浅论钻进新工艺-泵吸反循环

浅论钻进新工艺—泵吸反循环［摘要］：反循环钻进是提高钻进效率的良好钻进方法。反循环钻进方法较多，本文就泵吸反循环，对它的钻进工艺及应用进行了一些理论上的分析，并谈了一些在实际施工中的体会和经验.［关键词］：反循环钻进、泵吸反循环、钻进、工艺1概述随着钻探工程技术和国民经济的迅速发展，水利、交通、工业与民用建筑等基础产业的投资加大，大口径砼(tong)灌注桩防渗墙等日益成为建设单位及设计人员所青睐的一种基础形式。在钻探施工中，为了达到及时排除岩屑、清除孔底沉渣、减少孔壁泥皮等，提高钻进效率，采用反循环是一种效果良好的钻进方法。目前反循环钻进方法，一般有泵吸反循环、射流反循环、气举反循环等方法，而泵吸反循环以其操作简单、性能可靠、费用低谦及维修方便等优点被广泛应用。2泵吸反循环的工作原理它是利用离心泵的抽吸力量，使钻杆内流体上升的一种管路布置方式。当泵工作时，泵在其进入口处形成负压，井口的液体在大气压的作用下，经钻头携带岩屑经钻杆中空而上升，通过水龙头、胶管从泵中排至集碴坑中。经沉淀后的流体，以自流的方式自井口流至井底，形成循环。泵吸反循环钻进中，循环介质是利用泵的真空度来维持循环的。常用的泵为砂石泵，它要求能排出岩屑而又要有较大的真空度。为了使岩屑能顺利通过，泵体内的自由通道应与钻杆内径相一致。砂石泵的叶片间隙要大，其有效真空度过要大，不能低于8m水柱，而且要求泵体和叶片有较好的耐磨性。砂石泵的流量根据孔内钻杆内径而定，一般为120～240m3/h，最大可达500m3/h。3泵吸反循环的参数3.1钻杆内流体上返速度理论上钻杆内流体的上返速度愈高，携带岩屑能力愈强，最优速度一般应选择2.5～3.5m/s，因为当流体速度再增加，会出现鹅颈管磨损过快，同时引起孔内环状间隙的流速增高，对孔壁稳定不利。3.2岩屑含量和粒径岩屑含量和岩屑颗粒的大小，在泵吸反循环中也是一个重要因素，岩屑含量的大小（岩屑在上升液流中所占体积百分比）与所钻进的岩层性质、钻孔深度及循环介质种类有关。岩屑含量是用给进速度加以控制的，当遇软地层时，进尺寸快，岩屑含量大，则往往会发生堵塞或卡死管路，如在粘土层中，还会使粘土层的泥条互相粘结形成泥柱，使循环中断。因此，应通过合理控制钻进参数来控制岩屑的含量大小，以提高钻进效率，减少辅助时间。3.3钻杆内径钻杆的内径应与钻孔的直径匹配，当钻孔直径愈大时，应选择内径大的钻具，可减少上升流体的沿程阻力，增加钻进深度，提高钻进效率。一般选择钻孔直径与钻杆直径之比在10左右为宜。根据上返流速和选定的钻杆内径，可以选择或校核砂石泵的排量，其相互间关系为：Q=0.785d2vkm3/s其中：Q—砂石泵的排量，m3/sd—钻杆内径，mv—钻杆内流体上返速度，m/sk—考虑泵工作时余量系数，取1.4～1.8根据Q确定砂石泵，即可估算出泵吸反循环的钻进效率。V=4aQ/πD2m/min其中：a—岩屑在上升流体中的含量Q—砂石泵的排量，m3/minD—钻孔的直径，m4泵吸反循环钻进的深度从泵吸循环钻进原理中知，循环的动力为砂石泵的真空度，一般砂石泵工作压力在0.09Mpa～0.098Mpa之间，最大连续工作吸程8m左右。