2.2　钻井设备

用于水文地质勘查及成井钻探的设备一般选用回转、冲击、复合式或多种用途的钻机，种类繁多。这类钻机一般扭矩大（7500～20000N·m）、转速低（50～300r/min），配套的动力设备功率较大（55～147kW），钻具直径也大，因而操作笨重，工人劳动强度较大。有些大型钻机采用车装式或拖车式的运输方式。对于地热井钻井，应根据井孔深度、井孔直径、地层情况、钻井方法及地热层的温度和压力等条件选择适宜的钻机。一般水文地质勘查孔和水井的钻凿方法见表2-1。从表2-1的分类可以看出，回转钻探是用得最普遍的钻凿方法，冲击钻探在某些应用范围也有它的特点。

2.2.1　冲击钻机

冲击钻机不是一般意义上的钻具，因为它不是电动旋转的。这种钻机采用一个很重的钻头（是一个顶部尖锐的重锤），通过紧拉的钢丝绳索带动钻头，反复将它提起来又落下去，在井底冲击岩石，将井底岩石击碎。图2-1所示为冲击钻机的主要部件和钻进示意图。使用这种钻机，一个有经验的钻井工可以钻至任何地层，包括大的裂隙和岩洞，而这种裂隙和岩洞对其他形式的钻机都会带来麻烦。

在坚硬的岩层，钻进时不需要下套管。如遇塌陷的岩层，则钻进至1.5～3m后下一个套管至井底（套管的边缘带有一个可驱动的防磨管头），然后在该套管处再钻进1.5～3m，如此反复运行。套管直径必须大于钻头直径，以便钻头在管内上下运动。不断扩孔并下套管，最后摩擦力使套管不再深入。此时，需在套管内再下一个较小的套管，并用一个较小的钻头继续钻进。

一个用以增加钻进深度的办法是，用一个装在套管边缘上的可驱动的防磨管头慢慢地进入井孔，然后在套管四周填以膨润土泥浆，支撑不坚固的地层并对套管起润滑作用。膨润土也能防止套管周围的密封泄漏，因为井内存在自流压力，不同含水层之间也会存在压差。

多数情况下要求下到井孔的固井套管达到某一个比较坚硬的岩层。在地热井钻进中，一般黏封至地热层以防止地热流体和浅层地下水混合，也防止由于混水造成的热流体温度下降。任何管子必须下到一定的位置，并须考虑有一根在固井前或固井时移走的临时套管。这些方面对任何钻井都有严格要求。

冲击钻进的深度要超过450～600m将十分耗时，但是1953年在美国纽约却创下了3397m的记录（Campbell，1973）。大型冲击钻可钻直径为18～24in（457～609mm），井深可达几百米。

冲击钻进比某些回转钻进具有的优点是：

① 钻机运输和安装都比较容易，用水量少；

② 造价低，维护简单，适用于坚硬地层，只要一两个人就可运行；

③ 不会发生泥浆堵塞生产岩层的危险；

④ 取样和岩层测井既容易又精确；

⑤ 可获得定性和定量的钻井数据，包括流量的估算，水温、静水位和水的化学成分的测量。

冲击钻进的缺点是：

① 深度和穿透性有限，钻进速度太慢；

② 不容易安装合适的防喷设备；

③ 在不坚固的岩层，随井孔的延伸要不断下套管；

④ 缺乏有经验的技术工人；

⑤ 只限于钻垂直井。

高温下冲击钻进虽然通过冷却水的连续冲刷已获成功，但是冲击钻进仍有一定局限。下列情况不能采用冲击钻进：

① 希望水温高于120℃时；

② 希望在地表获得大流量的自流热水；

③ 井很深，使用冲击钻进已不经济。

2.2.2　回转钻机

不论凿地热井或一般水井，用回转钻机（又称转盘钻机）钻进是目前最常用的一种钻井方法，这类钻机型号很多，各有优缺点。图2-2所示为传统的回转钻机和泥浆循环系统示意图；图2-3所示为回转钻机的主要部件。

井孔通过装在钻杆上的钻头旋转钻成，钻杆则由地面的动力设备驱动，它是由标准长度为9.144m（30ft）的厚壁管通过螺纹连接而成。钻杆柱悬吊在钻塔支承的水龙头上，钻压则由钻头之上的特厚壁管的钻链提供。钻井液用泵从钻杆柱顶端的水龙头进入，经钻杆并由环空返回地面，并将钻屑携带上来。当使用泥浆或盐水作钻井液时，需保持压力平衡，以防止热储流体从钻成的井眼内喷出来。地表的钻进设备及钻进液循环均由柴油机驱动，为防止热储流体喷出，钻杆通过一个控制循环钻井液回压的旋转密封装置和一组可以关闭的防喷阀门而旋转。井内无钻杆时，地面阀门可以关闭井口。

