CN116227208A - 钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1，反循环排渣系统相似模型设计；步骤S2，制作反循环排渣试验平台；步骤S3，制备泥浆相似材料、岩渣相似材料；步骤S4，开展正交试验，选出第一排渣参数组合及主要排渣施工参数；步骤S5，单因素分析主要排渣施工参数对排渣效果的影响，选出第二排渣参数组合、第三排渣参数组合；步骤S6，对比分析正交试验和单因素分析结果，确定最终高效排渣施工参数；步骤S7，工程现场验证。本发明提供了煤矿立井钻井法气举反循环泥浆排渣施工参数的确定方法，对钻井法凿井过程中刀盘转速和注气流量的设定、风管下潜深度、泥浆黏度的调配起到指导和借鉴作用。
Description
技术领域
本发明涉及钻井法凿井排渣技术领域，特别涉及一种钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法。
背景技术
“煤炭开发，建井先行”，煤矿立井井筒的建设是煤炭开发的首要工程，钻井法凿井具有机械化程度高、作业环境好、井壁质量高等优点，可实现打井不下井，井筒施工本质安全目标，是一种施工煤矿立井井筒的成熟工法。
煤矿立井钻井法施工时井底岩渣破碎尺寸不规则，岩渣上返路径较长，泥浆柱压持作用显著，正循环洗井难以获得较大的上返速度，因此，煤矿立井钻井法施工多采用气举反循环洗井，其原理是将钻杆内部注入压缩空气，与泥浆混合形成低密度的混合流体，在内外泥浆柱压差作用下将井底泥浆携带岩渣排出。在反循环回转钻进过程中，部分岩渣会脱离破碎穴，成功吸入排渣管顺利举升，剩余岩渣因吸渣口吸附力不足、泥浆柱压持作用、破碎尺寸较大等多种原因残存井底被重复破碎，致使钻头磨损增大，钻进效率降低，造成此现象的原因主要是钻井参数设定不合理，造成井底岩渣净化不彻底造成的，因此，获取合理的钻井排渣施工参数十分有必要。
有关煤矿立井钻井法气举反循环泥浆排渣施工参数的研究较少，且相关钻井排渣的研究多集中于尺寸较小的油气井、巷道底板锚固孔、煤层瓦斯抽采孔、钻孔灌注桩等，鲜有涉及大直径煤矿立井的气举反循环排渣；现有小尺寸井的排渣方式多为正循环环空排渣，其排渣效果影响因素不同于煤矿立井气举反循环排渣，煤矿立井气举反循环排渣影响因素更为复杂；泵吸反循环和环空正循环排渣流型多为液-固两相流，气举反循环则为更复杂的气-液-固三相流。
综上所述，制约煤矿立井钻进速度的根本在于排渣，开展煤矿立井钻井法气举反循环泥浆排渣施工参数的研究十分有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，在高效排渣施工参数确定的过程中，制作了反循环排渣的试验平台，采用泥浆粉为增黏剂、氯化钠为增重剂并与水适比例混合制备出了透明的泥浆相似材料，通过设计四因素(刀盘转速、注气流量、泥浆黏度和风管沉没比)四水平的正交试验，选出了第一排渣参数组合，确定了影响排渣效果的主要施工参数(刀盘转速和注气流量)，又采用控制变量法单因素分析了刀盘转速和注气流量对排渣的影响，选出了第二排渣参数组合和第三排渣参数组合，并对比了三组排渣参数组合，选出了第二排渣参数组合并将其转化为现场施工参数，作为最终的高效排渣参数组合，后经现场工程验证，证明了其合理性。整体来看，该方法条理清晰，步骤明确，操作简单，利用该方法可以选出合理的高效排渣施工参数，对钻井法凿井过程中刀盘转速和注气流量的设定、风管下潜深度、泥浆黏度的调配起到指导和借鉴作用，为提高业内煤矿立井钻井法排渣效果提供有益参考。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1，反循环排渣系统相似模型设计；步骤S2，制作反循环排渣试验平台；步骤S3，制备泥浆相似材料、岩渣相似材料；步骤S4，开展正交试验，选出第一排渣参数组合及主要排渣施工参数；步骤S5，单因素分析主要排渣施工参数对排渣效果的影响，选出第二排渣参数组合、第三排渣参数组合；步骤S6，对比分析正交试验和单因素分析结果，确定最终高效排渣施工参数；步骤S7，工程现场验证。
进一步地，在上述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法中，在所述步骤S1中，所述反循环排渣系统相似模型设计包括确定相似常数和确定模型参数；所述模型参数等于原型参数除以所述相似常数，所述原型参数是实际钻井法凿井实际参数；所述相似常数是基于量纲分析法确定的，包括几何相似常数、运动相似常数、时间相似常数、泥浆密度相似常数和岩渣密度相似常数、注气流量相似常数和黏度相似常数。
进一步地，在上述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法中，在所述步骤S2中，所述排渣试验平台是根据所述步骤S1确定的模型参数和钻井法凿井施工条件制备的。