若假设冲洗液循环时不携带岩屑，又不考虑管道内摩阻力，钻孔深度是基本上不受限制，但在实际钻探中，反循环的深度受到内摩阻力、砂石泵与冲洗面高差等因素影响，其钻进深度受到限制。根据实践经验，一般在孔深45m以内为反循环钻进高效区，在70m以内可维持额定泵量和最大排屑能力，而超过70m后，效率显著降低，因此，泵吸反循环的合理深度为70m。5泵吸反循环钻进的工艺措施5.1适用条件泵吸反循环钻探是依靠砂石泵的吸引力维持的，它可以在多种地层条件下应用，其关键是孔内要有较高的水位。①砂石泵吸入管道最高点（水接头顶部）与孔内液面高差不应太大，一般不超过3.5m，否则，难以启动。②孔内冲洗液的比重、粘度等参数应满足护壁要求。③遇到漏失地层，调整冲洗液流型和降低泥浆的粘度和切力，或者采用堵漏泥浆，并需及时补充冲洗液，以满足循环条件。5.2钻孔直径泵吸反循环适用于直径0.8m及以上大口径钻孔施工。上述钻杆内径中提到只要吸入管道直径比钻孔直径相对较小，即可获得较高的冲洗液流速，就用较高的携带岩屑的能力，但孔径受砂石泵排屑能力的制约，不同口径有不同的钻进速度。对于较小直径的钻孔，必须避免冲洗液流速太高对孔壁产生破坏，防止产生坍孔、埋钻等事故；对于稳定的地层，只要钻孔与钻具间通道对冲洗液回流不生产明显阻力，较小孔径钻孔也可取得较高的钻进效率。5.3钻头选用反循环钻进所使用的钻头对钻进效率有很大的影响。为了充分发挥钻头能将钻碎的岩屑吸入钻杆内，钻头在回转过程中应使井底形成一个中心凹下的圆锥体，以利于抽吸。钻头的形式根据地层有所变化。常用的泵吸反循环钻头有：翼状钻头、牙轮钻头和取芯式钻头等。①翼状钻头常见的有：弯臂翼状钻头和三翼钻头。它们是靠底部翼片上做成梳齿状的牙齿破碎地层，将粘土破碎成条带状，便于被吸水口抽吸。因此，此类钻头适用于粘土或粉砂类的岩石中钻进。为避免吸水喉管被堵，钻头制成弯臂或在吸水喉管前加一矛式翼片（如图1）。②牙轮钻头牙轮钻头有很多种形式，其中四牙轮组合的钻头效果比较好，牙轮钻头的齿形数量根据地层的软硬程度来选择，因此，组合牙轮钻头较其它类型钻头应用较广（如图2）。③取芯钻头一般用于基岩的取芯钻进。5.4钻进技术参数①钻压反循环钻进的钻压应根据钻头类型、地层情况和设备能力而定。一般第四纪松散地层，若采用组合牙轮钻头时，可按钻头直径单位长度上的压力0.6～1.2kN/cm选用；若采用翼状钻头，钻压可控制在0.3～0.6kN/cm左右，在卵砾石层钻进时，钻压可适当加大。②转速一般以不蹩车、岩屑排出正常为适宜，大口径钻孔控制钻头外径线速在0.5m/s以内，过大的转速会引起钻杆对井壁的碰撞。③钻速根据不同地层选择最佳钻速。在松散的粗颗粒地层，若钻速较高，则使吸入管道内岩屑过多，泥浆比重增大，管内外压差减小，造成管道堵塞；如果钻速较小，则影响生产效率。根据几年来的生产实践，以6PS砂石泵钻孔直径1.8m为例，列出一组参考值：卵砂石层钻速1.0m～1.5m/h粘性土和砂层钻速1.0m～3.0m/h在实际施工中，地层变化情况较大，钻速选择也不尽相同。6泵吸反循环存在的问题及保证措施泵吸反循环比较其他循环方法，虽然有许多优点，但是施工中也容易出现一些问题，下面就一些问题的处理方法及预防措施工作一简要阐述。