第七章反循环取心

第七章反循环取心第一页，共四十页，编辑于2023年，星期四第七章反循环钻进取心定义:凡是冲洗介质循环方式与传统的正循环方式相反的钻进方法皆可称为反循环钻进。分为孔底局部反循环和全孔反循环两种。与孔底正循环相比有如下的优点：

（1）冲洗液反向循环，与岩心进入岩心管的方向一致，避免了冲洗液对岩心的正面冲刷和液柱压力对岩心造成的挤夹和磨损，有利于岩心进入岩心管，减少流失和重复破碎；（2）岩心在岩心管呈悬浮状态，减轻相互研磨和选择性磨损，因此能够提高裂隙发育、破碎、性脆、软硬不均的岩矿层取心质量。第二页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

冲洗液孔底反循环钻进取心是指在钻进中借助于一些特殊的器具，在孔内钻具总成的下部（孔底部分）形成反循环方式，而在在钻具总成的上部仍是正循环或无冲洗液循环，相对于全孔反循环，孔底反循环钻进取心具有钻具结构简单，一般不需要特殊的辅助设备，机具轻便，成本低廉。.

一、建立冲洗液孔底反循环的方法无泵钻进喷射式反循环钻进封隔式孔底反循环钻进空气升液式孔底反循环钻进

第三页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

1、无泵钻进方案不需要地表水泵供给冲洗液在孔内循环，钻具上装有带孔2的专门接头和单向阀3，以及开口或闭口的岩粉收集管4。利用孔内的静水柱压力，钻进时，使钻具周期地上提和下落，即可实现冲洗液的孔底反循环。当钻具向上运动时，钻具内形成低压区，液体携带岩心和岩粉从孔壁间隙进入岩心管，此时球阀处于关闭状态。向下运动时，钻具内形成压力增高区，冲洗液携带重量较轻的岩粉，经过球阀排到岩粉收集器中。这样，一方面避免了冲洗液对岩心的正面冲刷破坏，另一方面捕集了钻进时产生的所有岩屑和岩粉。

第四页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

2、喷射式反循环钻进

这种喷射式钻具是利用冲洗液流的喷射效应建立孔底反循环的。所谓喷射效应乃是高速运动的液流在流束附近压力降低的一种现象。喷射式钻具的主要部件是喷射装置。一般由喷嘴1和承喷器2组成。冲洗液流在压力下从喷嘴以高速喷出，在承喷器上部形成低压区，冲洗液从孔壁间隙，经过钻头水口并携带岩粉抽吸到岩心管4的内腔，通过滤网6进入到岩粉收集器7。在液体流动过程中，岩心和岩粉重量较大和块度较大的沉积于岩心管内，而重量较小和粒度较细的则收集于岩粉收集器中。第五页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

2、喷射式反循环钻进喷射式钻具可配备硬质合金钻头或金刚石钻头。可用于单管钻具钻进，也可用于双管钻具，在双层钻具中，承喷器出口的液流被引导到内管与外管的间隙，这样能够增大返水量，提高返水效率(返水量与给水量之比)。与无泵钻具相比，具有操作方便，劳动强度小，钻进效率高，孔底比较干净，埋钻事故少等优点，在硬、脆、碎地层中使用较多。但是其缺点是反循环液流速度与被携带的岩粉量成反比。随着冲洗液中岩粉的饱和，喷射装置的工作效率降低。超过临界值时，喷射装置就停止工作。此时冲洗液完全向上流送，可能导致烧钻。因此，钻进产生大量岩粉的软的和中硬的岩矿层时，不用喷射式钻具。第六页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

3、封隔式孔底反循环钻进通过人工阻隔，使冲洗液在孔底形成反循环。（1）弹性胶囊阻隔式：当孔壁比较稳定、光滑时，采用弹性胶囊封隔阻隔冲洗液流。冲洗液使胶囊体积增大，封闭孔壁间隙，迫使冲洗液经过钻头水口，携带岩粉并推动岩心进入岩心管内。在岩心管自由空间内液流运动速度降低，岩粉和岩心颗粒沉淀下来，而冲洗液则通过滤网和出水孔道进入钻杆与孔壁的间隙，返回地表。第七页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

