上，我們想到了空壓機(jī)輸出的壓縮空氣，壓縮空氣經(jīng)雙壁環(huán)隙進(jìn)入井內(nèi)，完全可以利用壓縮空氣給內(nèi)管加熱，且在空壓機(jī)工作中對(duì)空氣壓縮做功，空氣溫度升高，在輸出時(shí)又對(duì)壓縮空氣進(jìn)行冷卻以降低其溫度。經(jīng)空壓機(jī)廠家同意，我們將空壓機(jī)的輸出溫度調(diào)高到60 ℃，通過壓縮空氣的加熱，避免了飽和鹵水的結(jié)晶析出，成功解決了鹽晶堵塞內(nèi)管的問題。

上述問題解決后，與常規(guī)正循環(huán)洗井相比氣舉反循環(huán)修井施工的優(yōu)點(diǎn)得以充分展現(xiàn)，見表1。

表1　正循環(huán)修井與氣舉反循環(huán)修井對(duì)比

4　氣舉反循環(huán)采鹵

以前鹵水的抽采均使用潛水電泵，在抽采中新泵入井后剛開始抽采效果較好，但時(shí)間一長，一般4～5個(gè)月后就出現(xiàn)葉輪結(jié)晶、濾網(wǎng)結(jié)晶現(xiàn)象。結(jié)晶嚴(yán)重影響了抽水效果，如不及時(shí)處理還會(huì)出現(xiàn)燒泵現(xiàn)象，而在提泵處理時(shí)還會(huì)遇到井壁鹽晶析出縮徑及泵體與井壁結(jié)晶粘連現(xiàn)象，造成提泵困難。為此我單位提出采用氣舉反循環(huán)工藝抽采方案，氣舉反循環(huán)抽采與氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)原理相同，也是通過向管內(nèi)液體注入空氣產(chǎn)生氣舉作用，從而將鹵水抽采出來。

抽采裝置組成如下：

89 mm井口氣水龍頭

89 mm法蘭式抽水管

1英寸風(fēng)管

1英寸氣水混合管

空壓機(jī)排量6 m3/min、壓力3 MPa

抽水裝置的組裝順序?yàn)椋合葘⒊樗芤来斡寐菟ㄟB接下入井內(nèi)，直至距井底10～15 m的距離，然后在抽水管中下入氣水混合管和風(fēng)管，氣水混合器下入距抽水管底端10～15 m 的位置，在井口位置安裝井口氣水龍頭，氣水龍頭的排水管和進(jìn)氣管分別與抽水管和風(fēng)管連接，見圖4。進(jìn)氣管通過高壓膠管與空壓機(jī)相連，見圖5。排渣管連接排渣軟管將抽采的鹵水送入鹵水渠，見圖6。啟動(dòng)空壓機(jī)向抽水管內(nèi)輸入高壓空氣，空氣與鹵水在氣水混合管處結(jié)合，形成氣水混合液，產(chǎn)生氣舉作用，鹵水和空氣的混合液就源源不斷的從排渣管涌出，實(shí)現(xiàn)連續(xù)抽鹵作業(yè)。

圖4　井口氣水龍頭

圖5　空壓機(jī)組

圖6　出水口

氣舉反循環(huán)抽鹵具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)流通通道截面大，整個(gè)管路光滑無阻力、不易形成結(jié)晶；

(2)吸入口截面大、不易堵塞，且結(jié)晶體可以和鹵水一起排出；

(3)整個(gè)裝置不含易損件、耐腐蝕，可長時(shí)間穩(wěn)定工作。

5　結(jié)語

氣舉反循環(huán)工藝在鉀鹽井施工和開采中的應(yīng)用，解決了原有施工方式存在的施工時(shí)間長、成井質(zhì)量差、抽采效果不理想、鉆井使用壽命短的問題，為

鉀鹽的開采提供了新工藝、新方法。青?；ㄍ翜系貐^(qū)地下鉀鹽資源豐富，隨著新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，必將迎來新的發(fā)展。

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2016-05-16

程林(1982-)，男，河北石家莊人，河北省地礦局國土資源勘查中心工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，從事地質(zhì)機(jī)械研發(fā)工作，河北省石家莊市中山西路788號(hào)，E-mail:136905231@qq.com。

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