气举反循环钻进工艺选用原则及建议.docx

气举反循环钻进工艺选用原则及建议 张文庆* （山西省地质勘查局二一四地质队，山西 运城 044300） 摘 要：气举反循环钻进工艺由于其变换工艺容易、循环液上返速度高、携带岩屑能力强的特点，具 有适应性强、钻进效率高等优点，已被人们所公认。现已成为我国水井、地热井、瓦斯排放井、煤层气 井以及大口径工程桩施工的主要技术方法之一，应用范围越来越广。收集整理了气举反循环钻进工 艺在实际应用中的常见问题，提出了相应的解决办法和预防措施。并通过论述气举反循环工作原 理，对气举反循环钻进工艺的选用原则和参数选择等提出了几点建议。 关键词：气举反循环；选用；建议 中图分类号：P634.5 文献标识码：B 文章编号：1004-5716(2014)02-0046-03 气举反循环钻进工艺由于其循环液上返速度高、 携带岩屑能力强、变换工艺容易的特点，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，钻探成本低、孔内事故少，节省辅助时间、减轻劳 动强度，对现有钻探设备适应性强等优点，已被人们所 公认，现已成为我国水井、地热井、瓦斯排放井、煤层气 井以及大口径工程桩施工的主要技术方法之一，其应 用范围越来越广。但在气举反循环钻进工艺实际应用 中，常常出现：工艺不适合所钻地层致使无法正常钻 进、参数选用不合理致使钻进效率低下、操作不到位导 致钻进过程故障不断等问题。下面，就气举反循环钻 进工作原理、选用原则、参数选择、设备选型、故障处理 等方面进行探讨。 1 气举反循环钻进工作原理 气举反循环钻进工作原理是以压缩空气通过双壁 气水龙头，经双壁主动钻杆、双壁钻杆的内管和外管之 间的环状间隙，从双壁钻杆下部的气水混合器喷入双 壁钻杆内管，在双壁钻杆内腔形成无数小气泡，气泡一 面沿内管迅速上升，一面同时膨胀，从而产生气举作 用。由于压缩空气不断进入双壁钻杆内管，并托举管 内的部分液体流出地表，在混合器上部的钻杆内腔中 就形成了低比重的气、水混合液。这样，钻杆内腔的水 头压会小于钻孔中的水头压，产生水头压差。按照联 通器原理，水头压差会使钻孔中的液体向下移动，同 时，使钻杆内腔的液体向上移动，形成液流。当钻孔底 部的液体流速达到一定值时，就能连续不断地携带孔 底岩芯或岩屑经钻头底部进入钻杆内腔，形成液、固二 相流。液、固二相流在沿钻杆内腔升上到气水混合器 的位置时，与喷入钻杆内腔的压缩空气混合形成气、 液、固三相流。气、液、固三相流继续沿钻杆内腔向上 移动，最终流出地表，排入沉淀池。沉淀后的泥浆又沿 钻孔孔壁重新流回孔中。如此不断循环，就形成了气 举反循环的连续钻进过程，如图 1 所示。 2 气举反循环钻进工艺的选用原则 气举反循环钻进工作原理决定着该工艺的使用条 * 收稿日期：2013-12-16 作者简介：张文庆（1968－），男（汉族），山西阳泉人，工程师、注册一级建造师、注册安全工程师，现从事探矿工程、基础施工、水文凿井的技术与管理 工作。 件。一是必须要保证钻具内外有足够的水头压差，且 钻杆内腔的水头压必须小于钻孔内的水头压；二是必 须要保证整个循环系统的管路通畅和冲洗液的连续流 动。二者缺一不可。因此，气举反循环钻进工艺有一 定的局限性，必须根据实际情况合理选择。 2.1 地下水位与孔深要适当 一是所钻地层不能出现承压水。因为在承压水溢 出效应下，反循环不易建立而且也没有意义。二是地 下水位在 3m 以下为宜，但也不宜太深，因为地下水位 深时可能是地层漏水严重，难以实现连续反循环。如 果水位深，而孔浅，则没有使用价值。这是因为气举反 循环钻进在浅孔时为低效区，而孔深 30~50m 以后才 为高效区。因此，只有当地下水位在 3m 以下，孔深在 50m 以下才有使用意义。 2.2 不宜在湿胀性硬粘土地层或泥岩地层或卵石地层 中使用 由于粘土层岩屑在管内会发生碰撞由小块变成大 块，大块与水发生膨胀会堵塞内管；泥岩岩屑会附着在 内管内壁上，不断沉积而堵塞内管。上述 2 种地层中的 岩屑一旦沉积在内管上，都不能通过气举反循环及时 排除，从而极易发生糊钻事故。另外，当遇到较多的超 3.1.1 混合器沉没系数 a=（钻孔水面到混合器的距离÷双壁钻具总长）≥ 0.5 理论上，按双壁钻具总长最短长度 10m 计, 混合器 的最小沉没深度应大于 5m。实际上，在启用气举反循 环钻进时，双壁钻具总长都在 50m 以上，因此，混合器 的最小沉没深度应在 30m 以上，即可建立循环。 3.1.2 混合器最大沉没深度 混合器沉没比越大，钻进效率越高。通常在扣除 管路沿程损失的情况下，可按照每 0.1MPa 压力气举 9.8m 来计算混合器的下入深度。如果空压机的最大压 力 值 是 5MPa，那 么 ，混 合 器 的 最 大