（2）孔底阻隔式：钻进含粘土夹层和松散沉积物的软弱岩矿层时，采用另一种封隔式钻具。此种钻具利用专门厚壁硬合金钻头起封隔器作用，双层岩心管结构。厚壁钻头1阻止冲洗液流向岩心管与孔壁之间的空隙，把绝大部分的液流引导到岩心管5的内腔，并经过滤网4和返水孔3流到钻杆与孔壁的间隙返回到地表，而岩粉和岩心则滞留于岩心管内。

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4、空气升液式孔底反循环钻进

空气升液的原理是把由进气管2放入钻杆柱中一定的深度，送入压缩空气。钻杆柱内形成气水混合物，其密度低于钻杆与孔壁间隙中水的密度，在压力作用下，钻杆与孔壁间隙中的水经过钻头，携带岩粉和岩心进入岩心管内腔。与其他孔底反循环钻具一样，岩心钻具上部往往接有闭口式岩粉收集器，使上返冲洗液中重量较轻的岩粉汇集于收集器中。该方法适用于钻进易溶岩矿层(如岩盐)以及在裂隙发育冲洗液强烈漏失的条件下取样钻进。第九页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心二、几种有代表性的冲洗液孔底反循环钻具（一）无泵式反循环钻具

1、无泵钻具的结构形式:

有开口式和闭口式两种形式（1）开口式无泵钻具特点:结构简单，收集岩粉能力强，取出岩粉容易，但钻具强度较低，一般仅宜于150米以内的浅孔钻进。

第十页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心（2）闭口式无泵钻具闭口式无泵钻具如右图所示。与开口式无泵钻具相比，具有强度较高，适于破碎、松散、粘性大、比重大的岩矿层和孔深大于150米的钻孔。如遇坍塌、掉块和岩粉较多的岩矿层还可在导水接头上增加开口取粉管，以收取更多的岩粉。

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2、无泵钻具钻进

无泵钻具的钻进参数是钻压、转速、串动频率和串动高度。

钻压不宜过大，一般2～4kN，否则易造成岩心堵塞或糊钻。

转速不宜过快，以保护岩矿心。一般在100～200r／min。

串动频率一般为5—10次／min，串动高度一般为15～20cm，岩矿层松散，岩粉较多，为了增大反循环强度，串动频率与串动高度大些。钻进中，周期性地串动钻具，并且慢提快落，以增强反循环效果。

孔内的静止水位必须超过粗径钻具，以保证反循环的形成。第十二页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

(二)喷射式反循环钻具

1、喷射式反循环钻具的结构

右图是一种喷射反循环钻具，它是在双动双管的基础上增加了喷射器，造成孔底冲洗液的局部反循环。双管也可以制成单动的形式，以提高减振的性能。第十三页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

2、喷射式反循环钻进工艺参数钻探常用的喷射式反循环钻具直径一般为59—91mm。启动喷射器的冲洗液量为80—100L／Min。回次进尺一般不超过1.5m。转速不超过400—500r／min(金刚石钻进)，180—200r／min(硬合金钻进)。喷射钻具钻进时，孔内必须干净。若孔底岩粉过多，要专门捞取，否则易造成烧钻事故。下钻到底前应先开泵冲孔，然后开车缓慢扫孔，以防岩粉或残留岩心堵塞。钻进中不得停泵，否则岩粉沉淀造成自卡或堵塞进水通道。使用泥浆时，粘度应控制在18～23s左右，以免影响喷射器工作性能。第十四页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

