大口徑氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)的研究

楊宏偉

（石家莊探礦機械廠，河北 石家莊050081）

1 引言

隨著生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對鉆孔直徑的要求越來越大，取心和排出大量的巖粉成為一個比較突出的難題，一些常規(guī)的正循環(huán)鉆進技術(shù)已不能滿足其需求或者說鉆進的效率已經(jīng)非常低，而氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)的應(yīng)用卻顯現(xiàn)了極其突出的優(yōu)勢，取得了顯著的經(jīng)濟效益，特別是在大口徑鉆井中更為明顯。本文對氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)所涉及各個方面的內(nèi)容進一步做了詳細的介紹，希望能給廣大的讀者帶來益處，以推進我國該鉆井技術(shù)的快速發(fā)展。

2 工作原理及特點

所謂氣舉反循環(huán)鉆進，就是將壓縮空氣經(jīng)氣水龍頭、雙壁主動鉆桿和雙壁鉆桿的空氣通道進入氣水混合器內(nèi)管，壓縮空氣在內(nèi)管內(nèi)形成無數(shù)的小氣泡，與鉆井液相混合后發(fā)生膨脹做功形成一種低比重的氣水混合物，氣水混合物將鉆井液提升并攜帶井底巖屑，經(jīng)鉆桿中心內(nèi)孔和氣水龍頭排渣管高速返回地表，形成反循環(huán)流動，見圖1。

氣舉反循環(huán)鉆進技術(shù)能夠得到廣泛應(yīng)用的原因是它具有一系列的優(yōu)點?？偨Y(jié)起來有如下幾方面：

（1）鉆井液攜帶巖心上返速度快而且連續(xù)取心鉆進，大幅度地提高了純鉆時間利用率。大口徑鉆孔時與正循環(huán)鉆進相比，機械鉆速約可增10倍。

圖1 轉(zhuǎn)盤鉆機氣舉反循環(huán)工作原理圖

（2）氣舉反循環(huán)鉆井工藝可用于鉆進深度大、富水地層的深水井，鉆深井時不受井內(nèi)水位深度的制約。

（3）鉆進過程比較穩(wěn)定，不易受井內(nèi)沖洗液面高度變化的影響。

（4）鉆具內(nèi)各處的壓力均大于大氣壓力，不致因鉆具密封不嚴而影響正常工作，也不存在損壞水力機械的氣蝕現(xiàn)象。

（5）氣舉反循環(huán)鉆進時，如果孔壁穩(wěn)定不坍塌，可以直接利用地下水作為鉆井液。因此，可以不必配置或簡化了泥漿系統(tǒng)，也簡化了操作。

（6）氣舉反循環(huán)鉆進時，巖屑是從鉆桿內(nèi)上返到地面上來的，它不和井壁發(fā)生接觸，因此，巖屑不會滲入含水層，能保持地下含水層的孔隙率。

（7）鉆頭是在凈化后的鉆井液中工作，工作條件優(yōu)于正循環(huán)鉆進，所以鉆頭使用壽命長。

（8）氣舉反循環(huán)鉆進可以解決一些復(fù)雜地層鉆進的難題。

3 器具研發(fā)和設(shè)備的選擇

3．1 雙壁主動鉆桿

在轉(zhuǎn)盤鉆機上進行氣舉反循環(huán)鉆進時，需要用主動鉆桿將轉(zhuǎn)盤的動力傳給鉆桿和鉆頭。目前我廠生產(chǎn)的雙壁主動鉆桿有108×108、133×133兩種。外管及接頭材質(zhì)選用4145 H調(diào)質(zhì)狀態(tài)，內(nèi)管材質(zhì)選用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管，外觀和內(nèi)管之間形成的空間是壓縮空氣流動的通道，內(nèi)管內(nèi)孔是鉆井液流動的通道。上接頭為母扣左旋螺紋6■8 REG，它和氣水龍頭下端的接頭連接，氣水龍頭上的內(nèi)管公接頭端將插入主動鉆桿上端母接頭頭內(nèi)，兩者之間有“O”型密封圈做密封，以防止內(nèi)管內(nèi)鉆井液泄露。此時內(nèi)管內(nèi)腔和內(nèi)管外的壓縮空氣通道各自接通。另外，主動鉆桿配備一個下接頭和堵頭，通過裝卸可實現(xiàn)正反循環(huán)鉆進。

