1、云南国土资源职业学院 2012.04 水文水井成井作业 项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 一、认识反循环钻进 1、什么是反循环钻进 反循环即冲洗液循环方式与传统方式相反的意思，就是冲洗液自供水池通过井口和井内环状间隙，以自流的方式流至井底，然后携带岩屑通过钻杆内孔返回井口，并经过水接头和排渣管排至供水池，经沉淀澄清后重新流入井内。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 2、反循环钻进的特点 （1）冲洗液上升速度快，如钻进水井直径为 1m，使用内径为150mm 的钻杆进行反循环作业，钻杆内冲洗液的上升流速可达 3.
2、03.5m/s，相当于正循环时的45倍。（2）钻进时排除岩屑的能力强，井底岩屑少。（3）钻进速度快，效益好。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （4）取样及时且采取率高，有利于准确判断地层;（5）在含水层中钻进时，可避免泥浆对孔壁的堵塞，能保持地层原有的自然渗透率。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （6）反循环钻进可使用硬质合金、金刚石、牙轮和刮刀钻头等各种不同碎岩工具，可用于回转钻进、冲击钻进和冲击回转钻进等各种碎岩方法的循环冲洗钻进，其冲洗介质可以是清水、泥浆或空气。可钻进垂直孔、倾斜孔或水平孔，可钻进各
3、类地层。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （7）钻进时井内水位高，井壁稳定。（8）钻进用水量大。（9）循环回路容易堵塞。（10）劳动强度低，洗井效果好，钻头寿命长。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 3、反循环钻进的应用范围 钻进大口径供水井和排水井、水文地质勘探孔、砂矿勘探孔、防渗墙和连续墙槽孔、浇注桩孔、煤矿主副井筒、盐卤开采井和电厂接地井等。使用部门包括水利、地质、铁路、城建、冶金、煤矿等等。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 二、反循环钻进分类及工作原理 水文
4、水井钻探的反循环方式按上升水流的方式可分为：泵吸反循环、压缩空气反循环（气举反循环）和射流反循环三种基本方式。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （一）泵吸反循环 1、工作原理 利用离心泵的抽吸作用使钻杆内部的液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。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 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。
5、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120240m3/h，最大可达500m3/h。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 2、主要技术参数 （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2.503.50m/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。项
6、目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （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。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 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，如在黏土层中，还会使黏土层的泥条互相黏结形成泥柱，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。项目五 反循环钻进 Revers
7、e circulation drilling （3）钻杆内径：钻杆内径应与钻孔直径匹配，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。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 3、钻进深度 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。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 4、工艺措施 （1）适用条件 泵吸反
8、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。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 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 3.50m，否则，难以启动。孔内冲洗液的比重、黏度等参数应满足孔壁要求。遇到漏失地层，调整冲洗液流型和降低泥浆的黏度和切力，或者采用堵漏泥浆，并需及时补充冲洗液，以满足循环条件。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （2）钻孔直径 泵吸反循环适用于直径 0.80m 及以上大口径钻孔施工。项目五 反循环钻进 Revers
9、e circulation drilling （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。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 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。翼状钻头：常见的有弯臂翼状钻头和三翼钻头。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。取芯钻头：一般用于基岩的取芯钻进。项目五 反循环钻进 Reverse ci
10、rculation drilling （4）钻进技术参数 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0.601.20kN/cm 选用；若采用翼状钻头，钻压可控制在0.300.60kN/cm，在卵砾石层钻进时，钻压可适当加大。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 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 0.50m/s 以内，过大的转速会引起钻杆对井壁的碰撞。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 钻速
11、：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。根据生产实践，以 6PS砂石泵钻孔直径1.80m 为例，列出一组参考值：a、卵砂石层钻速1m/h；b、黏性土和砂层钻速 13m/h，在实际施工中，地层变化情况较大，钻速选择也不尽相同。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （5）存在的问题及保证措施 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
12、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。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 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。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 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
13、道内，容易发生卡堵现象，使循环中止。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 所以，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1012cm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。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （6）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：项