3、喷反元件的作用及其尺寸的选择喷射反循环的效果与喷射元件的结构和几何尺寸有密切的关系。喷反元件主要包括喷嘴、混合室、喉管、扩散室等。每—个元件根据它的作用都有一个合理的几何形状和尺寸，才能得到最好的喷反性能。

第十五页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心(1)喷嘴

作用：将高压液流的压力能转变成动能。高能量的液体通过它以后，应产生最大的动能以便在喷射器周围形成负压区，形成孔底的反循环。对喷嘴的结构要求：一是阻力小，二是流速和流量大。喷嘴尺寸的选择：喷嘴直径d0

，喷嘴的锥度β，喷嘴大口直径D，喷嘴长度L0。

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喷嘴尺寸的选择：喷嘴直径d0可按公式计算：

喷嘴直径d0与流量与流速有关。当液流Q一定时，d0越小流速越大，流速越大在一定的范围内负压越高，喷反性能越好。d0太小，特别是泥浆洗井时，易被岩屑堵塞，但d0太大，受孔径和水泵能力的限制，给水量增加到一定值后，负压的增长趋于稳定，返水效率下降。因此，喷嘴直径常用5、6、7，8、9，10毫米几种规格。第十七页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

喷嘴尺寸的选择：喷嘴的锥度β：根据流体力学中管嘴出流理论，圆锥收敛形管嘴最好，理想的圆锥角为8度～15度之间，其阻力最小，流速流量最大。当压力大于30个大气压时，取8度～12度，喷嘴直径小或压力小于30个大气压时，取12度～15度。第十八页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心喷嘴大口直径D：喷嘴d0与β确定以后，为使喷嘴中的流速收缩不致过急而影响流量系数，喷嘴出口d0与上端进口D，必须保持一定的比例关系，一般两直径的比值不得小于1／4.喷嘴长度L0：按水力学介绍，当喷嘴收敛角β=13度～15度时，最好的喷嘴长度为：L0=2.2（D-d0）+d0第十九页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

(2)混合室混合室的作用：混合室是高速液流Q1和被吸入液流Q2混合的地方，并在这里进行能量传递或交换，而后一起通过喉管。所谓能量传递或交换，就是在两股液流存在压力差的情况下，高速液流Q1失去能量，低速液流Q2得到能量，最后二者达到相近的流速并一起进入喉管。

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混合室尺寸的选择：混合室收敛角δ：为了减少两股流速相差很大的液流在混合时产生的涡流现象和能量损失，混合室的形状应选用收敛形的。一般选取的收敛角为δ=200～300。混合室直径d1

：按经验一般取：d1=（1.5~2）d2

混合室长度L1

：按经验公式：L1=4.75（d1-d2）第二十一页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

(3)喉管喉管的作用：喉管是混合室与扩散管之间的一段直管，是混合液流必经的通路。其作用是使混合室流出的混合液流动均匀，形成较稳定的流动状态，以减少能量损失。为此，其几何形状一般采用圆柱形。

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喉管尺寸的选择：喉管直径d2

喉管直径d2必须大于喷嘴直径d0，d2越大，返水性能越好。但受孔径和射流能量的限制，不能太大。d2=(1.5～3)d0。喉管长度L2：根据经验一般选取：L2=（1.2~1.7）d2

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(4)扩散管作用：降低混合液流的速度，使动能转变为压力能。

扩散管尺寸的选择：扩散管的扩散角γ:为使动能变为压力能时尽量减少压力损失，扩散管内径应具有锥度，扩散角为γ=60～120。扩散管的大径d3

：按经验一般选取：d3=（2.5~4）d2扩散管长度L3：按经验公式取L3=7.1（d3-d2）第二十四页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

(5)喷嘴与混合室的距离S

喷喷与混合室之间是工作流Q1与吸人流Q2混合的地方。二者距离的大小对钻具的抽吸性能有很大的影响。其配合有最优的距离值。这个距离S一般是可调的，其大小一般通过试验决定。常用的在-2～+5毫米之间。第二十五页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

