利用泵压反循环工艺解决孔内沉渣问题方法探讨
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【摘 要】反循环钻探工艺在大口径的水井施工、工程技术钻进等方面已普遍使用，并取得了可观的经济效益。本文根据反循环钻探工艺的原理，将反循环钻探工艺引入小口径绳索取芯施工领域，利用泵压反循环工艺解决了小口径钻探过程中沉渣过多不易排出的问题。
在小口径钻探过程中，经常会遇到破碎带和风化岩层，这样的地层钻进困难，易堵钻，坍塌掉快，产生的岩粉很多。由于绳索取心钻杆与孔壁之间环状间隙较小，再加上在钻进过程中钻具的扭摆，稍大一点的岩粉颗粒及碎块很难排出，岩粉及碎块达到一定的程度后容易产生钻具下不到孔底及卡钻或埋钻现象，如何解决排出大颗粒岩粉及碎块的问题，将是快速钻穿该种地层的关键问题。
1.反循环钻进技术
反循环就其广意来说凡是冲洗液循环方式与我们经常使用的传统的正循环相反的一种循环方式，经常使用于大口径的岩心钻探、水井施工和工程技术钻进，在小口径的岩心钻探施工方面很少用到。其特点可概括为以下几点：
⑴冲洗液上升速度高，钻进时排除岩屑能力强，井底很少集聚岩屑。使岩屑不受重复破碎，钻进时不易堵钻，因而进尺速度快，钻进经济指标就好。
⑵钻进时井内保持较高的水位，依靠冲洗液的静压力与地层压力平衡，保持井壁稳定。
2.反循环钻进方式分类及原理
传统的反循环钻进方式，按照形成钻杆内上升水流的方式可分为泵吸反循环、压缩空气反循环（又称气举反循环）和射流反循环等三种基本方式
2.1泵吸反循环钻进方式
利用离心泵或轴流泵的抽吸力量使钻杆内部的液体携带岩屑经钻杆上升并经水泵出水口排出的一种方式称泵吸反循环。
2.2压气反循环钻进方式
将压缩空气通过供气管路送至井内汽水混合室，使压气与钻杆内的水混合，从而形成比重小于1的气水混合体，在钻杆外侧水柱压力的作用下，钻杆内气水混合体挟带岩屑不断上升，将岩屑排出井外。
2.3射流反循环钻进方式
利用高速的液流（清水或泥浆）经喷嘴射入循环管路，造成负压，这种负压使管路产生抽吸作用，液流挟带岩屑在抽吸作用下经钻杆上升排出井外。
3.泵压反循环
根据反循环的工作原理，我们决定打破其仅适用于大口径钻探施工的局限性，将其引入目前正在进行的小口径钻探工作，用来解决小口径钻探过程中大颗粒岩屑及碎块排出困难的问题。
在目前的小口径钻探过程中，一般采用的绳索取心钻探工艺，钻头为金刚石钻头，为了利于岩粉的排出，一般都加大了钻头的直径。正常完整的地层，研磨比较均匀，岩粉较细，偶遇稍大的岩粉或岩屑通过调整泥浆是可以排出孔外的。
遇到破碎带和风化层时，岩心经钻头研磨搅合后，岩粉包括大颗粒的岩屑碎块等成倍增加，排出困难，每次取心后必须将钻具提至沉渣以上位置，否则内管下不到底，内管下过后自上往下慢钻至孔底开始钻进，又形成新的岩粉、岩屑，细岩粉和小颗粒岩屑被泥浆携带出孔外，由于钻杆与孔壁之间的环状间隙小大颗粒岩屑排不出来，越积愈多，尤其是坍塌破碎的掉块既不易排除又不易取出，如不及时处理极易产生卡钻、埋钻现象。
