钻孔泥浆循环液的一些问题

1、钻孔泥浆循环液的一些问题泥浆是一种造价低廉的稳定液，在钻孔工作中占有很重要的地位。它具有排除钻碴，稳固孔壁和冷却钻具的作用。经过多年的钻孔实践，逐步认识到：适度比重的优质泥浆不仅有利于钻进，同时也能稳固孔壁，所以泥浆越来越被广泛地使用。一、 目前使用的几种循环方式1 正循环用泥浆泵将适度比重的泥浆液经过钻杆压入孔底，钻碴随着在钻杆与孔壁之间的环形液柱向外流动而被浮托出来。将带有钻碴的泥浆液经过自然沉淀或经机械、化学的方法处理，把钻碴分离掉，泥浆仍可重复使用。由于浮托钻碴的粒径受到限制，要想将切削下来的钻碴全部浮托出来，就必须重复研磨钻碴，而带有钻碴的泥浆是从钻孔中溢出，这就影响了钻孔速度。因此

2、，目前大直径的钻孔趋向使用反循环方法。2反循环（1）泵吸反循环 用砂石泵直接从钻杆中吸出孔底钻液，并把钻碴带到孔外。由于钻杆内的流速大，对物体产生的动浮力也大。因而只要是小于管径的钻碴都能及时清除，大大减少重复研磨的时间，有效地提高钻孔效率。常用的砂石泵有两个叶片，转数不超过650转/分。一般认为：深度3040米是泵吸和空气提升钻碴效率转变的分界点。也有人认为，在50米深度以内使用泵吸均匀是较有效的。（2）压气法反循环 把高压空气在适当的位置输入钻杆，高压空气与钻杆内钻液混合扩散，造成钻杆内外很大的压差，产生一种足够排除较大粒径钻碴的提升能力，混有钻碴的钻液经过钻杆排出。使用这种方法，一般钻杆

3、内流速35米/秒，高压空气排量1017米3/分。这与使用砂石泵相比，没有对砂石泵叶片产生磨耗的问题，也减少了机械阻力。混合室的淹没深度，一般以等于或大于24米的效果较好。混合室的中心一般应高于吸碴口0.52.5米，以防发生反流现象。只有当浸水比=b/(a+b)0.5时，才能有效地排碴。显然，在开孔时此条件是难以满足的。因此，在0.5深度内要借助于其它方法。（3）射流反循环通过使用57kg/cm2的高压射水，在钻杆内的喉管处形成负压而迫使带有钻碴的泥浆液快速流出，以达到排除钻碴的目的。这一方法因设有喉管而使排碴粒径相应受到限制，并且能量利用率低。目前在我国尚无成功的使用经验。（4）双相循环钻杆内

4、的流速越大越有利于孔底钻碴的清除。为了保证高速的环形液柱不冲坏孔壁，将高压水和高压空气同时通过钻杆的外套管压入孔底，经过钻头上的一个特殊装置，高压水则从钻头底部喷嘴射出，冲刷孔底，携带钻碴进入钻杆，达到快速排碴的目的。（5）三相循环高压空气和高压水分别从钻杆上的内外管路压入，高压空气从钻杆内的适当高度喷出，而高压水从孔底的钻头喷嘴射出，冲刷孔底，携带钻碴进入钻杆，达到快速排碴的目的。当孔深小于50米，且钻孔数量少时，建议采用泵吸反循环排碴方式；而深度大于50米，钻孔数量又多时，建议采用压气法或双相、三相反循环排碴方式。二、 泥浆比重1 正循环排碴的泥浆比重优质的造浆粘土，在水中的分散度高。其最