（三）空气升液式反循环钻具

1、空气升液式反循环钻具压缩空气沿钻杆送到升液管内，在混合器发生绝热膨胀过程，液体上升，经出水接头2流到升液管与孔壁的环状空间。出水接头的位置应高于孔内液体的动水位。在空气升液器下方连接岩粉收集器和岩心容纳管。随着混合器沉没深度的增加，反向冲洗的效率提高。第二十六页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第一节冲洗液孔底反循环钻进取心

2、空气升液式反循环钻具钻进此种钻具适用于孔内有地下水的钻孔和供水困难的地区。工作时，混合器沉没深度一般为水位以下30—50m。空气压缩机在风压为2.5MPa时，风量为0.015m3／s；在风压为0.7MPa时，风量为0.031m3／s。钻具下到离孔底0.5一1m处，开动空压机，经过3～5min，当工作压力稳定后，钻具边送风边回转到孔底。实践表明，空气升液反循环钻进可把岩矿心采取率提高到80％一100％。第二十七页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第二节冲洗液全孔反循环钻进取心

全孔反循环取心也称为反循环连续取心，它是一种不提钻，利用循环介质把岩心(或岩屑)经钻杆的中心通道连续不断地输送到地表的取心方法。全孔反循环取心的分类:

根据输送岩心(或岩屑)的原理不同可分为：气举反循环、泵吸反循环、泵压反循环.

根据反循环的冲洗介质的不同可分为：空气反循环，清水(泥浆)反循环。根据所排出的样品不同可分为：反循环取心，反循环取屑。

第二十八页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第二节冲洗液全孔反循环钻进取心全孔反循环连续取心的优点(1)钻进效率高。无需提钻取心，减少了辅助时间，和绳索取心相比，还减少了打捞内管总成的时间。(2)岩心采取率高，取心质量好。有利于提高松散破碎和怕冲刷的复杂地层的取心质量。采取率一般可达95％以上。由于样品从内管中心被输到地表，样品上返速度快，可及时判断样品。(3)孔底干净。由于岩粉及时被排出，减少孔底重复破碎，可大幅度提高时效，且延长了钻头的寿命。(4)易于穿过复杂地层。对于易坍塌、漏失、掉块、破碎等复杂地层，钻孔可以不下套管，外管就等于跟管钻进的套管。(5)单位成本低。相同地层条件下，反循环连续取心钻进的成本，仅为普通取心钻进的1／5～1／3。第二十九页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第二节冲洗液全孔反循环钻进取心目前存在的问题（1）钻进深度和岩层有一定的局限性，远不能完全取代普通岩心钻探；（2）碎屑状的岩样破坏了地层的原状结构，难以直接获得所钻地层的真实属性；（3）坚硬岩层，岩心难以切断或岩心切断器磨损严重；（4）另外钻探设备和附属工具过于笨重，一次性投资大。这些问题严重影响了它的推广。第三十页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第二节冲洗液全孔反循环钻进取心

一、水力全孔反循环连续取心钻进（水力输送岩心）（一）水力输送岩心原理冲洗液由泵6经专门水接头压送到双壁同心管柱的环状间隙中，在距孔底2-3cm处，经钻头1进入内管3。冲洗液携带岩心和岩粉沿内管、水接头4上行到岩心导出胶管5，并和岩粉一起流到安装在集液箱8内的岩心回收槽7上。钻进过程中，在钻具内管下部装有岩心卡断器(图中未画出)，当钻成的岩心达到一定长度时(约为直径的2倍)，即被岩心卡断器卡断。这样，岩心就被成段地连续从孔底输送到地表。第三十一页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第二节冲洗液全孔反循环钻进取心（二）水力输送岩心钻进设备

