大口径气举反循环钻井技术的研究

杨宏伟

（石家庄探矿机械厂，河北 石家庄050081）

1 引言

随着生产、科学技术的快速发展，人们对钻孔直径的要求越来越大，取心和排出大量的岩粉成为一个比较突出的难题，一些常规的正循环钻进技术已不能满足其需求或者说钻进的效率已经非常低，而气举反循环钻井技术的应用却显现了极其突出的优势，取得了显著的经济效益，特别是在大口径钻井中更为明显。本文对气举反循环钻井技术所涉及各个方面的内容进一步做了详细的介绍，希望能给广大的读者带来益处，以推进我国该钻井技术的快速发展。

2 工作原理及特点

所谓气举反循环钻进，就是将压缩空气经气水龙头、双壁主动钻杆和双壁钻杆的空气通道进入气水混合器内管，压缩空气在内管内形成无数的小气泡，与钻井液相混合后发生膨胀做功形成一种低比重的气水混合物，气水混合物将钻井液提升并携带井底岩屑，经钻杆中心内孔和气水龙头排渣管高速返回地表，形成反循环流动，见图1。

气举反循环钻进技术能够得到广泛应用的原因是它具有一系列的优点。总结起来有如下几方面：

（1）钻井液携带岩心上返速度快而且连续取心钻进，大幅度地提高了纯钻时间利用率。大口径钻孔时与正循环钻进相比，机械钻速约可增10倍。

图1 转盘钻机气举反循环工作原理图

（2）气举反循环钻井工艺可用于钻进深度大、富水地层的深水井，钻深井时不受井内水位深度的制约。

（3）钻进过程比较稳定，不易受井内冲洗液面高度变化的影响。

（4）钻具内各处的压力均大于大气压力，不致因钻具密封不严而影响正常工作，也不存在损坏水力机械的气蚀现象。

（5）气举反循环钻进时，如果孔壁稳定不坍塌，可以直接利用地下水作为钻井液。因此，可以不必配置或简化了泥浆系统，也简化了操作。

（6）气举反循环钻进时，岩屑是从钻杆内上返到地面上来的，它不和井壁发生接触，因此，岩屑不会渗入含水层，能保持地下含水层的孔隙率。

（7）钻头是在净化后的钻井液中工作，工作条件优于正循环钻进，所以钻头使用寿命长。

（8）气举反循环钻进可以解决一些复杂地层钻进的难题。

3 器具研发和设备的选择

3．1 双壁主动钻杆

在转盘钻机上进行气举反循环钻进时，需要用主动钻杆将转盘的动力传给钻杆和钻头。目前我厂生产的双壁主动钻杆有108×108、133×133两种。外管及接头材质选用4145 H调质状态，内管材质选用优质无缝钢管，外观和内管之间形成的空间是压缩空气流动的通道，内管内孔是钻井液流动的通道。上接头为母扣左旋螺纹6■8 REG，它和气水龙头下端的接头连接，气水龙头上的内管公接头端将插入主动钻杆上端母接头头内，两者之间有“O”型密封圈做密封，以防止内管内钻井液泄露。此时内管内腔和内管外的压缩空气通道各自接通。另外，主动钻杆配备一个下接头和堵头，通过装卸可实现正反循环钻进。

3．2 双壁钻杆

双壁钻杆由内、外两层钻杆（称内管和外管）所组成。内、外管之间构成环隙，是向孔底输送介质的通道。内管中心孔是排出冲洗介质和输送岩心岩屑的通道。每根双壁钻杆，固定成一个整体，每根双壁钻杆之间的外管用丝扣进行连接，保证传递扭矩和压力。而内管之间多采用插接方式，起流通冲洗介质的作用，插接处设有密封装置。我厂研制的双壁钻杆的外管管体材质选用R780，接头材质选用35Cr Mo调质处理，接头与管体通过摩擦焊接的方式连接到一起，焊缝采用正火热处理。对于强度要求较高时时，接头可选用材质4137H，我厂研制的双壁钻杆有常规式和外平式两种形式，常规式包括：Φ114、Φ127、Φ140，外平式包括：Φ89、Φ102、Φ114、Φ127、Φ140等规格。