5、细的颗粒部分就是化学中所称的胶体颗粒，在它们表面经常带着负电荷。由于水分子为双极体，那么水分子的正极就被吸附在颗粒表面，而形成粘结水薄膜，通过粘结水薄膜的连锁作用使泥浆具有粘聚性。一定粒径的钻碴被与其紧密结合的泥浆顶托而不致下沉，随着循环液的向外流动，钻碴即被排出。当钻碴的粒径超出了一定范围，其重量破坏了泥浆的结构联系，即钻碴颗粒表面产生的切应力超过了泥浆所能提供的静切力，此时钻碴颗粒就有下沉的趋势。当钻碴颗粒下降的速度大于泥浆环形柱向上运动的速度时，钻碴将慢慢沉淀而不能排出。钻碴球状颗粒在泥浆中的重量P：式中： 钻碴颗粒比重； 泥浆比重； 钻碴球状颗粒直径； 钻碴球状颗粒体积，为。钻碴球状颗

6、粒在重量作用下，其表面形成的切线应力为：式中，s为钻碴球状颗粒表面积，等于；其它符号同上。当t等于泥浆静切力q（一般地层为0.0100.025g/cm2，松散易坍地层为0.050.07 g/cm2）时，就是钻碴颗粒在静止泥浆中下沉的临界状态。即：从而得出已知地层构造条件下的泥浆比重值： （1）实际的钻碴颗粒并非皆为球形，但具有同样体积的钻碴颗粒以球状表面积最小，所以，按球形颗粒计算出的所要求的泥浆静切力最大，显然这是偏于有利方面的。例如，我们在一次试验中，测定泥浆静切力=0。04g/cm2，颗粒直径=0.15cm，颗粒比重按=2.7 g/cm3计，则泥浆比重=2.7-1.6=1.10g/cm3

7、从计算和实验结果可看出，将泥浆比重控制在1.061.15之间能够提高钻孔速度，且在保证静力水头大于2米的情况下稳固孔壁良好。2 反循环排碴时泥浆液比重泥浆比重的增加，意味着泥浆中固体颗粒含量加大，这不仅对钻具会产生很大的磨损，更严重的是会影响钻进速度的提高。因而，在保证孔壁稳定的情况下，应尽量降低泥浆比重。虽然随着泥浆比重的下降，粘度也会降低，但由于反循环使钻杆内流速提高所产生的动切力远远超过了因粘度下降而损失的浮托力，携带钻碴的能力反而大大提高，因此可以有效地提高钻孔速度。据石油钻井介绍，泥浆中的固相含量每降低1%（约相当于比重降低0.02），钻速最少可增加10%。值得注意的是，当泥浆比重从

8、1. 20降低到1.10时，钻速可提高64%；当泥浆比重降至1.08时，钻速可提高100%。而我们在试验中，第1号试孔钻深1419米时，泥浆比重=1.2，共用时间134分，平均每米钻孔所需时间26分48秒；在同样条件下，钻深1923米时，泥浆比重=1.1，共用时间20分40秒，平均每米钻孔所需时间5分10秒。由此可见，泥浆比重下降，钻速可大为提高。因此，建议在反循环钻进中泥浆比重越小越好，但必须相应地提高静力水头来维护孔壁的稳定。当静力水头超过2米以上时，反循环泥浆液甚至可用清水代替。例如，我们在同一试验中，静力水头2.5米，钻孔过程中大部分为压入清水和少量沉淀而被重复使用的稀泥浆液，钻进时孔

9、口和孔壁正常。其中一孔自钻完后四天内由于保持了静力水头，孔壁和孔口仍然良好。后来使水头降低至地下水位，察看孔壁，平顺光滑，但由于失去了静力水头，当天下午即发生坍孔现名象。三、 循环液流量的确定选择最佳的循环液流量，可确保使被切削下来的钻碴得到及时排除而不发生重复研磨，这不仅减少了钻头不必要的麻耗，更主要的是加快了钻孔速度，对正、反循环排碴方式来讲，选择最佳循环液流量必须满足孔壁受环形液柱冲刷而不破坏这一首要条件，也就是说，选择不使孔壁坍塌的最大环形液柱流速来确定最佳循环液流量。我们参考了石川岛播磨等几家公司资料，一般地层当水流速小于4厘米/秒时孔壁不会被破坏，而美国休斯公司认为水流速小于3厘米

