大口徑工程井氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)效率影響因素初探

熊 亮，張小連，熊菊秋，尹 峰

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

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)是采用氣舉反循環(huán)方式排渣的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)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(zhuǎn)移，減少了重復(fù)破碎，鉆進(jìn)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(zhì)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(chǎn)試驗，取得了良好的效益。

大口徑反循環(huán)鉆具的成功應(yīng)用為大直徑工程井施工技術(shù)的提升奠定了堅實的硬件基礎(chǔ)，然而筆者在查閱氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)相關(guān)文獻(xiàn)時發(fā)現(xiàn)，涉及鉆進(jìn)工藝可供參考的文獻(xiàn)有限，多數(shù)文獻(xiàn)尚停留在工程總結(jié)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(jìn)施工現(xiàn)場收集到一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對這些重要參數(shù)，如風(fēng)壓、風(fēng)量、沉沒比、混合器沉沒深度、鉆壓等進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)其中某些參數(shù)與鉆進(jìn)效率具有一定相關(guān)性。本文旨在對這些影響鉆效的因素作初步探討，不當(dāng)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(zāi)害嚴(yán)重影響到礦井安全生產(chǎn)，據(jù)十礦瓦斯災(zāi)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(fēng)井院內(nèi)，該井設(shè)計井深651.2 m。

根據(jù)十礦提供的回風(fēng)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(jìn)時需要注意防斜。

井身結(jié)構(gòu)見表1。

表1 平煤十礦北翼瓦斯抽排井井身結(jié)構(gòu)

由于是該套大口徑反循環(huán)鉆具首次進(jìn)行生產(chǎn)性試驗，眾多設(shè)備、器具尚處在磨合階段，現(xiàn)場氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)一度因為出現(xiàn)雙壁鉆具氣道短路、氣水龍頭漏漿、鉆孔嚴(yán)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(jìn)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(zhuǎn)速43～63 r/min，泥漿排量16.6～38.8 L/s。

2 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝基本原理

2.1 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)原理

氣舉反循環(huán)是反循環(huán)鉆進(jìn)工藝的一種，被視為當(dāng)代先進(jìn)鉆探技術(shù)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(nèi)管與外管的環(huán)空，氣體流到雙層鉆桿底部，經(jīng)混合器噴入內(nèi)管，形成無數(shù)小氣泡，氣泡一面沿內(nèi)管迅速上升，一面膨脹，其所產(chǎn)生的膨脹功變?yōu)樗奈荒?，推動液體流動;壓縮空氣不斷進(jìn)入內(nèi)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(jìn)入鉆具水眼內(nèi)，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(nèi)，如此不斷循環(huán)形成連續(xù)鉆進(jìn)過程。氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)示意圖如圖1所示。

圖1 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)。氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)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(xué)物理的方法，對氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝基本原理進(jìn)行研究。

由于壓縮空氣由氣水混合器進(jìn)入鉆具內(nèi)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(guān)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(nèi)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(nèi)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(shè)孔內(nèi)鉆具外泥漿相對密度為γ0，雙壁鉆具內(nèi)管中泥漿相對密度為γ1，混合器以下鉆具(尾管)內(nèi)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(fēng)量的增大而減小，也就是說反循環(huán)壓力差隨風(fēng)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(jìn)(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(fēng)量的增大而減小，也即隨風(fēng)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(jìn)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(jié)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(guān)系到氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)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(fēng)量的增大而減小，也即隨風(fēng)量的增大，反循環(huán)壓力差增大，當(dāng)空壓機風(fēng)量不足時，反循環(huán)壓力差也較低，嚴(yán)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(jìn)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(nèi)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(jīng)過地面處理后的泥漿又重新流向孔內(nèi)環(huán)空進(jìn)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(yīng)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(fēng)壓和風(fēng)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(nèi)通道流動的沿程阻力;沖洗液、巖屑流經(jīng)鉆頭進(jìn)入鉆頭吸渣口的局部阻力;尾管部分，由于管內(nèi)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(zhuǎn)化為液體和混合流的動能，兩相流在尾管內(nèi)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(fēng)量)，將提高驅(qū)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(fēng)壓。因此，混合器的沉沒深度，送往孔內(nèi)的空氣流量和壓力，是影響氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)排渣能力和鉆進(jìn)效率的重要因素。

2.4 風(fēng)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(fēng)壓區(qū)別討論。

2.4.1 啟動風(fēng)壓

從啟動空壓機到壓縮空氣通過混合器進(jìn)入鉆具內(nèi)管，這一階段空壓機的主要任務(wù)是克服輸氣管道壓力損失，將雙壁鉆具內(nèi)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(fēng)壓。啟動風(fēng)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(fēng)壓

氣舉反循環(huán)正常工作階段，此時空壓機的主要任務(wù)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(nèi)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(nèi)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(fēng)壓，其計算公式為:

當(dāng)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(fēng)量大小有關(guān)，風(fēng)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(fēng)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(jìn)效率。由公式(7)可知，風(fēng)壓一定條件下，最大鉆進(jìn)深度就可以確定出來，風(fēng)壓與鉆速之間沒有直接關(guān)系。

3 混合器沉沒深度、沉沒比及風(fēng)量與鉆速的關(guān)系

影響鉆速的因素眾多，為使研究結(jié)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(jìn)參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速)一致，通過改變混合器沉沒深度、沉沒比、風(fēng)壓、風(fēng)量其中某一參數(shù)，對鉆進(jìn)速度做對比分析，詳細(xì)試驗參數(shù)見表2。

表2 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)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(guān)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(fēng)壓足夠的情況下，要獲得較好的鉆進(jìn)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(guān)系圖(227～231 m井段)

圖4 鉆速與混合器沉沒深度關(guān)系圖(251～256 m井段)

圖5 鉆速、沉沒比及混合器沉沒深度關(guān)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(guān)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(yīng)降低。

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

圖6 不同風(fēng)量條件下鉆速對比關(guān)系圖(砂巖)

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

4 結(jié)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(dǎo)致進(jìn)入內(nèi)管巖屑增多，γ2增大反循環(huán)壓力差降低，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)循環(huán)終止(堵塞)等現(xiàn)象。

(2)風(fēng)壓是制約氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)深度的先決條件，與鉆速沒有直接關(guān)系。

(3)鉆速與混合器沉沒深度及沉沒比有一定相關(guān)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(fēng)量可獲得較高的鉆進(jìn)效率。

(5)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)速度受風(fēng)量、碎巖量、混合器埋深、揚程等多種復(fù)雜因素影響，本文僅僅只是對風(fēng)壓、風(fēng)量、沉沒比等因素作初步探討，其他復(fù)雜因素有待進(jìn)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(jìn)行相關(guān)試驗，綜合分析以提高結(jié)論的說服力。

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