钻头通常采用硬质合金铣齿或碳化钨镶齿的三牙轮钻头（图2-4），牙轮由空心环状轴和钻管带动，力矩通过工作台和方钻杆得到。钻进液沿着管子流下，进入钻头把钻屑从钻头下清冼出来，同时冷却钻头，并把钻屑带回地面。在地面将钻屑分离后，钻井液再进入钻管循环使用。钻管由游动滑车拉紧。由于钻头上压有重荷，要注意不要把钻孔打歪。在某些岩层，要慢慢钻进，不然钻进面来不及清理。

左为三维硬质合金钻头（钻头旁为一维钻进的岩屑）；右为取芯钻头（钻机旁为取出的岩芯）

水力驱动的钻头不用回转工作台和方钻杆，而是用水动力把力矩由顶部直接传给钻管。在浅层钻探，通常使用一根很短很轻的套管，钻头靠自身的重量下伸。这种钻机虽然比常规回转钻机尺寸要小，但是它能够钻探多数中低温直接利用的地热井。带有钻塔和升降机的钻机可以提升6.8t质量并能获得15848N·m的力矩。

地热井钻进的主要问题是钻头寿命短，牙轮钻头的轴承损坏和牙轮锥边保径齿圈的过度磨损都是损坏的主要形式。轴承和保径齿圈的磨损有直接的关系，一种磨损将导致另一种磨损。在地热钻进中，为了延长轴承寿命要求降低钻压，而低钻压导致低钻速，其后果往往使地热钻进更糟。

2.2.3　其他类型的回转钻进

（1）潜孔锤钻进

地热钻井普遍使用的一种方法是用空气锤，这种方法特别适用于火成岩和变质岩。它不是一种真正意义上的回转钻进，而是一种适用于回转钻进的冲击方法，或者说，它是一种冲击回转钻探。

空气锤是一个利用气体动力的重锤，类似于一台大型风镐，用0.7MPa或更高压力的压缩空气使重锤在钻管底部撞击。重锤表面嵌有碳化钨的硬质合金，使其具有凿屑能力。空气锤的直径从76mm到432mm，每分钟的撞击次数在800次至2000次之间。钻管和重锤缓慢旋转，使镶嵌的硬质合金不断以新的工作面来凿屑岩层，保证井孔的钻进和垂直。汽锤使用过的废气和过量空气都直接用于清除碎屑以提供清洁的表面。这样，这种钻进方法的钻进速率要比三维方轮钻头快50%～100%。排出的空气将岩屑从环空带出钻孔。对于规格大的气锤，需要的高压空气量也大，因而将大大提高其运行费和设备投资。

（2）反循环钻进

所谓反循环钻进就是钻进液（一般用水或很薄的泥浆）从钻管（钻杆）外的环空流入，从钻管内流出进入泵的吸入口，井泵送到泥浆罐或泥浆池。岩屑从钻管中带出，其流通截面积要比管外环空的截面积小。泵的吸入扬程限制了此法的钻井深度，一般只能达到海平面以下137m的深度（Driscoll，1987）。对于凿地热井，更喜欢采用的方法是利用一根插在钻管内的空气管来提升岩屑。然后用一台旋风分离器或一台较小的分离器将空气从水和岩屑的混合物中分离出来。这种用空气来提升岩屑的方法极大地增加了钻进深度。流体在环空中的水位几乎和地表齐平。这种方法使用的钻管和常用的空气钻管相似（图2-5）。

反循环钻进的优点是：可以减少井壁的磨损（环空套管中降低了流速）；冲洗液在钻管内的上升速度可达很高，从而缩短流体到达地面的时间，减少了岩屑的混合，使岩样质量提高；同时还可减少由于泥浆侵入使岩层被破坏的可能性。它的缺点是：用水量较大；流体成分由于大量空气混入而起变化，使水化学分析失准。

另一种反循环钻进系统是使用一个双管道的旋转接头和特殊的钻管，用它可将普通的顶部水力驱动钻进转换成反循环的顶部水力钻管外的管子，然后返回到钻管的主要部位，在那里，循环液和岩屑被提升到地面。流体和岩屑向上流经钻管并从旋转接头中的第二根管道流出。

（3）通过套管驱动的钻进

采用顶部水力驱动钻进的正循环空气回转钻机有一个系在钻机上的套管驱动器，该驱动器类似于一个空气驱动打桩机。套管底部要装一个驱动耐磨管头。钻井时，使用这个驱动器可使套管驱动钻进，就像冲击钻进一样。

当钻进非坚硬岩层时，钻头缩在套管内，此时，用耐磨的管头削刮岩层，使套管在钻头前钻进并取出岩心，也可让钻头在套管前钻进，然后缩回套管并用套管钻进；或者让套管刚好在钻头后面，并以和钻头同样的速率钻进。出于这类钻进其套管和井壁之间存在摩擦，因此，套管的用量不能太多，直径也不宜太大，其极限是要能够驱动钻进。