3．2 雙壁鉆桿

雙壁鉆桿由內(nèi)、外兩層鉆桿（稱內(nèi)管和外管）所組成。內(nèi)、外管之間構(gòu)成環(huán)隙，是向孔底輸送介質(zhì)的通道。內(nèi)管中心孔是排出沖洗介質(zhì)和輸送巖心巖屑的通道。每根雙壁鉆桿，固定成一個整體，每根雙壁鉆桿之間的外管用絲扣進行連接，保證傳遞扭矩和壓力。而內(nèi)管之間多采用插接方式，起流通沖洗介質(zhì)的作用，插接處設(shè)有密封裝置。我廠研制的雙壁鉆桿的外管管體材質(zhì)選用R780，接頭材質(zhì)選用35Cr Mo調(diào)質(zhì)處理，接頭與管體通過摩擦焊接的方式連接到一起，焊縫采用正火熱處理。對于強度要求較高時時，接頭可選用材質(zhì)4137H，我廠研制的雙壁鉆桿有常規(guī)式和外平式兩種形式，常規(guī)式包括：Φ114、Φ127、Φ140，外平式包括：Φ89、Φ102、Φ114、Φ127、Φ140等規(guī)格。

3．3 鉆機的選擇

在鉆進過程中為鉆具提供回轉(zhuǎn)動力，選擇的主要依據(jù)是鉆井結(jié)構(gòu)、巖石的可鉆級別、環(huán)境條件所決定鉆井方法、鉆進技術(shù)參數(shù)、鉆機性能等。常規(guī)的水文水井鉆機及動力頭鉆機基本適用，能夠滿足其使用性能?？蛇x用的鉆機有散裝鉆機、車裝鉆機及全液壓動力頭鉆機。近年來，我國進口的全液壓動力頭車裝鉆機劇增，同時國內(nèi)有些廠家也在研制生產(chǎn)此種類型鉆機，機械化程度高是一大優(yōu)越性。鉆機的選用見表1。

表1 鉆機的選用

3．4 空壓機的選擇

空壓機是氣舉反循環(huán)鉆進的重要動力源之一，它起壓縮空氣、降低鉆井液比重從而攜帶巖屑返回地表作用。風(fēng)壓的高低、風(fēng)量的大小直接影響鉆進效果，所以在選用空壓機時應(yīng)確保其性能充分滿足排出巖屑的需要。目前，進入市場的空壓機種類很多，包括美國壽力、阿特拉斯、上海復(fù)盛、中山復(fù)盛、英格索蘭、漢鐘等品牌，施工單位可按工程實情咨詢選配。常用空壓機見表2。

表2 空壓機選用

3．5 鉆頭的選用

氣舉反循環(huán)鉆進多為第四系松散地層，所用的鉆頭主要根據(jù)地層情況加以選擇，如：在卵礫石層鉆進多采用組合式牙輪鉆頭，在細粒松散地層多采用翼片鉆頭。常用的鉆頭有刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、多級組合式牙輪鉆頭、取心鉆頭及翼片鉆頭等。

（1）刮刀鉆頭

這種鉆頭由于制造方便，成本低而被廣泛應(yīng)用，其缺點是鉆進時回轉(zhuǎn)阻力大，不適用于鉆進較硬的地層。

（2）牙輪鉆頭

牙輪鉆頭選擇應(yīng)根據(jù)被鉆地層的巖性。例如：鉆進砂粒土層時選用銑齒鉆頭，鉆進卵礫石層時選用鑲齒牙輪鉆頭。由于氣舉反循環(huán)鉆進第四系松散地層時鉆孔深度不大，所以可以考慮選用非密封型和非噴射式鉆頭，因為這些鉆頭使用比較經(jīng)濟。

（3）多級組合式牙輪鉆頭

這種鉆頭是反循環(huán)理想鉆頭之一。它在國外水井及工程鉆進中得到廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)為第一級常規(guī)牙輪鉆頭，第二級和第三級為擴孔鉆頭，鉆頭直徑是逐級擴大，使用級數(shù)越多鉆孔直徑越大。

（4）取心鉆頭

水文地質(zhì)鉆探常需要取心，以滿足地質(zhì)人員鑒別地層巖性的需要。在使用氣舉反循環(huán)鉆進時，靠專用的取心鉆頭能實現(xiàn)連續(xù)取心鉆進。實現(xiàn)連續(xù)取心后，將鉆進工序和取心同時進行，其工作效率可以大大提高。常用的取心鉆頭有合金取心鉆頭和牙輪取心鉆頭。

