多介質(zhì)反循環(huán)復(fù)合鉆探新技術(shù)的研究成果摘要

“多介質(zhì)反循環(huán)復(fù)合鉆探新技術(shù)的研究”是原地質(zhì)礦產(chǎn)部的“九五”高新技術(shù)研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“優(yōu)質(zhì)高效地質(zhì)鉆探新技術(shù)新設(shè)備研究”的一個(gè)課題。該課題研究的目的就是把空氣反循環(huán)連續(xù)取樣與水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆探技術(shù)有效地結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。由于上述兩種反循環(huán)鉆探方法各有優(yōu)點(diǎn)和不足，為了發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，滿足不同地質(zhì)條件下鉆探要求，把兩種反循環(huán)鉆探方法有效地結(jié)合起來(lái)，采用一套器具，達(dá)到既能獲得高的鉆探效率和低的成本、又能滿足地質(zhì)要求和適用不同施工條件、優(yōu)質(zhì)高效鉆探之目的，這就是“多介質(zhì)反循環(huán)復(fù)合鉆探新技術(shù)研究”的實(shí)質(zhì)和目的。以此提高我國(guó)地質(zhì)鉆探的整體水平。其項(xiàng)目編號(hào)為9505403，課題編號(hào)為9505403-2. 2100433B

20世紀(jì)40～50年代，反循環(huán)鉆探技術(shù)開(kāi)始在荷蘭、德國(guó)興起，很快推廣到世界各地，并相繼出現(xiàn)了多種形式的反循環(huán)鉆探技術(shù)。初期的反循環(huán)鉆探只能采取巖礦屑。近年來(lái)在地質(zhì)鉆探中應(yīng)用反循探環(huán)鉆技術(shù)已能成功地連續(xù)采取巖（礦）心。反循環(huán)鉆探時(shí)，由于沖洗介質(zhì)在鉆桿中心孔內(nèi)以高速度上升,故排出鉆屑的能力強(qiáng),鉆屑粒徑大，鉆屑在孔底的重復(fù)破碎少，能大幅度提高鉆探效率，特別是在大口徑鉆探中效果明顯。

氣舉反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探主要應(yīng)用于固體礦產(chǎn)資源勘探，特別是一些特殊礦種和松散、破碎地層。如第三、四系礫巖型金礦或賦存在構(gòu)造破碎帶、蝕變帶的金礦床，普通巖心鉆探方法取心難，鉆進(jìn)中易人為造成礦物貧化或富集，使地質(zhì)資料失真。高嶺土、鋁土礦則遇水膨脹，巖礦心易受泥漿污染。采用空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探可以保證地質(zhì)資料準(zhǔn)確，且效率高?？諝夥囱h(huán)連續(xù)取樣鉆探亦可在水文水井、工程施工等領(lǐng)域應(yīng)用。

循環(huán)介質(zhì)先從雙壁鉆桿的內(nèi)外管環(huán)隙或鉆孔環(huán)狀空間泵入(流入)孔底鉆頭處，然后從鉆桿的中心通道(或雙壁鉆桿內(nèi)管的中心通道)返回地表，完成洗井功能。

1、沖洗介質(zhì)上返通道斷面小，流速快，對(duì)巖屑(包括可被地質(zhì)部門利用的巖樣)的攜帶能力強(qiáng)，孔底重復(fù)破碎現(xiàn)象大大減小，洗井效果好;

2、洗井介質(zhì)對(duì)孔壁的沖刷小，有利于鉆孔穩(wěn)定，減少埋鉆、斷鉆桿等孔內(nèi)事故;

3、沖洗介質(zhì)對(duì)鉆頭的冷卻效果好，鉆速快、鉆頭使用壽命長(zhǎng);

4、可實(shí)現(xiàn)邊鉆進(jìn)，邊取樣，可隨時(shí)了解到所鉆地層情況。巖礦心采取率高，代表性強(qiáng)，方便地質(zhì)編錄和地層的真實(shí)描述;

5、以空氣作為循環(huán)介質(zhì)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)水鉆進(jìn)，在干旱、缺水地區(qū)施工優(yōu)勢(shì)更加突出。2100433B