当需要让套管穿过坚硬岩层时，可使用一种较小的扩孔钻头，一般是用井下重锤。

由于套管隔绝了周围的岩石（除井底外），所以取得的岩芯质量极好。漏失循环液的问题也解决了，还可以精确地估算水量。

此法的主要缺点是要求在固井前下入套管（与冲击钻进相同），套管驱动钻进时的噪声也太大。

2.2.4　取芯钻具

钻探过程中，保证质量最关键的环节是采取岩芯。岩芯是供地质人员正确描述地层岩性和真实地反映地层情况的依据。在钻进过程中，进入岩芯管的岩芯往往由于钻具振动而破碎、磨耗、产生变形等扰动，致使岩芯采取率达不到100%。为了避免或减少这些干扰，必须根据地质情况和设备条件，合理地选择钻进方法和取芯工具，遵守操作规程，保证采取岩芯的质量。

取芯钻进基本上是一种勘探方法，其技术广泛应用于民用水井勘查和打普查井，也用于需要取得精确岩性资料的地热试验井或地温梯度井。由于取芯钻成本高，最大标准孔径只有123mm，所以很少用它来打生产井。

取芯钻进有多种方法，常用于地热井的方法类似于电缆测井，这种方法的取芯过程是：空心套取钻头用钻杆回转推进。岩芯圆筒（一根长度一般为3m的装岩芯的管子）用缆索放入钻杆内，高出岩芯部分被切除。当圆筒充满岩样后拔出，另换新筒。岩芯从圆筒中取出后放入岩芯箱并标上编号，圆筒则留待下一次使用。这样就能在钻探的深度内近乎连续地取得岩层的岩样。

取芯钻进时，通常的做法是每钻进60m至150m用一个三维回转钻头。开机前要安装套管并密封，必要时装防喷设备。钻头前一般镶嵌人造钻石。钻头的冷却和钻杆的润滑靠水或稀膨润土泥浆液循环提供。

取芯钻机体积很小，可以装在一辆汽车上，移动方便。通常开钻时用大号钻头，随着钻进深度增加，逐渐减少钻头尺寸，钻进时，一套钻杆和钻头可以放置不动，另一个较小的钻头可以穿过它继续钻进。钻孔打完后，这套钻杆移走并下入套管，或者将井封固废弃。

2.2.5　定向钻井

定向钻井（斜井）技术是在石油钻探中发展起来的，以后引用到地热钻井中来。定向钻进可以发挥三方面作用：①能封闭发生井喷的井；②能节约地面管线和土地，这对打对井（一眼生产井和一眼回灌井配套成对井）十分有利；③可代替在高坡上打井。

在正常情况下，尤其是地热直接利用项目，一般都打直井，既省钱又便于完井和安装井泵。定向井常用于地热发电的热储，因为地热电站要打很多井，在同一个基座上打几眼高温井比较经济，蒸汽汇集系统也比较简单。同时，定向井也可作为营救井来封闭套管破裂漏汽的地热井。1960年，新西兰怀拉开地热田发生一起井喷事故，26号井套管在183m深处破裂，大量汽水带岩块喷出地面，在井口形成小“火山”。为了制止井喷，在离26号井61m远处打了一眼斜的定向井。通过精确计算，这眼斜井在26号井生产套管以下与之相交（深约457m），然后投入水泥浆和石块封闭26号井的底部。至此，26号井的井喷立即开始减弱，之后用水泥全部封死井内出问题的部位，完全堵塞开裂的套管。斜井经过清理后，扫去水泥塞，加深后成为一眼新的生产井（Craig，1961）。

目前，国内专门为地热直接利用项目打定向井的也逐渐增多。1993年4月，天津市热力公司为解决居民冬季供暖，在该市河西区紫金新里小区钻了我国第一眼用于地热供暖的定向井（井垂深1800m、斜深2010m，水温92.51℃，水量156t/h）。打定向井的原因是申请打地热井的数量太多，周围已有不少地热井，各井位间相距太近，井间影响太大，因而不得不增加投资打定向井，使该井与周围已有井的实际取水1000m以上。定向井也能横穿断层起增加产量的作用。由于定向井的投资要比一般直井增加15%～20%，所以中低温地热直接利用项目过去一般打直井。近年，出于对地热资源的保护和消除地热利用后尾水对环境的污染，一些有地热的大城市（如天津市等）已做出在城区打地热井必须打对井的规定，即打生产井时一定要同时打一眼回灌井。在这种情况下，打定向井（斜井）就比较有利。例如天津市热力公司和天津大学共同承担的国家“九五”地热攻关项目天津市中乒国际公寓非金属地热供暖示范工程，就设计了一个对井供热系统。生产井与回灌井的井口相距不到2m，均处于供热站内，便于管理；井下两井相距超过800m，避免了干扰。从生产井抽出的地热水（91℃）经板式换热器换热降温后注入旁边的回灌井，既保护了地热资源又保护了环境。