环状钻孔

钻孔过程中的环状间隙

环状钻孔是指钻孔过程中的环状间隙。

应用

引言

随着国民经济的发展，矿产资源经过多年来大规模强力开发，使得浅部矿床已基本开采殆尽，资源保有储量不足，保障能力下降。

浅部矿床地质钻探采用的手段基本是采用Φ50钻杆加钻具的方法进行钻探和取岩心，不仅效率低，而且岩心采取率不能保证。随着深部找矿的工作逐渐开展，先进的钻探手段———金刚石绳索取芯得到运用。在绳索取心金刚石深部钻探施工中，因采用的钻探设备和工艺基本相同，所以在固体矿床深部钻探钻的施工中，常常不能正常钻进，提高效率，甚至常常有钻探事故的发生。经过不同矿区的施工钻探观察和分析，钻孔环状间隙的大小是绳索取心金刚石钻进中效率不能发挥和事故发生的一个重要的影响因素，因为传统钻探工艺中环状间隙偏小，运用到绳索取心金刚石钻进中直接导致孔内液流上返流速大，使得泵压不稳，孔内液流行程长，岩粉在行程过程中逐渐沉积造成泵压损耗大，造成泵压高，泥浆泵使用寿命缩短、孔壁失稳，导致卡钻、埋钻的发生，造成钻探成本增加，效益降低，因此环状间隙大小的研究也日益重要。

影响

中国地质大学（武汉）工程学院李粮纲和中国地质科学院勘探技术研究所朱永宜教授，运用数学、流体力学等理论，结合绳索取心金刚石钻具钻进的特点，对孔内环空中冲洗液流动特性参数进行分析和计算，建立了相应的数理模型，为钻探钻进工艺的研究做了理论方面的探讨。认为：冲洗液在孔壁与钻杆外表形成的环形空间中的流动可分为层流和紊流两种流态。

设钻杆外壁和孔壁的间隙中的某一环形微元，其受力有：环形微元端面的压力p和p+Δp，侧壁面的摩擦切应力S和S+Δs，选定的有关参数有：钻孔直径（m），孔深（m），钻杆内外直径（mm/mm）。钻具钻进时，如果确定了冲洗介质和流量，则孔内压力损失可根椐计算来确定钻杆内沿程阻力损失和钻孔环空流动压力损失。

以常用的96mm与76mm口径系列，为方便计算，以深孔上部施工为条件，设孔深L=600m，泥浆比重r=1100kg/m3（1.1g/cm3），泵量Q=0.0014m3/s，Φ89×5钻杆外径D=0.089m （或Φ71×5钻杆外径为0.071m），钻孔直径Dh=0.098m （或0.096m，或0.078m，或0.076m）。

引入平均流速V及压力损失P（按牛顿流体）计算公式：

V=4Q/3.1416（Dh2－D2）

P=48LηeV/（Dh－D）2+4

式中：V———平均流速，m/s；P———压力损失，Pa；Q———泵量，m3/s；Dh———钻孔直径，m；D———钻杆外径，m； ηe———泥浆塑性粘度，N.s/m2；L———钻孔深度，m。

计算结果见表1。

从表1可看出，同等条件下，应用钻杆不同，成孔口径不同，钻孔环状空间不同时，钻杆内与钻孔环状空间的平均流速各不相同；环空压力损失在环状空间增大后，损失可降48%~60%。揭示了压送不通而蹩泵导致不能正常钻进的根本原因。

推荐

1、绳索取心金刚石钻进孔壁外环状间隙合理推荐

地层较复杂的深孔绳索取心金刚石钻进，不同口径的钻进深度和换径次数要根据地层情况、钻探设备能力和综合经济效益来确定，终孔直径应结合地质要求和施工情况来确定。选择钻孔结构时要充分考虑粗颗粒岩粉的上排问题，也就是环状间隙大小的确定，确保深孔绳索取心金刚石钻正常进。

岩层越软越碎的钻孔其钻孔结构不仅套管级差（环状间隙尽量大）要合理选择，钻头的外径也要加大-——绳索取心金刚石钻进一般中硬岩层时，钻头外径比常规要加大2mm左右，钻进沉积岩地层时，钻头外径比常规加大3mm为宜。

2、绳索取心金刚石钻进钻孔结合理推荐

适应深孔绳索取心金刚石钻进，相关专家建议的钻孔结构如表2。

DZ/T0227－2010 《地质岩心钻探规程》规定了钻孔公称口径系列见表3。

从表2可以看出，简单地层开孔口径Φ122mm，下Φ114mm孔口管，理论环状间隙为4mm，Φ114×6孔口管与Φ96mm口径的环状间隙为3mm，Φ96mm口径与Φ91×4.5套管的环状间隙是2.5mm，与Φ89×5钻杆的环状间隙是3.5mm，Φ91×4.5套管与Φ76mm口径钻头处间隙是3mm，与Φ71 ×5钻杆的外环间隙是5.5mm。

从表3看出N系列Φ71×5钻杆与Φ89×4.5套管之间环状间隙是匹配的，Φ89 ×4.5套管采用内平连接，此时Φ75mm钻头可加大到Φ78mm，钻杆与钻孔环状间隙增加到3.5mm，泵压得到良好改善，保证了泥浆泵的适应孔深增加；H系列采用Φ96钻头，Φ89×5钻杆，Φ108×4.5套管内平连接时，Φ89x5钻杆与Φ108×4.5套管间隙在5mm，Φ96钻头扩大受到限制，扩孔器加大到Φ98mm后可能通不过Φ108×4.5套管。H系列中传统地质管材虽受到限制，但H系列很少作为终孔孔径，所以，传统地质管材在绳索取芯金刚石钻进中做钻孔结构级差套管使用。

从上述分析对比，专家推荐的钻孔结构比较合理，深孔绳索取心金刚石钻进应推广采用。但市场此种管材不普及和价格昂贵，成本高，如结合传统地质管材配套使用，因地层因素需要钻孔间隙不能太小，这就造成所用系列与传统管材的不匹配之处，从而限制了使用。

为降低钻探成本，使得传统管材充分得到利用，结合传统管材的特点，把套管连接改传统内接箍为外接箍，以增大套管内通径，由此钻头外径可增大1～2mm，其钻孔外环状间隙调整为3.5mm左右，基本保证钻进过程中泵压不致太高，满足2000m以内孔深，可保证钻机原配套泥浆泵正常应用。

结论

（1）绳索取心金刚石钻探钻孔外环间隙大小决定深孔施工成败。深孔施工钻孔结构必须优化设计，使用新系列口径与新套管系列比较合理，但成本较高，目前情况下，创新应用传统套管改为内平连接，使用加大钻头，增加环状间隙，可降低上返速度，降低环空压力损失，从而增加泥浆泵适应孔深。解决了钻孔环状间隙问题，降低了成本，保证现有配套泥浆泵在1500～2000m孔深段能正常使用。

（2）该研究对深孔绳索取心金刚石施工具有借鉴意义。

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