A200904-491.pdf

大直径井孔钻进中空气洗井效果实验研究 尹海松 中国矿业大学建筑工程学院岩土工程研究所，江苏徐州（221008） yhscumt@163.com 摘 要：根据空气洗井的影响因素，对大直径井孔的空气洗井效果进行相似实验研究。分别 对三种不同钻杆内径、洗井空气压力及破岩岩粒粒径进行了全组合物理模拟实验，确定以上 因素取值对大直径井孔的空气洗井效果的影响，并得到了洗井过程中空气流场的压力分布状 态。结果表明，小破岩粒径、高压空气介质与大直径内径钻杆均可分别提高空气洗井效率。 各因素影响的确定，将对空气洗井方法应用于大直径井孔起到一定的指导作用。 关键词：钻井法；空气洗井；相似模拟实验；效果 中图分类号：TU741.1 1. 引言 空气洗井是指以压缩空气作为洗井介质的一种洗井方法，其实质为应用气体代替水或泥 浆来冲洗钻孔的孔底，冷却钻头并将所钻取的岩粉等返出孔外。由于空气密度低、流速快、 易压缩等物理性质，较之浆液洗井，可减少用水费用，减小对井底的压力，利于提高钻速， 克服在卵石层中的钻进困难，尤其在不稳定地层和复杂岩矿层、漏失层中避免浆液含有的化 学剂对地下水的污染，当用反循环洗井方式时，可施工较大口径与两三千米的深井等优点 [1][2][3]。其效果主要通过输送比(在气力输送中,单位时间内输送的物料质量与同一时间内通过 的气体质量之比)与洗井效果(单位时间内洗出的岩粒质量)来判断。 空气洗井技术在石油钻探、爆破孔、勘探孔、抗滑锚固孔及人工震源孔等小直径钻井工 程中已经十分成熟，但较小直径钻孔，大直径钻井工程在井筒直径、破岩量以及颗粒粒径的 数量级都增大很多，导致空气洗井流量、洗井压强以及气流携带速度较小直径孔洗井工程有 很大提高，且为获得较大的气流携带速度，大直径钻井空气洗井都使用反循环洗井方式，而 以上差异也导致整个空气洗井设备型号和安装也不同。而目前国???外对这种大直径钻孔空气 洗井探讨甚少，更缺乏必要的实验研究。鉴于此，本文以某大直径钻孔工程洗井为模拟试验 研究对象，对岩石粒径、空气洗井介质的压强、速度等及各种几何尺寸(如钻杆直径)等因素 对空气洗井效果的影响进行研究，优化以上洗井参数，选择合理的洗井工艺和设备，从而达 到经济、快速洗井的目的。 2. 原型条件及相似条件 2.1 原型条件 取原型井筒深度为1000m，直径为3m，在中硬岩层中钻进。在空气洗井竖直输送过程中， 一般认为空气洗井在竖直段长度达到钻杆内直径的5倍时，洗井就达到两相均匀流状态。因 此在物理实验模拟中取井深的原型参数为15m～20m。 钻进中破碎下来的岩石颗粒的参数见表2-1. 表2-1 破碎下岩石颗粒参数 密度(kg/m3) 容积含固率(%) 公称粒径(mm) 球形度 2660 30 5～40 0.554～0.628 - 1 - 钻头直径为2.950m，为平底式，刀盘体中心设置有排渣管，钻头配置15个球齿滚刀。钻 杆为φ325×25mm无缝钢管。钻头的转速为每分钟0~12转。 一般来讲，钻孔口径小于600mm时，多用正循环。钻孔口径大于600mm时，选用反循 环就能显示出经济上的优越性。本研究中采用反循环洗井。风机选用单位压风量 Q=83.50~235.57m3/min。 2.2 模型确定 试验依据相似理论原理，其相似条件主要考虑：①空气流体与岩石颗粒材料的相似；② 井筒、钻井机械与岩石颗粒尺寸的相似；③荷载与边界条件的相似[4][5]。 依据试验进度要求及试验条件限制，模型几何缩比系数选定为CL=8，并因采用相同材 料得到 Cγ = Cρ = Cμ = 1(Cγ、Cρ、Cμ分别为空气与岩石颗粒的容重、密度、动力粘度的相 似系数)；由 Frf = u f