反循環(huán)鉆探泵吸反循環(huán)鉆探

利用砂石泵（離心泵的一種）的抽吸作用，在鉆桿內(nèi)形成負(fù)壓，在大氣壓力作用下，循環(huán)液從泥漿池流入井口，經(jīng)循環(huán)間隙流向井底，與井底破碎的巖粉混合在一起，被吸入鉆桿內(nèi)腔，上升至地面，經(jīng)排出管、砂石泵進(jìn)入沉淀池，沉淀后的循環(huán)液繼續(xù)進(jìn)入井內(nèi)，形成反循環(huán)鉆進(jìn)。

泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)之前，井內(nèi)水位以上的鉆桿內(nèi)沒(méi)有循環(huán)液，因此在啟動(dòng)砂石泵之前，必須設(shè)法使井內(nèi)水位以上的鉆桿、管內(nèi)充滿循環(huán)液。一種方法是在上部管內(nèi)安裝一真空泵，使砂石泵吸水口至井內(nèi)水位以上的鉆桿、管路內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，從而使鉆桿內(nèi)的水位提高，最后使循環(huán)液充滿整個(gè)砂石泵的吸水管路。另一種方法是安裝一臺(tái)注水泵（離心泵），向砂石泵吸水管路注水，吸水管路充滿循環(huán)液后再啟動(dòng)砂石泵。泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)所用循環(huán)液一般為清水，在易坍塌地層亦可用泥漿。為防止井壁坍塌，井內(nèi)液面要高于地下靜水位2m。泵吸反循環(huán)所用的砂石泵，其流量為240~500m³/h,有效吸水壓力為6x10⁴~7x10⁴Pa。

泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)效率隨孔深的增加而下降，在井深50m以內(nèi)，效率較高，稱高效工作區(qū)段。當(dāng)井深超過(guò)70m后，雖也能工作，但效率已很低，因此50~70m稱為經(jīng)濟(jì)工作區(qū)段。

泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)中，一個(gè)重要的問(wèn)題是選擇和確定鉆桿內(nèi)循環(huán)液的上升速度。影響循環(huán)液上升速度的因素主要由以下幾點(diǎn)：循環(huán)液中巖屑的含量，一般推薦循環(huán)液中巖屑含量不超過(guò)8%~10%；鉆桿內(nèi)壁表面應(yīng)光滑、平整，不應(yīng)有收縮、臺(tái)階等情況，避免循環(huán)液流動(dòng)過(guò)程過(guò)大的摩擦損失和渦流損失；井壁與鉆桿之間的環(huán)狀間隙的循環(huán)液下降流速不能過(guò)大，以防止循環(huán)液沖垮井壁，推薦循環(huán)液下降流速為0.01~0.03m/s。鉆桿內(nèi)腔斷面與井孔斷面之比推薦1/100。

反循環(huán)鉆探氣舉反循環(huán)鉆探

氣舉反循環(huán)的工作原理是將壓縮空氣通過(guò)供氣管路送至井下的氣水混合室，并使壓縮空氣與鉆桿內(nèi)的循環(huán)液混合，從而形成密度比鉆桿外液體密度小的混合液柱。混合液在管內(nèi)外壓差的作用下，沿鉆桿內(nèi)腔上升經(jīng)排渣管排至沉淀池，經(jīng)沉淀后的循環(huán)液以自流方式連續(xù)不斷地流入井內(nèi)環(huán)狀間隙，形成反循環(huán)。

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，可用如下公式：

（L_w H）γ_h=hγ_x L_wγ_xy

其中

H--混合室下入井內(nèi)的深度；

h--混合室至排渣管中心的高度；

L_w--尾管長(zhǎng)度；

γ_h--沖洗液重度；

γ_x---雙壁鉆桿內(nèi)腔固、氣、水三相平均重度；

γ_xy--尾管內(nèi)固、液兩相平均重度。

若不考慮各種阻力、慣性力，要使整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，則必須是：

（L_w H）γ_{h >}hγ_x L_wγ_xy。