[科普中国]-反循环钻探

钻探冲洗液自孔口经钻杆与孔壁间，或双壁钻杆的内外管之间的环状空间向下行，到达孔底后又从钻杆或双壁钻杆内管上返到地表的一种相反方向循环方式的钻探和取样技术。冲洗液介质可以是水、泥浆或空气。1

反循环钻探，按形成反循环液流在钻杆内上升的动力和方式，可分为三种类型：泵吸反循环钻探、气举（空气）反循环钻探、射流反循环钻探。2

简介20世纪40～50年代，反循环钻探技术开始在荷兰、德国兴起，很快推广到世界各地，并相继出现了多种形式的反循环钻探技术。初期的反循环钻探只能采取岩矿屑。近年来在地质钻探中应用反循探环钻技术已能成功地连续采取岩（矿）心。反循环钻探时，由于冲洗介质在钻杆中心孔内以高速度上升,故排出钻屑的能力强,钻屑粒径大，钻屑在孔底的重复破碎少，能大幅度提高钻探效率，特别是在大口径钻探中效果明显。

分类泵吸反循环钻探利用砂石泵（离心泵的一种）的抽吸作用，在钻杆内形成负压，在大气压力作用下，循环液从泥浆池流入井口，经循环间隙流向井底，与井底破碎的岩粉混合在一起，被吸入钻杆内腔，上升至地面，经排出管、砂石泵进入沉淀池，沉淀后的循环液继续进入井内，形成反循环钻进。

泵吸反循环钻进之前，井内水位以上的钻杆内没有循环液，因此在启动砂石泵之前，必须设法使井内水位以上的钻杆、管内充满循环液。一种方法是在上部管内安装一真空泵，使砂石泵吸水口至井内水位以上的钻杆、管路内产生负压，从而使钻杆内的水位提高，最后使循环液充满整个砂石泵的吸水管路。另一种方法是安装一台注水泵（离心泵），向砂石泵吸水管路注水，吸水管路充满循环液后再启动砂石泵。泵吸反循环钻进所用循环液一般为清水，在易坍塌地层亦可用泥浆。为防止井壁坍塌，井内液面要高于地下静水位2m。泵吸反循环所用的砂石泵，其流量为240~500m3/h,有效吸水压力为6x104~7x104Pa。

泵吸反循环钻进效率随孔深的增加而下降，在井深50m以内，效率较高，称高效工作区段。当井深超过70m后，虽也能工作，但效率已很低，因此50~70m称为经济工作区段。

泵吸反循环钻进中，一个重要的问题是选择和确定钻杆内循环液的上升速度。影响循环液上升速度的因素主要由以下几点：循环液中岩屑的含量，一般推荐循环液中岩屑含量不超过8%~10%；钻杆内壁表面应光滑、平整，不应有收缩、台阶等情况，避免循环液流动过程过大的摩擦损失和涡流损失；井壁与钻杆之间的环状间隙的循环液下降流速不能过大，以防止循环液冲垮井壁，推荐循环液下降流速为0.01~0.03m/s。钻杆内腔断面与井孔断面之比推荐1/100。2

气举反循环钻探气举反循环的工作原理是将压缩空气通过供气管路送至井下的气水混合室，并使压缩空气与钻杆内的循环液混合，从而形成密度比钻杆外液体密度小的混合液柱。混合液在管内外压差的作用下，沿钻杆内腔上升经排渣管排至沉淀池，经沉淀后的循环液以自流方式连续不断地流入井内环状间隙，形成反循环。

当系统达到平衡时，可用如下公式：

（Lw+H）γh=hγx+Lwγxy

其中

H--混合室下入井内的深度；

h--混合室至排渣管中心的高度；

Lw--尾管长度；

γh--冲洗液重度；

γx---双壁钻杆内腔固、气、水三相平均重度；

γxy--尾管内固、液两相平均重度。

若不考虑各种阻力、惯性力，要使整个系统循环运动，则必须是：

（Lw+H）γh >hγx+Lwγxy。2

气举反循环钻探技术应用气举反循环连续取样钻探主要应用于固体矿产资源勘探，特别是一些特殊矿种和松散、破碎地层。如第三、四系砾岩型金矿或赋存在构造破碎带、蚀变带的金矿床，普通岩心钻探方法取心难，钻进中易人为造成矿物贫化或富集，使地质资料失真。高岭土、铝土矿则遇水膨胀，岩矿心易受泥浆污染。采用空气反循环连续取样钻探可以保证地质资料准确，且效率高。空气反循环连续取样钻探亦可在水文水井、工程施工等领域应用。

循环介质先从双壁钻杆的内外管环隙或钻孔环状空间泵入(流入)孔底钻头处，然后从钻杆的中心通道(或双壁钻杆内管的中心通道)返回地表，完成洗井功能。

1、冲洗介质上返通道断面小，流速快，对岩屑(包括可被地质部门利用的岩样)的携带能力强，孔底重复破碎现象大大减小，洗井效果好;

2、洗井介质对孔壁的冲刷小，有利于钻孔稳定，减少埋钻、断钻杆等孔内事故;

3、冲洗介质对钻头的冷却效果好，钻速快、钻头使用寿命长;

4、可实现边钻进，边取样，可随时了解到所钻地层情况。岩矿心采取率高，代表性强，方便地质编录和地层的真实描述;

5、以空气作为循环介质时，可实现节水钻进，在干旱、缺水地区施工优势更加突出。

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学