10、/秒时孔壁将会维持稳定状态。因此，我们推导了如下公式： =（85113）（米3/时）；式中：循环液流量（米3/时）； 钻孔直径（米）； 流速，取用值为34厘米/秒。我们在试验中钻孔直径为1.1米，依据上述公式选择了3PN泥浆泵（流量108米3/时），试验效果良好。从据此已施工的2000多米钻孔情况看来，钻机运转和钻液循环均正常，未发现孔壁有被冲刷而坍孔的现象。从上述推导过程中可以看出，该公式对正、反循环都适用。但这仅适用于一般地层条件，如果在风化或示风化的岩层中钻孔，孔壁受冲刷的临界速度变大，循环液流量亦应增加。四、 理论钻孔速度值的确定如果确定出理论上的钻孔速度以后，钻机操作人员就能够据此控

11、制合理的进尺，以发挥钻机的最大效率。如果施钻时的实际速度过多地超过这一理论上的钻孔速度值，说明切削下来的钻碴过多且不能被及时排除。在这种情况下，若是正循环，泥浆比重明显增高，随之钻孔速度就会下降，更严重的是将会产生埋钻的危险；若是反循环，排除的循环液中之钻碴含量显著增加，一旦大于25%时，就会有堵塞管路的可能。如果钻孔速度过低，说明使用的钻压比过小，钻机没有发挥出应有的效能。当地质条件确定后，便可能选择出最优钻压比及从公式（1）中计算出最佳泥浆比重值；在确定钻孔直径后，又可根据公式（2）计算出泥浆循环液流量，以保证孔壁不被冲刷破坏和切削下来的钻碴被子及时排除。实际上，上述条件确定之后理论钻孔速

12、度值已被确定下来，下面推导理论钻孔速度公式。假定切削下来的钻碴不溶解于循环液中，由是压进和排出的循环液数量相等。每小时排除钻碴重量折合饱和状态下的颗粒体积式中：颗粒饱和容重，=其中，水的比重，为1； 颗粒容重，一般土粒的矿物成分比重变化并不太大，约为2.52.8。即使不作试验，取=2.7，其数值也不致产生多大误差。设土壤为中等密实，取孔隙比=0.6，= 则，理论钻孔速度：即 据我们观察分析，在同样地质条件下，随着深度的增加，钻孔速度会下降，所以我们在公式前乘上一个效率系数。即式中：理论钻孔速度值（米/时）； 效率系数（10.80，随孔深增加而降低）； 排出泥浆比重值； 输入泥浆比重值。例如：试

13、验中3号试孔用正循环排碴，=1.04，=1.15，取0.8，所以 我们实测钻孔速度为6.5米/时，与理论值基本相符，只是效率系数取得偏低些。从公式推导过程中可以看出，正、反循环排碴法所排出的循环液中钻碴大部分成块状，无法量测准确，因此应用下式更为合理： 式中：循环液中含碴百分比，据日本经验，此值规定为1020%，若超过25%，就有阻塞管路的可能； 流量； 钻孔直径五、 泥浆的发展方向泥浆比重的变化对钻孔速度影响很大。上面已谈到，泥浆比重每降低0.02，钻速至少可增加10%，平均可增加29%。而1.08的比重则是一个突变点。小于1.08，钻速突然大幅度上升；而大于1.08时，钻速又下降很快。国外使用的低比重泥浆一般都在1.031.06，其道理可能就在于此。因此，我们在保持泥浆具有携带钻碴作用的前提下，应对泥浆中必要的有用固相，如优质粘土、化学处理剂等，严格控制其含量。对不必要的无用固相，为钻碴、劣质粘土等，必须全部清除，使泥浆尽量趋于低比重。其稳定孔壁的作用却有赖于提高静力水头来完成。 随着工业水平的不断发展，泥浆化学处理剂的不断出现，如羧甲基纤维素（CMC）和铁路木质磺酸钠（FCL）等，加入这些处理剂，使泥浆比重越来越低，性能越来越好，将来的泥浆可能会发展成为比重接近于水的“化学水”了。目前，在我国铁路、公路、航务、房屋等土木建筑基础钻孔施工中，大多采用自然沉淀的方法来排除泥