进一步地，在上述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法中，在所述步骤S3中，所述泥浆相似材料的制备是根据所述步骤S1中所述泥浆密度相似常数和所述泥浆黏度相似常数确定的；所述泥浆相似材料选用氯化钠为增重剂、泥浆粉为增黏剂，并与水适比例混合配制了密度为1.05g/cm3，黏度分别为3.7mPa·s、8.7mPa·s、12.8mPa·s、18mPa·s四个水平的可视化透明泥浆相似材料；制备泥浆相似材料包括如下步骤：步骤S31，按照配比称取计算好的氯化钠、泥浆粉和水，分别配制氯化钠溶液与泥浆粉溶液，并充分搅拌溶解，步骤S32，将所述氯化钠溶液倒入所述泥浆粉溶液中，搅拌均匀后，通过抽水泵送入所述反循环排渣试验平台的试验腔内；所述岩渣相似材料的制备是根据所述步骤S1中所述岩渣直径相似常数和所述岩渣密度相似常数确定的，所述岩渣相似材料选用直径为1mm～2mm，2mm～3mm，3mm～4mm的玻璃球，将所述直径3mm～4mm的玻璃球染成红色，将2mm～3mm的玻璃球染成蓝色，将1mm～2mm的玻璃球染成绿色，并按质量等比例混合，混合密度为2.36g/cm3。
进一步地，在上述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法中，在所述步骤S4中，所述步骤S4包括设计正交试验方案、定义排渣效果评判指标、选出第一排渣参数组合、确定主要排渣施工参数；所述正交试验方案采用四因素四水平的正交表，其中四因素包括泥浆黏度、注气流量、刀盘转速和风管沉没比；所述泥浆黏度的四个水平分别为所述步骤S3中所配置的泥浆相似材料的四个水平，泥浆黏度分别为3.7mPa·s，8.7mPa·s，12.8mPa·s和18mPa·s；所述注气流量的四个水平分别为7m3/h、8m3/h、9m3/h和10m3/h；所述刀盘转速的四个水平分别为30r/min、40r/min、50r/min、60r/min；所述风管沉没比的四个水平分别为0.727、0.743、0.757、0.769；所述排渣效果评判指标包括排渣效率η，排渣效率η等于排出岩渣总质量与井底钻进产生的岩渣质量之比，泥浆输送比α，泥浆输送比α等于排出岩渣总质量与泥浆排量总质量之比，气力输送比β，气力输送比β等于排出岩渣总质量与注入空气总质量之比，计算表达式分别如下：
其中，Ms为累计排出岩渣的质量；Ml为累计排出泥浆的质量；Mg为累计输出气体的质量，D是刀盘直径，v是钻进速度，t是洗井时间，ρs是岩渣密度，利用极差分析法对所述正交试验的试验结果数据进行分析，计算所述排渣效率、泥浆输送比和气力输送比所对应各排渣参数的均值k和极差R；选出第一排渣参数组合：泥浆黏度为A3水平12.8mPa·s、注气流量为B1水平7m3/h、刀盘转速为C4水平60r/min、风管沉没比为D4水平0.769；影响排渣效果的因素的显著性大小依次为：刀盘转速>注气流量>风管沉没比>泥浆黏度；得出所述主要排渣施工参数为刀盘转速和注气流量。
进一步地，在上述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法中，在所述步骤S5中，令所述第一排渣参数组合中注气流量、泥浆黏度和风管沉没比保持不变，改变所述刀盘转速分别为20r/min、30r/min、40r/min、50r/min、60r/min，单因素分析所述刀盘转速对对排渣效果的影响；选出第二排渣参数组合：刀盘转速为40r/min、注气流量为7m3/h、风管沉没比为0.769、泥浆黏度为12.8mPa·s；令所述第一排渣参数组合中刀盘转速、泥浆黏度和风管沉没比保持不变，改变所述注气流量为5m3/h、6m3/h、7m3/h、8m3/h、9m3/h，研究所述刀盘转速对排渣效果的影响；选出第三排渣参数组合：刀盘转速为60r/min、注气流量为6m3/h、风管沉没比为0.769、泥浆黏度为12.8mPa·s。
进一步地，在上述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法中，所述步骤S6中，最佳参数组合为第二排渣参数，刀盘转速为40r/min、注气流量为7m3/h、风管沉没比为0.769、泥浆黏度为12.8mPa·s；将所述第二排渣参数组合转化为实际钻井现场的施工参数为刀盘转速为11.5r/min，注气流量为3500m3/h，泥浆黏度为384mPa·s，风管沉没比为0.769。
进一步地，在上述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法中，在所述步骤S7中，将所述第二排渣参数组合应用到实际工程中，钻进效率和排渣效率均提升40％-60％。
进一步地，在上述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法中，在所述步骤S1中，几何相似常数为12，
即：CD1＝Cd1＝CL1＝Cds＝CD2＝Cd2＝CL2＝12，
CD1为刀盘直径相似常数；Cd1为风管直径相似常数；CL1为风管长度相似常数；Cds为岩渣直径相似常数；CD2为井筒直径相似常数；Cd2为排渣管直径相似常数；CL2为钻杆长度相似常数；运动相似常数包括钻进速度相似常数
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泥浆密度相似常数和岩渣密度相似常数Cρ＝1，注气流量相似常数CQg＝500，黏度相似常数Cμ＝30。