6.1保证吸入管道畅道为了减少冲洗液在管道中的阻力，吸入管道内径应大于或等于砂石泵吸入口内径，若吸入管道内径小于砂石泵吸口内径，冲洗液在吸入管道中的流动阻力就会增大，直接影响砂石泵的排量，甚至无法正常运行；若相反，在泵的排量一定的限制下，冲洗液不能获得较高的流速，其携带岩屑的能力将会减弱。6.2防止管道泄漏吸入管道泄漏是导致反循环不能正常运行的主要原因之一。比较常见的有：水接头密封损坏、钻杆连接螺栓松动、密封圈失效以及有些接头处封闭不好等原因。如果泄漏点在钻孔液面以下，不易察觉，反循环和砂石泵启动都可进行，但是在泄漏处造成反循环部分短路，一些冲洗液不经钻头吸口就被排出，造成钻头吸口处流速降低，影响排屑和钻速效率，加剧钻头的损耗。因此，施工中各接点一定要密封，连接螺栓一定要拧紧且拧紧力一致。钻进中若发现岩屑非地层变化而变少、变小，而泵排量有所增加时，应首先考虑是否是吸入管道泄漏。对各个接点部位、地面管路、胶管的磨损程度等因素也要及时检查处理。在以上诸多因素中，水接头泄漏故障较多，最好采用没入式密封水接头。6.3钻头吸收口进水面积和型式钻进大颗粒松散地层，如卵砾石层，易发生吸入管道堵塞，造成的原因是吸收口内及周边冲洗液流速太高所致，大颗粒岩块会同许多碎石同时吸入管道内，容易发生卡堵现象，使循环中止。我认为增大吸入口面积、降低流速是解决此类堵塞的最好办法，通过施工实践中的摸索得出最佳吸入口面积为吸入管面积的5倍，吸入口周边至孔底距离10～12cm左右为好，而且吸入口做成倒置漏斗状，以减少冲洗液的流速突变，以及由此产生的涡流所形成的阻力。7泵吸反循环钻进时的注意事项反循环钻进其优点是钻速高、排碴迅速、孔底清洁、钻头磨损小，如果不按操作规程和有关规范进行，会使施工不能正常进行，甚至造成事故，因此应注意以下几点。7.1泥浆制备首先要制备充足的泥浆以满足循环需要，泥浆比重应在1.05～1.15之间，为了护壁要求，小比重泥浆的胶体率和失水量要严格控制。泥浆池容积的大小，要根据泥浆制作能力、排渣量、清理沉淀频率和泥浆消耗来制作。泥浆回流槽是泥浆池至钻孔的通道，为了保证回流迅速，孔口端要低于泥浆池端，槽底坡度为1：20左右，槽宽不小于50cm。7.2确保孔口水位正循环钻进，除遇到漏失地层外，钻孔内始终充满泥浆，不易发生坍孔事故，而泵吸反循环钻进要确保孔口水位不亏浆是防止孔内事故的重点。施工人员要时刻观察泥浆回流情况，如果回流不足，要立即关闭砂石泵，待泥浆制备充足，才可继续钻进，否则孔口水位过低，容易导致坍孔。7.3注意排碴状况及返水量大小钻进过程中若发现岩屑突然减少或返水量减小时，应及时提动钻具，减小孔底压力，控制进尺或停止钻进，或者检查管道是否畅通，待正常后再钻进。地层变层时要控制给进，以免发生管路堵塞。8结论通过几年来在泵吸反循环施工中的实践，我在泵吸反循环钻进工艺和应用上取得了一些经验和体会。经过以上分析，为了提高生产效率、减少事故率，现得出结论如下：（1）根据施工中遇到的不同地层，选择钻头，即粘土或粉砂类地层，一般选择翼状钻头；而第四纪松散地层，如卵砾石层等，一般应选用组合牙轮钻头。（2）钻进技术参数的选择也很重要，钻压应根据钻头类型、地层情况和设备