14、目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 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1.051.15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。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 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
15、孔口水位过低，容易导致坍孔。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 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。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （二）射流反循环 利用射流泵射出的高速液流造成负压,使钻杆内腔产生抽吸作用的反向循环钻进技术,称射流反循环钻进。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 特点：1、带有岩屑的液体不经
16、过泵体，泵的寿命提高；2、泵压和泵量取决于管路和喷嘴；3、管路中液体流速与岩屑含量有关；4、井深50米以内效率较好，随着井深增加，排渣能力逐渐下降；5、射流反循环与泵吸反循环相似，适用于浅井，最大井深可达250米。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 一般将射流泵安装在地表上，钻进时用高扬程离心泵向射流泵输入高能工作液体，在钻杆内形成负压，使钻杆内部的冲洗液挟带岩屑沿钻杆上升。射流反循环采用的水泵，可以是离心泵也可以是其它形式的泵。水泵的压力应能克服整个循环系统的摩擦损失和自钻机的水接头到井内地下水位之间的液柱的重量，一般为 78/2。项目五 反循环钻进
17、 Reverse circulation drilling （三）压气反循环 将压缩空气通过供气管路送至井内气水混合室，使压气与钻杆内的水混合，从而形成比重小于1的掺气水流涌出地面，称为压气反循环。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 由于钻杆内水流上升流速与钻杆内外液柱的比重相关，因此，井深越大，只要相应地增加气压和气量，钻进效率仍然较高，与泵吸反循环和射流反循环相比，井深与钻进效率曲线随深度增加不断上升，在井深50米以下保持稳定状态，因此，深井用这种反循环方式。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 另外，气举反
18、循环钻进能适应井内水位的大幅度下降，但是气水混合器必须有一定的沉没深度，所以可见也无法应用于开孔钻进，一般 9米以上用其他方式钻进（螺旋等），30米以内效率低，此为不足之处。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 进尺效率 气举反循环 泵吸反循环 射流反循环 50 100 150 200 250 井深（m）项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 图中可以清楚地看出三种不同反循环方式效率变化特点。在实际工作在应根据不同的情况加以合理选用，以充分发挥其特点，取得更加经济合理的效果。项目五 反循环钻进 Reverse cir
19、culation drilling 从动力使用情况来看，泵吸反循环方式的动力使用效率最高（相当于水泵的工作效率），达60%。射流反循环方式的动力使用由于受喷嘴效率（约为30%）的影响，仅为18%，是三种反循环方式中最低的一种。空气压缩机和气水混合室工作效率约为45%，所以，气举反循环动力使用效率为20%。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （一）气举反循环供气方式 1、并列管式供气：通过在钻杆外侧的送气管至井下。2、圆环状供气：采用双层钻杆，通过内外管柱间环状间隙送气，混气器以等距方式沿钻杆布置，为了使气水充分混合，一般需要布置多个混合器。风压（/2）
20、6 8 10 12 20 混合器间距（m）24 36 45 59 96 混合器最大允许沉没深度（m）51 72 90 108 192 项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 气水混合器与井深、风压关系表 钻杆内径（mm）120 150 200 300 风量（m3）4.5 6.0 610 1520 项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 钻杆内径与风量关系 项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 反循环钻进一般采用双壁钻具，循环介质主要分为压缩空气和液体两种。钻进过程中，循环介质经过
21、双壁气水龙头、双壁主动钻杆、双壁钻杆内外管环隙达到孔底，驱动孔底碎岩器具破碎岩石，并携带岩心及岩屑经钻杆中心通道达到地表的岩心或岩样收集装置。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 目前双壁钻具有：SHB114/76、SHB127/87、SHB140/100 三种型号。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 目前反循环钻进在各行业普遍应用，最大井深近1000米，最大口径3米。同正循环钻进相比，平均机械钻速提高 1.23倍，台月效率提高1.5倍，在复杂地层钻进综合效率是36倍，相同条件下洗井时间缩短1/2，出水量增大1/
22、3。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （二）气举反循环钻进技术应用条件 1、地下水位与孔深需适当：地下水位在3m以下，不宜太浅，孔深50m以深。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 2、地层中不宜有湿膨胀性硬泥土及大漂石。由于粘土层岩屑在管内发生碰撞由小块变成大块，大块与水发生膨胀会堵塞内管，有时岩屑不能及时排除，易产生糊钻。另外，当遇到较多超径卵砾石时，不能从管内通过，会聚集孔底。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling 3、在第四纪漏水地层或地下水贫乏的地区施工，应有足够
23、的水源供给，才能保证气举反循环的正常钻进。通常要求泥浆池冲洗液必须和孔内水位连通并不断补给，不能使循环断流。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （三）气举反循环钻机 凡具有转盘式钻机均可以进行气举反循环钻进。选择钻机的主要依据：设计的钻井结构、岩石可钻性、钻进参数、钻机本身性能，施工区域自然地理及经济条件等。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （四）气举反循环钻进空压机 1、空压机的风量与压力的选择 （1）当地下水位较深、沉没比小，钻孔口径和双壁钻杆内径较大时，应选择大风量的空压机。项目五 反循环钻进 Reve
24、rse circulation drilling （2）为获得足够的上返速度和钻进效率，一般空压机压力大些为好。（3）通常在扣除管路沿程损失情况下，安装每0.1Mpa 压力气举89m 来计算混合器下入深度。若L15M、地下水位在10M以内时，选用0.15Mpa 的压风机。同理，L80M，地下水位在10M以内时，选用0.7Mpa 的压风机。一般情况下300M 以内孔深选1.5Mpa 的压风机；200M 孔深时选用1Mpa 的压风机；150M 以内选用0.7Mpa 的压风机。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （三）气举反循环钻机 凡具有转盘式钻机均可以进
25、行气举反循环钻进。选择钻机的主要依据：设计的钻井结构、岩石可钻性、钻进参数、钻机本身性能，施工区域自然地理及经济条件等。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （三）气举反循环钻机 凡具有转盘式钻机均可以进行气举反循环钻进。选择钻机的主要依据：设计的钻井结构、岩石可钻性、钻进参数、钻机本身性能，施工区域自然地理及经济条件等。项目五 反循环钻进 Reverse circulation drilling （三）气举反循环钻机 凡具有转盘式钻机均可以进行气举反循环钻进。选择钻机的主要依据：设计的钻井结构、岩石可钻性、钻进参数、钻机本身性能，施工区域自然地理及经济条件等。