3．3 钻机的选择

在钻进过程中为钻具提供回转动力，选择的主要依据是钻井结构、岩石的可钻级别、环境条件所决定钻井方法、钻进技术参数、钻机性能等。常规的水文水井钻机及动力头钻机基本适用，能够满足其使用性能。可选用的钻机有散装钻机、车装钻机及全液压动力头钻机。近年来，我国进口的全液压动力头车装钻机剧增，同时国内有些厂家也在研制生产此种类型钻机，机械化程度高是一大优越性。钻机的选用见表1。

表1 钻机的选用

3．4 空压机的选择

空压机是气举反循环钻进的重要动力源之一，它起压缩空气、降低钻井液比重从而携带岩屑返回地表作用。风压的高低、风量的大小直接影响钻进效果，所以在选用空压机时应确保其性能充分满足排出岩屑的需要。目前，进入市场的空压机种类很多，包括美国寿力、阿特拉斯、上海复盛、中山复盛、英格索兰、汉钟等品牌，施工单位可按工程实情咨询选配。常用空压机见表2。

表2 空压机选用

3．5 钻头的选用

气举反循环钻进多为第四系松散地层，所用的钻头主要根据地层情况加以选择，如：在卵砾石层钻进多采用组合式牙轮钻头，在细粒松散地层多采用翼片钻头。常用的钻头有刮刀钻头、牙轮钻头、多级组合式牙轮钻头、取心钻头及翼片钻头等。

（1）刮刀钻头

这种钻头由于制造方便，成本低而被广泛应用，其缺点是钻进时回转阻力大，不适用于钻进较硬的地层。

（2）牙轮钻头

牙轮钻头选择应根据被钻地层的岩性。例如：钻进砂粒土层时选用铣齿钻头，钻进卵砾石层时选用镶齿牙轮钻头。由于气举反循环钻进第四系松散地层时钻孔深度不大，所以可以考虑选用非密封型和非喷射式钻头，因为这些钻头使用比较经济。

（3）多级组合式牙轮钻头

这种钻头是反循环理想钻头之一。它在国外水井及工程钻进中得到广泛的应用。其结构为第一级常规牙轮钻头，第二级和第三级为扩孔钻头，钻头直径是逐级扩大，使用级数越多钻孔直径越大。

（4）取心钻头

水文地质钻探常需要取心，以满足地质人员鉴别地层岩性的需要。在使用气举反循环钻进时，靠专用的取心钻头能实现连续取心钻进。实现连续取心后，将钻进工序和取心同时进行，其工作效率可以大大提高。常用的取心钻头有合金取心钻头和牙轮取心钻头。

3 ．6 气水龙头和气水混合器

气水龙头是气举反循环钻具的主要部件之一。它主要是将旋转着的钻具通过它旋吊在钻机的提升系统上，压缩空气通过它传送给主动钻杆，钻井液和岩屑通过它的中心管排出。而气水混合器是由外接头和内管组成，内管的圆周表面上钻有若干个小孔，压缩空气通过这些小孔进入内管内腔，与钻井液混合。气水混合器的上端与双壁钻杆用螺纹连接，内管与内管之间采用插接并有“O”型圈密封，下端用螺纹与普通钻杆相连，本身也起变丝接头的作用，目前我厂正在生产该类产品。

4 异常事故分析与对策

气举反循环钻进工艺虽然具有很多的优势，但是由于操作及其他原因常发生事故，下面就一些异常事故现象进行分析，并提出一些防治措施。

4．1 在气水龙头出口呈现只冒气不出水的现象

分析该现象主要有以下两种可能：第一种可能是来源于混合器下部钻杆内腔被岩屑堵塞，因为堵塞时钻井液不能从井底实现反循环，或只有少量的钻井液实现返循环，钻井液量明显下降。造成该事故的原因是因为钻杆内腔直径大小不一，发生被岩屑阻塞。防止的措施是钻杆内径尺寸应相同；钻头吸口尺寸应略小于钻杆内径尺寸。第二种原因是钻杆内腔密封不严漏气。究竟属于那一种原因可以用测量钻杆内水位的办法来判定。如果混合器上方总是没有水的话则必然是混合器下方通道被堵塞。如果多次送气，每次测量钻杆内水位无变化，则可判明为钻杆内腔密封不严漏气，这时应卸开钻杆检查，往往是由于“O”形圈脱落或损坏。

