熊 亮，張小連，熊菊秋，尹 峰

(1.河南省煤田地質局，河南 鄭州 450018;2.河南省煤田地質局三隊，河南 新鄉(xiāng) 453000;3.湖北省羅田縣建設工程質量監(jiān)督站，湖北 羅田 438600)

氣舉反循環(huán)鉆進是采用氣舉反循環(huán)方式排渣的回轉鉆進方法。因沖洗液上返流速較高，被破碎下來的巖屑很快即被轉移，減少了重復破碎，鉆進效率高，鉆探成本低，特別適用于大口徑工程井鉆井施工。2012年7月，在平煤十礦北翼采區(qū)瓦斯抽排井項目完成了由河南省煤田地質局自主研制的219.1/168.3 mm大口徑氣舉反循環(huán)鉆具的首次生產試驗，取得了良好的效益。

大口徑反循環(huán)鉆具的成功應用為大直徑工程井施工技術的提升奠定了堅實的硬件基礎，然而筆者在查閱氣舉反循環(huán)鉆進相關文獻時發(fā)現(xiàn)，涉及鉆進工藝可供參考的文獻有限，多數(shù)文獻尚停留在工程總結階段，缺乏理論化、系統(tǒng)化研究。為此，筆者從大直徑工程井氣舉反循環(huán)鉆進施工現(xiàn)場收集到一些基礎數(shù)據(jù)，通過對這些重要參數(shù)，如風壓、風量、沉沒比、混合器沉沒深度、鉆壓等進行對比分析，發(fā)現(xiàn)其中某些參數(shù)與鉆進效率具有一定相關性。本文旨在對這些影響鉆效的因素作初步探討，不當之處，請同行批評指正!

1 工程概況

平煤十礦北翼采區(qū)是十礦的主要采區(qū)，瓦斯災害嚴重影響到礦井安全生產，據(jù)十礦瓦斯災害治理計劃安排，在北翼采區(qū)施工一口瓦斯抽排井，該工程位于平頂山市十礦北翼采區(qū)三水平回風井院內，該井設計井深651.2 m。

根據(jù)十礦提供的回風井鉆孔柱狀圖顯示，地層以泥巖為主，砂巖夾層，地層傾角26°～32°，鉆進時需要注意防斜。

井身結構見表1。

表1 平煤十礦北翼瓦斯抽排井井身結構

由于是該套大口徑反循環(huán)鉆具首次進行生產性試驗，眾多設備、器具尚處在磨合階段，現(xiàn)場氣舉反循環(huán)鉆進一度因為出現(xiàn)雙壁鉆具氣道短路、氣水龍頭漏漿、鉆孔嚴重漏失等特殊情況而被迫終止。氣舉反循環(huán)試驗井段206～258 m，現(xiàn)場收集到的主要鉆進參數(shù)(其中泥漿排量由地面循環(huán)槽三角堰測定)為:選用外徑444.5 mm的PDC型鉆頭;鉆壓16～56 kN，轉速43～63 r/min，泥漿排量16.6～38.8 L/s。

2 氣舉反循環(huán)鉆進工藝基本原理

2.1 氣舉反循環(huán)鉆進原理

氣舉反循環(huán)是反循環(huán)鉆進工藝的一種，被視為當代先進鉆探技術之一。其工作原理是:將壓縮空氣通過氣水龍頭或其它注氣接頭(氣盒子)注入雙層鉆具內管與外管的環(huán)空，氣體流到雙層鉆桿底部，經混合器噴入內管，形成無數(shù)小氣泡，氣泡一面沿內管迅速上升，一面膨脹，其所產生的膨脹功變?yōu)樗奈荒?，推動液體流動;壓縮空氣不斷進入內管，在混合器上部形成低密度的氣液混合液，鉆桿外和混氣器下部是密度大的泥漿。環(huán)空泥漿進入鉆具水眼內，形成反循環(huán)流動，并把井底巖屑連續(xù)不斷的帶到地表，排入沉砂池。沉淀后的泥漿再注入井眼內，如此不斷循環(huán)形成連續(xù)鉆進過程。氣舉反循環(huán)鉆進示意圖如圖1所示。