3 ．6 氣水龍頭和氣水混合器

氣水龍頭是氣舉反循環(huán)鉆具的主要部件之一。它主要是將旋轉(zhuǎn)著的鉆具通過它旋吊在鉆機的提升系統(tǒng)上，壓縮空氣通過它傳送給主動鉆桿，鉆井液和巖屑通過它的中心管排出。而氣水混合器是由外接頭和內(nèi)管組成，內(nèi)管的圓周表面上鉆有若干個小孔，壓縮空氣通過這些小孔進入內(nèi)管內(nèi)腔，與鉆井液混合。氣水混合器的上端與雙壁鉆桿用螺紋連接，內(nèi)管與內(nèi)管之間采用插接并有“O”型圈密封，下端用螺紋與普通鉆桿相連，本身也起變絲接頭的作用，目前我廠正在生產(chǎn)該類產(chǎn)品。

4 異常事故分析與對策

氣舉反循環(huán)鉆進工藝雖然具有很多的優(yōu)勢，但是由于操作及其他原因常發(fā)生事故，下面就一些異常事故現(xiàn)象進行分析，并提出一些防治措施。

4．1 在氣水龍頭出口呈現(xiàn)只冒氣不出水的現(xiàn)象

分析該現(xiàn)象主要有以下兩種可能：第一種可能是來源于混合器下部鉆桿內(nèi)腔被巖屑堵塞，因為堵塞時鉆井液不能從井底實現(xiàn)反循環(huán)，或只有少量的鉆井液實現(xiàn)返循環(huán)，鉆井液量明顯下降。造成該事故的原因是因為鉆桿內(nèi)腔直徑大小不一，發(fā)生被巖屑阻塞。防止的措施是鉆桿內(nèi)徑尺寸應(yīng)相同；鉆頭吸口尺寸應(yīng)略小于鉆桿內(nèi)徑尺寸。第二種原因是鉆桿內(nèi)腔密封不嚴漏氣。究竟屬于那一種原因可以用測量鉆桿內(nèi)水位的辦法來判定。如果混合器上方總是沒有水的話則必然是混合器下方通道被堵塞。如果多次送氣，每次測量鉆桿內(nèi)水位無變化，則可判明為鉆桿內(nèi)腔密封不嚴漏氣，這時應(yīng)卸開鉆桿檢查，往往是由于“O”形圈脫落或損壞。

4．2 鉆井液排量明顯下降，無井底巖屑排除，空壓機壓力升高，鉆井液從井口向泥漿池流動

出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是混合器上部雙壁鉆桿內(nèi)管內(nèi)孔通道被堵塞。當(dāng)通道未被完全堵塞時，在排出膠管處仍有少量的鉆井液排出，但排量明顯下降，這時需要卸開鉆桿，清除堵塞物。如果在混合器上方的鉆桿內(nèi)腔被嚴重堵塞時，則空壓機壓力急劇升高，鉆井液從井口向泥漿池流動。其預(yù)防措施是雙壁鉆桿內(nèi)管內(nèi)徑應(yīng)大于鉆桿和鉆頭的內(nèi)孔，也就是說混合器上部鉆桿通道大于混合器下方鉆桿的通道，否則容易在氣水混合器的上方堵塞。

4．3 井口處鉆井液面上有氣泡，鉆井液從井內(nèi)向泥漿池回流現(xiàn)象

分析該現(xiàn)象的原因是鉆桿外管密封不嚴向井內(nèi)漏氣。當(dāng)漏氣不嚴重時，井口處沖洗系統(tǒng)的液面上有氣泡；當(dāng)漏氣嚴重時會發(fā)生沖洗液從井內(nèi)向泥漿池回流現(xiàn)象。發(fā)生漏氣應(yīng)及時提鉆處理。

4．4 氣水龍頭出口無氣體冒出，空壓機壓力升高，或者發(fā)生管路破裂現(xiàn)象

此現(xiàn)象主要來源于氣水混合器之前的氣路被堵塞時，混合器處極易被泥砂堵塞，所以混合器在安裝之前應(yīng)仔細檢查，并清洗干凈。在連接雙壁鉆桿時，應(yīng)注意不要讓雜物落入環(huán)狀間隙中，以免堵塞氣路。

