大口径工程井气举反循环钻进效率影响因素初探

2014-07-13张小连熊菊秋

钻探工程 2014年5期

熊亮，张小连，熊菊秋，尹峰

(1.河南省煤田地质局，河南郑州 450018;2.河南省煤田地质局三队，河南新乡 453000;3.湖北省罗田县建设工程质量监督站，湖北罗田 438600)

气举反循环钻进是采用气举反循环方式排渣的回转钻进方法。因冲洗液上返流速较高，被破碎下来的岩屑很快即被转移，减少了重复破碎，钻进效率高，钻探成本低，特别适用于大口径工程井钻井施工。2012年7月，在平煤十矿北翼采区瓦斯抽排井项目完成了由河南省煤田地质局自主研制的219.1/168.3 mm大口径气举反循环钻具的首次生产试验，取得了良好的效益。

大口径反循环钻具的成功应用为大直径工程井施工技术的提升奠定了坚实的硬件基础，然而笔者在查阅气举反循环钻进相关文献时发现，涉及钻进工艺可供参考的文献有限，多数文献尚停留在工程总结阶段，缺乏理论化、系统化研究。为此，笔者从大直径工程井气举反循环钻进施工现场收集到一些基础数据，通过对这些重要参数，如风压、风量、沉没比、混合器沉没深度、钻压等进行对比分析，发现其中某些参数与钻进效率具有一定相关性。本文旨在对这些影响钻效的因素作初步探讨，不当之处，请同行批评指正!

1 工程概况

平煤十矿北翼采区是十矿的主要采区，瓦斯灾害严重影响到矿井安全生产，据十矿瓦斯灾害治理计划安排，在北翼采区施工一口瓦斯抽排井，该工程位于平顶山市十矿北翼采区三水平回风井院内，该井设计井深651.2 m。

根据十矿提供的回风井钻孔柱状图显示，地层以泥岩为主，砂岩夹层，地层倾角26°～32°，钻进时需要注意防斜。

井身结构见表1。

表1 平煤十矿北翼瓦斯抽排井井身结构

由于是该套大口径反循环钻具首次进行生产性试验，众多设备、器具尚处在磨合阶段，现场气举反循环钻进一度因为出现双壁钻具气道短路、气水龙头漏浆、钻孔严重漏失等特殊情况而被迫终止。气举反循环试验井段206～258 m，现场收集到的主要钻进参数(其中泥浆排量由地面循环槽三角堰测定)为:选用外径444.5 mm的PDC型钻头;钻压16～56 kN，转速43～63 r/min，泥浆排量16.6～38.8 L/s。

2 气举反循环钻进工艺基本原理

2.1 气举反循环钻进原理

气举反循环是反循环钻进工艺的一种，被视为当代先进钻探技术之一。其工作原理是:将压缩空气通过气水龙头或其它注气接头(气盒子)注入双层钻具内管与外管的环空，气体流到双层钻杆底部，经混合器喷入内管，形成无数小气泡，气泡一面沿内管迅速上升，一面膨胀，其所产生的膨胀功变为水的位能，推动液体流动;压缩空气不断进入内管，在混合器上部形成低密度的气液混合液，钻杆外和混气器下部是密度大的泥浆。环空泥浆进入钻具水眼内，形成反循环流动，并把井底岩屑连续不断的带到地表，排入沉砂池。沉淀后的泥浆再注入井眼内，如此不断循环形成连续钻进过程。气举反循环钻进示意图如图1所示。

图1 气举反循环钻进示意图

2.2 气举反循环工作原理

气举反循环与正循环钻进工艺的主要差别在于循环方向不同，排渣能力却相差甚远。气举反循环钻进工艺的研究难点在于循环通道中存在气、液、固三相流。下面用数学物理的方法，对气举反循环钻进工艺基本原理进行研究。

由于压缩空气由气水混合器进入钻具内通道后继续向上运行，气水混合器下部为单壁钻具，钻头处仅有液、固两相存在，所以在研究气举反循环排渣能力时延用正循环相关公式。

要使一定粒径的岩块能够随泥浆排到地面，就要求泥浆具有一定的上返速度，保持岩块不下沉的最小上返速度称为临界上返速度，泥浆在一定直径的通道中要保持临界上返速度，就要求泥浆的排量必须大于最小冲洗量，泥浆的最小冲洗量可由下式来确定:

式中:k——系数，考虑上返通道中泥浆上升速度要大于岩屑的自重下沉速度，一般取k≥1.2;g——重力加速度，m/s2;D——所确定的岩屑直径，m;γs——岩屑相对密度，计算中常取 γs=2.6;γ——泥浆相对密度;Q——最小冲洗量，m3/h;d——上返通道内径，m;v——泥浆临界上返速度，m/s。

气举反循环形成的前提是:混合器以上钻杆内外形成足够大的压力差。气举反循环工作原理如图2所示。

图2 气举反循环工作原理示意图

假设孔内钻具外泥浆相对密度为γ0，双壁钻具内管中泥浆相对密度为γ1，混合器以下钻具(尾管)内泥浆相对密度为γ2，泥浆液面以下的钻具长度为H，混合器以下钻具(尾管)长度为L，混合器浸没泥浆液面以下深度为h0，泥浆液面至气水龙头最高点的高度(扬程)为h1，则反循环压力差ΔP为:

整理得:

2.3 工况分析

分2种工况分别讨论。

(1)下钻至指定深度，从启动空压机开始到泥浆从排渣口排出正式建立循环阶段，此时γ1＜γ0，γ2=γ0相等，由公式(4)可知:

①反循环压力差随混合器沉没深度h0增大而增大;

②反循环压力差随γ1减小而增大，而γ1随风量的增大而减小，也就是说反循环压力差随风量的增大而增大;

③反循环压力差随扬程h1增大而减小。

(2)钻进(排渣)阶段，此时 γ1＜ γ0，γ2＞ γ0，由公式(4)可知:

①反循环压力差随混合器沉没深度h0增大而增大;

②反循环压力差随γ1减小而增大，而γ1随风量的增大而减小，也即随风量的增大，反循环压力差增大;

③反循环压力差随尾管长度L增大而减小;

④反循环压力差随γ2增大而减小，而γ2随进入泥浆中岩屑含量增加(表现为钻速升高或排渣增多)而提高，也即反循环压力差随钻速的升高或排渣增多而减小;

⑤反循环压力差随扬程h1增大而减小。

综上所述，可以得出如下结论。

(1)反循环压力差随混合器沉没深度h0增大而增大。混合器沉没深度直接关系到气举反循环钻进能力(最大井深)，对于浅孔，h0较小，一旦h0(γ0－γ1)与 L(γ2－ γ0)+h1γ1相等，反循环压力差为0，循环终止。

(2)反循环压力差随γ1减小而增大。γ1随风量的增大而减小，也即随风量的增大，反循环压力差增大，当空压机风量不足时，反循环压力差也较低，严重时甚至出现反循环终止。

(3)反循环压力差随尾管长度L增大而减小。由此可见尾管不能无限长，一旦h0(γ0－γ1)－h1γ1=L(γ2－γ0)，反循环压力差为0，反循环终止。

(4)反循环压力差随γ2增大而减小。γ2随进入泥浆中岩屑含量增加(表现为钻速升高或排渣增多)而提高，也即反循环压力差随钻速的升高或排渣增多而减小，所以钻速不能过高，且下钻时不能一步下到孔底，需在建立循环后缓慢下放，保证γ2不至过大以使反循环连续。

(5)反循环压力差随扬程h1增大而减小。

钻杆内混合器以上的三相流在这个压力差，再加上高速喷出并迅速膨胀的压气动量的作用下上升，混合器以下泥浆携带岩屑尾随上升，经过地面处理后的泥浆又重新流向孔内环空进行补充，这样就形成连续的反循环系统。

实际上，反循环压力差ΔP受诸多因素的影响，首先，它要克服循环系统的沿程阻力;气水龙头高度(扬程)h1和三相流的相对密度γ1低，压力差就相应要高;增大混合器的沉没深度，可提高压力差，但又需要提高风压和风量。这些因素中，沿程阻力是不可避免的，这些阻力包括:冲洗液、三相流沿钻杆内通道流动的沿程阻力;冲洗液、岩屑流经钻头进入钻头吸渣口的局部阻力;尾管部分，由于管内外液柱重度不同而引起的压力差;而且随孔深的增加而增大，从能量角度分析，由压气输入形成的液柱压力能(实际上还包括压气动能)除补偿克服沿程阻力、局部阻力而损失的能量外，还转化为液体和混合流的动能，两相流在尾管内上升的位能和三相流超出地面高度段的位能。

从压力差公式可以看出:在冲洗液密度γ0和升液高度h1一定的浅孔下，增大混合器的沉没深度，降低三相流的重度(通过增大压风量)，将提高驱动气举反循环的压力差。但增大混合器的沉没深度，将同时需要提高启动风压。因此，混合器的沉没深度，送往孔内的空气流量和压力，是影响气举反循环钻进排渣能力和钻进效率的重要因素。

2.4 风压讨论

空压机在不同的工作阶段所承受的荷载不同，对不同风压区别讨论。

2.4.1 启动风压

从启动空压机到压缩空气通过混合器进入钻具内管，这一阶段空压机的主要任务是克服输气管道压力损失，将双壁钻具内外管环状间隙中的泥浆从混合器中顶替出来。此时空压机压力姑且定义为启动风压。启动风压计算公式为:

式中:ΔP——输气管道压力损失，一般为0.05～0.1 MPa。

2.4.2 工作风压

气举反循环正常工作阶段，此时空压机的主要任务是克服循环系统沿程阻力，将压缩空气通过混合器不断输入到内管中，以使混合空气并携带岩屑的泥浆的密度大幅降低，在双壁钻杆段形成内外压差，在保持一定压力差情况下最终将三相流源源不断地输送至地表。此时空压机压力定义为正常工作风压，其计算公式为:

当空压机的压力P确定时，则可按下式求出混合器沉没深度的最大允许值:

从公式(3)、(4)可以看出，三相流的相对密度γ1是气举反循环压力差及三相流上返速度的主要影响因素，我们知道γ1与风量大小有关，风量越大，三相流中混入压缩空气越多，相对密度就越小，因此初步判断风量的大小将直接影响气举反循环的清渣能力并间接影响反循环的钻进效率。由公式(7)可知，风压一定条件下，最大钻进深度就可以确定出来，风压与钻速之间没有直接关系。