圖1 氣舉反循環(huán)鉆進示意圖

2.2 氣舉反循環(huán)工作原理

氣舉反循環(huán)與正循環(huán)鉆進工藝的主要差別在于循環(huán)方向不同，排渣能力卻相差甚遠。氣舉反循環(huán)鉆進工藝的研究難點在于循環(huán)通道中存在氣、液、固三相流。下面用數(shù)學物理的方法，對氣舉反循環(huán)鉆進工藝基本原理進行研究。

由于壓縮空氣由氣水混合器進入鉆具內通道后繼續(xù)向上運行，氣水混合器下部為單壁鉆具，鉆頭處僅有液、固兩相存在，所以在研究氣舉反循環(huán)排渣能力時延用正循環(huán)相關公式。

要使一定粒徑的巖塊能夠隨泥漿排到地面，就要求泥漿具有一定的上返速度，保持巖塊不下沉的最小上返速度稱為臨界上返速度，泥漿在一定直徑的通道中要保持臨界上返速度，就要求泥漿的排量必須大于最小沖洗量，泥漿的最小沖洗量可由下式來確定:

式中:k——系數(shù)，考慮上返通道中泥漿上升速度要大于巖屑的自重下沉速度，一般取k≥1.2;g——重力加速度，m/s2;D——所確定的巖屑直徑，m;γs——巖屑相對密度，計算中常取 γs=2.6;γ——泥漿相對密度;Q——最小沖洗量，m3/h;d——上返通道內徑，m;v——泥漿臨界上返速度，m/s。

氣舉反循環(huán)形成的前提是:混合器以上鉆桿內外形成足夠大的壓力差。氣舉反循環(huán)工作原理如圖2所示。

圖2 氣舉反循環(huán)工作原理示意圖

假設孔內鉆具外泥漿相對密度為γ0，雙壁鉆具內管中泥漿相對密度為γ1，混合器以下鉆具(尾管)內泥漿相對密度為γ2，泥漿液面以下的鉆具長度為H，混合器以下鉆具(尾管)長度為L，混合器浸沒泥漿液面以下深度為h0，泥漿液面至氣水龍頭最高點的高度(揚程)為h1，則反循環(huán)壓力差ΔP為:

整理得:

2.3 工況分析

分2種工況分別討論。

(1)下鉆至指定深度，從啟動空壓機開始到泥漿從排渣口排出正式建立循環(huán)階段，此時γ1＜γ0，γ2=γ0相等，由公式(4)可知:

①反循環(huán)壓力差隨混合器沉沒深度h0增大而增大;

②反循環(huán)壓力差隨γ1減小而增大，而γ1隨風量的增大而減小，也就是說反循環(huán)壓力差隨風量的增大而增大;

③反循環(huán)壓力差隨揚程h1增大而減小。

(2)鉆進(排渣)階段，此時 γ1＜ γ0，γ2＞ γ0，由公式(4)可知:

①反循環(huán)壓力差隨混合器沉沒深度h0增大而增大;

②反循環(huán)壓力差隨γ1減小而增大，而γ1隨風量的增大而減小，也即隨風量的增大，反循環(huán)壓力差增大;

③反循環(huán)壓力差隨尾管長度L增大而減小;

④反循環(huán)壓力差隨γ2增大而減小，而γ2隨進入泥漿中巖屑含量增加(表現(xiàn)為鉆速升高或排渣增多)而提高，也即反循環(huán)壓力差隨鉆速的升高或排渣增多而減小;