针对沉渣过多的现象，目前常用的方法不外乎这两种：一种是待沉渣集聚到一定程度后采用单管干钻的方法，这种方法因为无水钻进每次进尺极少，还得起大钻，尤其是对于硬淬碎地层效果更不好，如果操作不当还可能造成烧钻事故，风险大。另一种方法是更换细径钻具和钻杆，加大钻杆与孔壁之间的环状间隙，调稠泥浆加大泵量泵压将岩屑碎块排出孔外，这种方法具有一定的局限性：施工单位尤其是个体钻机不一定备有细径钻具和钻杆，如没有还得租赁，施工地区有时租都租不到，不太现实。
3.1泵压反循环原理和特点
泵压反循环即利用泥浆泵的压力将泥浆从钻杆外部送入孔内并经钻头进入钻具和钻杆内腔将岩粉和岩石碎块排出孔外的一种方式。其特点如下：
⑴不用更换和增加设备，钻机，钻具，泥浆泵仍用原来的，只需加工一个孔口套管与钻杆之间的密封装置即可，简单方便易加工。
⑵正反循环更换方便：正常钻进时可用正循环钻进方法，沉渣多时需要排除时，可随时更换成反循环钻进方法，正反循环泵压基本一致，相对于射流反循环泵压小得多。
⑶钻具和钻杆内腔相对于钻杆与孔壁之间的环状间隙大得多，利于大颗粒岩屑、岩石碎块排出。
⑷可通过增加泥浆泵压力和调整泥浆携粉能力提高岩屑排出快慢程度，岩屑碎块等排出彻底。
⑸经过水泵进入孔内的冲洗液是经过沉淀的无渣液体，排出的含渣浆液又不经过水泵，对水泵磨损伤害小。
⑹射流反循环和泵吸反循环仅适用于大口径的浅井，而泵压反循环可根据钻机和泥浆泵型号的大小适用于不同深度的钻孔。
⑺钻杆与套管密封依靠V型油封，为了保持良好的密封效果钻具转速不宜过高，钻进较慢，原则上仅在需要大量排渣时配合钻探适用，沉渣排完后，可立即更换成正循环正常钻进。
3.2泵压反循环的工艺流程
⑴将正常钻进时的内管取出，将钻具提至沉渣以上位置。
⑵将加工好的套管和钻杆密封装置安装好，将原正循环钻进时的高压管与水泵连接端拆除，原高压管变成拍渣管，用新的高压管将水泵和套管之间连接好，反循环管网连接完毕。
⑶调整泥浆，增大泥浆的稠度和粘度，提高其携粉能力。
⑷开启泥浆泵，待排渣管有浆液排出循环正常，观察泥浆泵压力是否正常。
⑸开动钻机，轻旋慢钻，排渣管有岩粉和岩屑碎块排出。
⑹视泥浆泵泵压大小和岩屑排出的多少，控制进尺快慢和泥浆泵压力，保证浆液和岩屑排出连续、不间断，钻至孔底后，停止下钻，泥浆泵继续工作，直到孔内没有沉渣排出为止。
⑺反循环管网及套管与钻杆密封装置拆除，将原正循环管网连接，恢复正循环状态。
4.处理效果
沉渣完全排除后，由于长时间的坍塌此段已经形成了大肚子，如不及时采取措施治理而是继续钻进，将很容易产生断钻杆现象，也为了该段不再坍塌，应立即用水泥封孔，大肚子的形成也为水泥封孔创造了很好的条件，如果没有大肚子，封孔后水泥将是薄薄的一层皮，一触即破，一扫便碎。透孔后，该段水泥心完整，无裂隙和溶洞出现，水泥心采取率接近100%，达到了理想的效果再往下钻进该段地层不受任何影响。如果下部还是破碎带可钻进一段后再换用泵压反循环排渣，再封孔，钻进一段治理一段，不留后患，直到钻穿该层为至，为钻孔的顺利完成提供可靠的保障。
参考文献：
[1]黄汉仁，等.泥浆工艺原理[M].北京：石油工艺出版社，1985.
[2]李世忠，等.钻探工艺学（下册）[M].北京：地质出版社，1989.
作者简介：
冯军山（1976-），男（汉族），河南长葛人，河南省有色金属地质矿产局第四地质大队工程师，地质工程专业，从事钻探、岩土工程施工技术管理工作。