4．2 钻井液排量明显下降，无井底岩屑排除，空压机压力升高，钻井液从井口向泥浆池流动

出现该现象的原因是混合器上部双壁钻杆内管内孔通道被堵塞。当通道未被完全堵塞时，在排出胶管处仍有少量的钻井液排出，但排量明显下降，这时需要卸开钻杆，清除堵塞物。如果在混合器上方的钻杆内腔被严重堵塞时，则空压机压力急剧升高，钻井液从井口向泥浆池流动。其预防措施是双壁钻杆内管内径应大于钻杆和钻头的内孔，也就是说混合器上部钻杆通道大于混合器下方钻杆的通道，否则容易在气水混合器的上方堵塞。

4．3 井口处钻井液面上有气泡，钻井液从井内向泥浆池回流现象

分析该现象的原因是钻杆外管密封不严向井内漏气。当漏气不严重时，井口处冲洗系统的液面上有气泡；当漏气严重时会发生冲洗液从井内向泥浆池回流现象。发生漏气应及时提钻处理。

4．4 气水龙头出口无气体冒出，空压机压力升高，或者发生管路破裂现象

此现象主要来源于气水混合器之前的气路被堵塞时，混合器处极易被泥砂堵塞，所以混合器在安装之前应仔细检查，并清洗干净。在连接双壁钻杆时，应注意不要让杂物落入环状间隙中，以免堵塞气路。

4．5 机械转速明显降低，钻井液反循环终止

此现象主要原因是泥包钻头，钻进粘土地层时极易发生此现象。事故的处理方案是当钻头泥包之后，可将钻头提离孔底并以较高的转速转动钻具，使泥包能被水冲开。为了避免泥包，钻进时要采用小的钻压值，并使用泥浆处理剂。

4．6 井壁坍塌引起埋钻

钻进不稳定地层时，容易出现井壁坍塌，严重时发生埋钻。当井壁局部坍塌时，在气水龙头的排出口会发现钻井液内岩屑数量增多，如果将钻具从孔底提起一定高度，仍能发现冲洗液含有大量岩屑。这时应及时停止供风，停止循环。另外从泥浆池到井口的通道被堵塞，向井内供水断绝而导致坍孔，因为这时会造成地下水向井内流动引起井壁坍塌。所以钻进时要随时注意保持井内液面的高度。

5 施工注意事项

泥浆池的体积应为钻孔体积的2～3倍。除气装置、净化装置及岩样收集装置应置于距钻机较远处的泥浆池的上方。

泥浆池到钻孔之间的流道面积应足够大，钻井液应能自由的流入孔内。

为保持井壁稳定，井内水位高于孔口3m左右，至少也需1．5m。

气举反循环钻进开始送气之前，钻头距孔底应维持有一定的距离，以防止转头埋入孔底被沉淀的岩屑阻塞其循环通道。送气之后，待从气水龙头中排出钻井液为清洁状态后再缓慢将钻头送到孔底进行钻进，钻进时要适当地控制钻压的大小。

停钻之前要先将钻头提离孔底，待钻井液内不含岩屑时再停止送气，等到无钻井液流出时再提钻。

钻进时要注意井内水位变化，如发现井内水位下降时应及时找出原因，并加以处理。

另外需要配置一台离心泵或泥浆泵，以便在必要时向井内补充冲洗液。

要经常观察钻井液从气水龙头中排出的情况，如冲洗液流通不畅，可能是钻井液内含岩屑量过多发生堵塞或其他不正常情况，遇到这些情况时，应及时查出原因进行处理。

在开钻时浅井段气举反循环钻进时不能实现的，正常钻进时浅井段钻进效率比较低，宜采用其他的钻进方法。

6 结束语

气举反循环钻进技术的确具有一定的优势，它能在正循环钻进显得无能为力的条件下，有效的解决许多技术上的难题，值得广泛的应用和快速的推广。文章已对对该钻井技术做了详细的介绍，希望广大施工人员能够正确的使用和把握其关键点，以给广大的用户的应用带来更加显著的经济效益。

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