1、自行或拖挂式全液压钻机，适合于经常搬迁。钻机采用全液压控制，利于快速准确地完成钻进过程中的各种操作，保证回转器平稳给进和改善钻杆拧卸条件。

2、侧入式水接头。其作用是将泵压送出来的高压冲洗液导入双壁钻柱内外管的环状间隙，直达孔底，并且将内管中的岩心输送到地表。水接头有较大的中心孔，作为岩心通道。

3、双壁钻杆。由单独的双管段组成。管段中用定心肋骨将内管固定在外管内，以防止内管轴向窜动。外管两端用带螺纹的接头连接，而内管两端用插入连接密封。外管传递转矩和轴向压力，内管只作为输送岩心的通道。第三十二页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第二节冲洗液全孔反循环钻进取心（二）水力输送岩心钻进设备

4、硬合金钻头。直径为76、84和93mm，具有厚壁钢体。底唇制成螺旋状扇形块，回转时可保证岩粉由钻头边缘往中心移动，被冲洗液流带进内管。由于冲洗液在距钻头底唇20～30mm处返转到内管内，因此要靠周期性地上下串动钻具使切削具得到冷却。钻进较硬、研磨性地层时，则改用金刚石钻头。

5、岩心卡断器。装在钻头上部的某一高度。有楔面式、卡块式和滚球式等结构。卡断器与卡断器座是动配合。其作用原理都是在岩心形成一定长度后，使其受到一个径向力而切断。

6、样品收集装置。包括岩心回收槽和岩粉收集器。第三十三页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第二节冲洗液全孔反循环钻进取心

（三）水力输送岩心钻进工艺水力输送岩心钻进的特点是机械钻速很高，并且靠冲洗液反循环液流从孔底排除岩心和岩粉。

1、系统的控制：在液压系统中，一般用单流阀控制给进，给进力恒定，而给进速度则随孔底反作用力的变化而不同。随着给进速度的加快，回转扭矩增加，液压系统压力增加，当达到极限时，要串动钻具以降低转矩，因此，回转钻进中（特别是软岩层）必须经常串动钻具。第三十四页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第二节冲洗液全孔反循环钻进取心

2、钻进复杂地层如较厚的粘土层沙砾层时，除了要串动钻具降低转矩外，还可以采用墩放钻具、透孔和正循环洗孔.串动钻具：每钻进0.1~1.5米，将钻具提离孔底，提离高度≥钻进深度，而后，缓慢下放到孔底。墩放钻具：每钻进0.1~0.5米，将钻具提动8~10厘米，然后墩放到孔底。透孔：每钻完一个给进行程，将钻头提离孔底同样高度，重新扫孔钻进到原孔底。正循环洗孔：每钻进40~60米，改变侧通阀门进行正循环洗孔。其目的是排除钻柱内、钻柱与孔壁间隙之间的岩粉，润滑钻具，防止岩粉堵塞。正常钻进时钻压为10~25KN，转速为200~300r/min，冲洗液量为180~300L/min，钻进漏失带时冲洗液量适量增加。第三十五页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第二节冲洗液全孔反循环钻进取心

二、空气反循环连续取样钻进空气反循环连续取样也叫中心取样钻探（CenterSampleRecovery)简称CSR，即采用双壁钻杆反循环系统和全面破碎的碎岩方式；依靠收集钻进过程中由内管中心通道上返至地表的岩屑来取代常规取心钻探中的岩心进行地质编录、岩矿分析等。第三十六页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室第二节冲洗液全孔反循环钻进取心

（一）钻进原理压缩空气（也可以是清水、泥浆、泡沫等）经侧人式气水龙头进入双壁钻杆的环状间隙并下行，到达孔底后经内管中心通道上返，同时将所钻地层样品及岩屑携至地表，并进入旋流器，样品与空气分离，再进行不同比例的无分选缩分，最后将所分样品按要求包装编号，送交化验室分析处理。通常采用全面破碎钻进工艺，即用牙轮钻头或潜孔锤钻进。一般空气的上返速度不大于25m／s。第三十七页，共四十页，编辑于2023年，星期四6/21/2023中国地质大学勘查教研室