[科普中国]-空气钻探

空气钻探是指钻孔中以压缩空气或含有压缩空气的气液混合物作冲洗介质，或用压缩空气既作破岩机具的动力，又兼作冲洗介质的一种新的钻进技术。空气钻探可以是正循环钻探，也可以是反循环钻探。1

空气钻探技术体系空气钻进技术包括循环介质、循环方式、碎岩方法和应用领域的多工艺空气钻进技术体系。其主要特点如下：低密度介质有利于提高碎岩速度；能有效冷却钻头、清除岩屑和快速判层；能在不稳定地层中保护孔壁和少污染环境；有利于保护含水层和低压油气层并提高产出率；特别有利于在干旱缺水地区和严寒、冻结层施工；亦利于忌用液体循环的抗滑锚固孔和露天矿爆破孔施工；空气潜孔锤钻进能大幅度提高硬岩钻孔速度；气举反循环钻进能实现2～3m以上大直径井孔和超过2000m深井施工。

空气钻探介质用压缩空气作为钻孔冲洗介质或同时又作为孔底碎岩的能量的一种钻探方法。在一定条件下，可以代替清水或泥浆钻探，因此又称“无水钻探”。压缩空气由空气压缩机供给，因此空气钻探的实施就是在原有钻探设备的基础上，再配备具有一定性能的空气压缩机即可进行。空气钻探主要是靠空气有足够的上返风速来排除岩粉，所以合理选用压缩空气的压力、排量和上返风速等参数是保证正常钻探的主要技术措施，地质钻探一般上返风速不应低于15米/秒。

把空气作为钻孔冲洗介质使用，大约始于20世纪30年代,起初用于严重缺水地区钻探石油,以后逐步扩展到水文地质、地热、工程地质、岩心钻探等领域。空气不仅取之不尽、并具有可压缩性、与清水和泥浆比较空气是一种低密度冲洗介质，能有效地钻进低压油、气、水层、地热层,因而能保护这些储层不至被损坏(压裂、压走、封堵等)以及造成严重漏失，同时它还有助于提高钻速和钻头寿命。

空气钻探分类在空气钻探时地层中的水常渗入钻孔，可根据钻孔地层具体条件，分别不同的空气钻探方式。

干空气钻探干空气钻探用纯空气作为循环介质，主要适用于完全干涸无水地层，或干空气气流能吸收渗入井内的少量水的基岩地层、不含水的覆盖层和严重漏失地层等。干空气钻探时，返回地面的岩屑称为一股粉尘时钻进效果最好，其经济效果也是最好的，所以干空气钻探又成粉尘钻探。干空气钻探的特点是钻进速度快，钻头寿命长，对井壁和岩心无污染，取样及时准确。但在潮湿地层钻进时，很容易在粗径钻具上方形成“泥环”，严重时甚至会阻隔气流，不能继续进行钻探。

干空气钻探空气气流的上返流速在20世纪50年代确定为15.24m/s为空气上返速度标准值，随着科学技术的进步，空气钻探的上返流速有的已达20~30m/s。

干空气钻探所用钻具与液体循环钻基本一致，可以是硬质合金钻进，金刚石钻进、也可以是刚粒钻进、牙轮钻头钻进；可以取心钻进，也可以全面钻进。1

泡沫钻探在空气流中压入一定量的化学起泡剂,使介质在循环中产生大量的稳定性泡沫，形成用泡沫流体冲洗钻孔。泡沫兼备气液两相流体的良好性能，对岩粉糊包钻头、泥堵或岩粉结固等有稀释、解阻作用。钻探时所需风量小，上返速度也低，但其循环压力较纯空气钻探为高，注入方法最好用变量泵。

泡沫钻探时除需有灌注系统外，其他工艺方法和干空气钻探相同。1

泡沫泥浆和充气泥浆钻探在充气钻探的空气气流中，注入发泡剂的同时，注入一定量的经过处理的优质泥浆（泥浆中的粘土对泡沫具有稳定作用），泥浆与泡沫在流动过程中形成泡沫泥浆。泡沫泥浆具有泡沫和泥浆的特性，即密度小、悬浮能力强且能在井壁上形成坚韧的泥皮，适用于漏失、易塌，以及不稳定地层钻探。

充气泥浆是在泥浆循环系统中加入发泡剂，形成低密度的充气泥浆（也可以将压缩空气和泥浆同时通过钻杆送入井底）。充气泥浆的密度能在较大范围内调整，减少液柱的静压水头，实现对地层的压力平衡钻进，减少和避免冲洗液介质的漏失，同时泥浆又能起到更好的护壁作用。充气泥浆的相对密度受到泥浆工作泵的限制，一般不能低于0.8，再低就会导致泥浆泵因“气塞”而停止工作。1

气动潜孔锤钻探又称气动孔底冲击回转钻探，这种钻探方法，压缩空气既被利用作为冲洗介质又作为气动能量。在钻头与钻杆间，连接一个风动潜孔锤，借以把通过钻杆输入的压缩空气的能量转化为机械冲击能，并用活塞冲击钻头实现孔底冲击碎岩的一种工艺，其回转仍靠钻杆驱动，钻杆又为钻机所驱动，如图所示。特点是冲击功能大、回转速度低、轴向钻头压力低、碎岩效率高、钻头使用寿命长，适合钻探中硬以上岩层，与一般回转钻进相比，可提高钻速5～10倍,一个球齿潜孔锤钻头可钻石灰岩2000余米。主要用于钻基岩水井和有关工程孔等，在多年厚冻结层分布广的地区及无水沙漠和高山地区也常能得到很好的技术经济效果。

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学