4．5 機械轉(zhuǎn)速明顯降低，鉆井液反循環(huán)終止

此現(xiàn)象主要原因是泥包鉆頭，鉆進粘土地層時極易發(fā)生此現(xiàn)象。事故的處理方案是當(dāng)鉆頭泥包之后，可將鉆頭提離孔底并以較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動鉆具，使泥包能被水沖開。為了避免泥包，鉆進時要采用小的鉆壓值，并使用泥漿處理劑。

4．6 井壁坍塌引起埋鉆

鉆進不穩(wěn)定地層時，容易出現(xiàn)井壁坍塌，嚴重時發(fā)生埋鉆。當(dāng)井壁局部坍塌時，在氣水龍頭的排出口會發(fā)現(xiàn)鉆井液內(nèi)巖屑數(shù)量增多，如果將鉆具從孔底提起一定高度，仍能發(fā)現(xiàn)沖洗液含有大量巖屑。這時應(yīng)及時停止供風(fēng)，停止循環(huán)。另外從泥漿池到井口的通道被堵塞，向井內(nèi)供水?dāng)嘟^而導(dǎo)致坍孔，因為這時會造成地下水向井內(nèi)流動引起井壁坍塌。所以鉆進時要隨時注意保持井內(nèi)液面的高度。

5 施工注意事項

泥漿池的體積應(yīng)為鉆孔體積的2～3倍。除氣裝置、凈化裝置及巖樣收集裝置應(yīng)置于距鉆機較遠處的泥漿池的上方。

泥漿池到鉆孔之間的流道面積應(yīng)足夠大，鉆井液應(yīng)能自由的流入孔內(nèi)。

為保持井壁穩(wěn)定，井內(nèi)水位高于孔口3m左右，至少也需1．5m。

氣舉反循環(huán)鉆進開始送氣之前，鉆頭距孔底應(yīng)維持有一定的距離，以防止轉(zhuǎn)頭埋入孔底被沉淀的巖屑阻塞其循環(huán)通道。送氣之后，待從氣水龍頭中排出鉆井液為清潔狀態(tài)后再緩慢將鉆頭送到孔底進行鉆進，鉆進時要適當(dāng)?shù)乜刂沏@壓的大小。

停鉆之前要先將鉆頭提離孔底，待鉆井液內(nèi)不含巖屑時再停止送氣，等到無鉆井液流出時再提鉆。

鉆進時要注意井內(nèi)水位變化，如發(fā)現(xiàn)井內(nèi)水位下降時應(yīng)及時找出原因，并加以處理。

另外需要配置一臺離心泵或泥漿泵，以便在必要時向井內(nèi)補充沖洗液。

要經(jīng)常觀察鉆井液從氣水龍頭中排出的情況，如沖洗液流通不暢，可能是鉆井液內(nèi)含巖屑量過多發(fā)生堵塞或其他不正常情況，遇到這些情況時，應(yīng)及時查出原因進行處理。

在開鉆時淺井段氣舉反循環(huán)鉆進時不能實現(xiàn)的，正常鉆進時淺井段鉆進效率比較低，宜采用其他的鉆進方法。

6 結(jié)束語

氣舉反循環(huán)鉆進技術(shù)的確具有一定的優(yōu)勢，它能在正循環(huán)鉆進顯得無能為力的條件下，有效的解決許多技術(shù)上的難題，值得廣泛的應(yīng)用和快速的推廣。文章已對對該鉆井技術(shù)做了詳細的介紹，希望廣大施工人員能夠正確的使用和把握其關(guān)鍵點，以給廣大的用戶的應(yīng)用帶來更加顯著的經(jīng)濟效益。

［1］陳怡，段德培．氣舉反循環(huán)鉆探技術(shù)在地?zé)嵘罹┕ぶ械膽?yīng)用［J］．探礦工程，2009（4）．

［2］李樹德，柯?？?，洪常久．氣舉反循環(huán)鉆探技術(shù)在復(fù)雜地層中應(yīng)用的探討［J］．煤炭技術(shù)，2007（11）．

［3］許劉萬，史兵言，李國棟 ．大力推廣氣動潛孔錘及氣舉反循環(huán)組合鉆進技術(shù)［J］．探礦工程，2007（9）．

［4］張祖培，殷琨 等．巖土鉆掘工程新技術(shù)［M］．北京：地質(zhì)出版社，2003．

［5］胡辰光．鉆探工程技術(shù)［M］．安徽文化音像出版社，2003．

［6］耿瑞倫，陳星慶．多工藝空氣鉆探［M］．北京：地質(zhì)出版社，1995．