⑤反循環(huán)壓力差隨揚程h1增大而減小。

綜上所述，可以得出如下結論。

(1)反循環(huán)壓力差隨混合器沉沒深度h0增大而增大?；旌掀鞒翛]深度直接關系到氣舉反循環(huán)鉆進能力(最大井深)，對于淺孔，h0較小，一旦h0(γ0－γ1)與 L(γ2－ γ0)+h1γ1相等，反循環(huán)壓力差為0，循環(huán)終止。

(2)反循環(huán)壓力差隨γ1減小而增大。γ1隨風量的增大而減小，也即隨風量的增大，反循環(huán)壓力差增大，當空壓機風量不足時，反循環(huán)壓力差也較低，嚴重時甚至出現(xiàn)反循環(huán)終止。

(3)反循環(huán)壓力差隨尾管長度L增大而減小。由此可見尾管不能無限長，一旦h0(γ0－γ1)－h(huán)1γ1=L(γ2－γ0)，反循環(huán)壓力差為0，反循環(huán)終止。

(4)反循環(huán)壓力差隨γ2增大而減小。γ2隨進入泥漿中巖屑含量增加(表現(xiàn)為鉆速升高或排渣增多)而提高，也即反循環(huán)壓力差隨鉆速的升高或排渣增多而減小，所以鉆速不能過高，且下鉆時不能一步下到孔底，需在建立循環(huán)后緩慢下放，保證γ2不至過大以使反循環(huán)連續(xù)。

(5)反循環(huán)壓力差隨揚程h1增大而減小。

鉆桿內混合器以上的三相流在這個壓力差，再加上高速噴出并迅速膨脹的壓氣動量的作用下上升，混合器以下泥漿攜帶巖屑尾隨上升，經過地面處理后的泥漿又重新流向孔內環(huán)空進行補充，這樣就形成連續(xù)的反循環(huán)系統(tǒng)。

實際上，反循環(huán)壓力差ΔP受諸多因素的影響，首先，它要克服循環(huán)系統(tǒng)的沿程阻力;氣水龍頭高度(揚程)h1和三相流的相對密度γ1低，壓力差就相應要高;增大混合器的沉沒深度，可提高壓力差，但又需要提高風壓和風量。這些因素中，沿程阻力是不可避免的，這些阻力包括:沖洗液、三相流沿鉆桿內通道流動的沿程阻力;沖洗液、巖屑流經鉆頭進入鉆頭吸渣口的局部阻力;尾管部分，由于管內外液柱重度不同而引起的壓力差;而且隨孔深的增加而增大，從能量角度分析，由壓氣輸入形成的液柱壓力能(實際上還包括壓氣動能)除補償克服沿程阻力、局部阻力而損失的能量外，還轉化為液體和混合流的動能，兩相流在尾管內上升的位能和三相流超出地面高度段的位能。

從壓力差公式可以看出:在沖洗液密度γ0和升液高度h1一定的淺孔下，增大混合器的沉沒深度，降低三相流的重度(通過增大壓風量)，將提高驅動氣舉反循環(huán)的壓力差。但增大混合器的沉沒深度，將同時需要提高啟動風壓。因此，混合器的沉沒深度，送往孔內的空氣流量和壓力，是影響氣舉反循環(huán)鉆進排渣能力和鉆進效率的重要因素。

2.4 風壓討論

空壓機在不同的工作階段所承受的荷載不同，對不同風壓區(qū)別討論。

2.4.1 啟動風壓

從啟動空壓機到壓縮空氣通過混合器進入鉆具內管，這一階段空壓機的主要任務是克服輸氣管道壓力損失，將雙壁鉆具內外管環(huán)狀間隙中的泥漿從混合器中頂替出來。此時空壓機壓力姑且定義為啟動風壓。啟動風壓計算公式為:

式中:ΔP——輸氣管道壓力損失，一般為0.05～0.1 MPa。

2.4.2 工作風壓

氣舉反循環(huán)正常工作階段，此時空壓機的主要任務是克服循環(huán)系統(tǒng)沿程阻力，將壓縮空氣通過混合器不斷輸入到內管中，以使混合空氣并攜帶巖屑的泥漿的密度大幅降低，在雙壁鉆桿段形成內外壓差，在保持一定壓力差情況下最終將三相流源源不斷地輸送至地表。此時空壓機壓力定義為正常工作風壓，其計算公式為:

當空壓機的壓力P確定時，則可按下式求出混合器沉沒深度的最大允許值:

從公式(3)、(4)可以看出，三相流的相對密度γ1是氣舉反循環(huán)壓力差及三相流上返速度的主要影響因素，我們知道γ1與風量大小有關，風量越大，三相流中混入壓縮空氣越多，相對密度就越小，因此初步判斷風量的大小將直接影響氣舉反循環(huán)的清渣能力并間接影響反循環(huán)的鉆進效率。由公式(7)可知，風壓一定條件下，最大鉆進深度就可以確定出來，風壓與鉆速之間沒有直接關系。

3 混合器沉沒深度、沉沒比及風量與鉆速的關系

影響鉆速的因素眾多，為使研究結果更具說服力，在同一口井，分別選取幾個有代表性的井段，相同巖性，同一只鉆頭并保持鉆進參數(shù)(鉆壓、轉速)一致，通過改變混合器沉沒深度、沉沒比、風壓、風量其中某一參數(shù)，對鉆進速度做對比分析，詳細試驗參數(shù)見表2。

表2 氣舉反循環(huán)鉆進參數(shù)

以試驗井段227～231、251～256 m為例，鉆速與混合器沉沒深度關系見圖3～5。

由圖3、圖4可以看出，隨著混合器沉沒深度的增加，鉆速呈現(xiàn)上升趨勢。因此，在空壓機風壓足夠的情況下，要獲得較好的鉆進速度，混合器沉沒深度越大越好。

圖3 鉆速與混合器沉沒深度關系圖(227～231 m井段)

圖4 鉆速與混合器沉沒深度關系圖(251～256 m井段)

圖5 鉆速、沉沒比及混合器沉沒深度關系圖(251～256 m井段)

由圖5可知，鉆速與沉沒比曲線走勢十分相似，兩者間具有一定相關性，即隨著沉沒比的增大鉆速有所提高，沉沒比減小鉆速也相應降低。

對于同一口井，同是砂巖的井段:227～231 m，所用空壓機風量21.4 m3/min，平均鉆速為0.664 m/h;251～256 m，空壓機風量10 m3/min，平均鉆速為0.378 m/h。由圖6明顯可見鉆速與風量關系密切，即隨風量的增加鉆速提高顯著。

圖6 不同風量條件下鉆速對比關系圖(砂巖)

經過長時間的觀測發(fā)現(xiàn)，氣舉反循環(huán)鉆進速度受風量、碎巖量、混合器埋深、揚程等多種復雜因素影響，本文僅僅只是初步探討，其他復雜因素有待進一步研究。

4 結論與建議

(1)氣舉反循環(huán)鉆速存在最優(yōu)值，并非越大越好，鉆速過大將導致進入內管巖屑增多，γ2增大反循環(huán)壓力差降低，嚴重時甚至出現(xiàn)循環(huán)終止(堵塞)等現(xiàn)象。

(2)風壓是制約氣舉反循環(huán)鉆進深度的先決條件，與鉆速沒有直接關系。

(3)鉆速與混合器沉沒深度及沉沒比有一定相關性，鉆速隨混合器沉沒深度及沉沒比的增大而升高。

(4)相同條件下增大風量可獲得較高的鉆進效率。

(5)氣舉反循環(huán)鉆進速度受風量、碎巖量、混合器埋深、揚程等多種復雜因素影響，本文僅僅只是對風壓、風量、沉沒比等因素作初步探討，其他復雜因素有待進一步研究;受試驗條件限制，現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)較少，建議今后多進行相關試驗，綜合分析以提高結論的說服力。

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