进一步地，在上述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法中，在所述步骤S3中，用1000ml水和80g氯化钠可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为3.7mPa·s的透明泥浆相似材料；用1000ml水、80g氯化钠和0.2g泥浆粉可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为8.7mPa·s的透明泥浆相似材料；用1000ml水、80g氯化钠和0.4g泥浆粉可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为12.8mPa·s的透明泥浆相似材料；用1000ml水、80g氯化钠和0.6g泥浆粉可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为18mPa·s的透明泥浆相似材料。
分析可知，本发明公开一种钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，在高效排渣施工参数确定的过程中，制作了反循环排渣的试验平台，采用泥浆粉为增黏剂、氯化钠为增重剂并与水适比例混合制备出了透明的泥浆相似材料，通过设计四因素(刀盘转速、注气流量、泥浆黏度和风管沉没比)四水平的正交试验，选出了第一排渣参数组合，确定了影响排渣效果的主要施工参数(刀盘转速和注气流量)，又采用控制变量法单因素分析了刀盘转速和注气流量对排渣的影响，选出了第二排渣参数组合和第三排渣参数组合，并对比了三组排渣参数组合，选出了第二排渣参数组合并将其转化为现场施工参数，作为最终的高效排渣参数组合，后经现场工程验证，证明了其合理性。整体来看，该方法条理清晰，步骤明确，操作简单，利用该方法可以选出合理的高效排渣施工参数，对钻井法凿井过程中刀盘转速和注气流量的设定、风管下潜深度、泥浆黏度的调配起到指导和借鉴作用，为提高业内煤矿立井钻井法排渣效果提供有益参考。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明一实施例的煤矿立井钻井法气举反循环泥浆排渣施工参数的确定方法的流程图。
图2为本发明一实施例的刀盘转速对应的排渣效果图。
图3为本发明一实施例的注气流量对应的排渣效果图。
表1为本发明一实施例的现场及模型试验参数选取表。
表2为本发明一实施例的正交试验方案表。
表3为本发明一实施例的正交试验结果表。
表4为本发明一实施例的因素极差分析表。
表5本发明一实施例的排渣试验参数优选表。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
如图1至图3所示，根据本发明的实施例，提供了一种钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，反循环排渣系统相似模型设计；
所述反循环排渣系统相似模型设计包括确定相似常数和确定模型参数；
所述模型参数等于原型参数除以所述相似常数，所述原型参数是实际钻井法凿井实际参数，所述模型参数和原型参数的取值见表1。
表1
所述相似常数是基于量纲分析法确定的，包括几何相似常数、运动相似常数、时间相似常数、泥浆密度相似常数和岩渣密度相似常数、注气流量相似常数和黏度相似常数；
优选地，几何相似常数为12，即：
CD1＝Cd1＝CL1＝Cds＝CD2＝Cd2＝CL2＝12
CD1为刀盘直径相似常数；Cd1为风管直径相似常数；CL1为风管长度相似常数；Cds为岩渣直径相似常数；CD2为井筒直径相似常数；Cd2为排渣管直径相似常数；CL2为钻杆长度相似常数；
优选地，运动相似常数包括钻进速度相似常数
和刀盘转速相似常数
时间相似常数
泥浆密度相似常数和岩渣密度相似常数Cρ＝1，注气流量相似常数CQg＝500，黏度相似常数Cμ＝30。
步骤S2，制作反循环排渣试验平台。
在所述步骤S2中，所述排渣试验平台是根据所述步骤S1确定的模型参数和钻井法凿井施工条件制备的；所述排渣试验平台包括试验台、试验腔、排渣管、泥岩分离箱和数据监测及采集装置。
排渣试验平台参照公开号为CN114705834A的专利制作。
步骤S3，制备泥浆相似材料、岩渣相似材料。
在所述步骤S3中，所述泥浆相似材料的制备是根据所述步骤S1中所述泥浆密度相似常数和所述泥浆黏度相似常数确定的，
所述泥浆相似材料选用氯化钠为增重剂、泥浆粉为增黏剂，并与水适比例混合配制了密度为1.05g/cm3，黏度分别为3.7mPa·s、8.7mPa·s、12.8mPa·s、18mPa·s四个水平的可视化透明泥浆相似材料；
优选地，用1000ml水和80g氯化钠可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为3.7mPa·s的透明泥浆相似材料；用1000ml水、80g氯化钠和0.2g泥浆粉可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为8.7mPa·s的透明泥浆相似材料；用1000ml水、80g氯化钠和0.4g泥浆粉可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为12.8mPa·s的透明泥浆相似材料；用1000ml水、80g氯化钠和0.6g泥浆粉可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为18mPa·s的透明泥浆相似材料；
制备泥浆相似材料包括如下步骤：
步骤S31，按照配比称取计算好的氯化钠、泥浆粉和水，分别配制氯化钠溶液与泥浆粉溶液，并充分搅拌溶解，
步骤S32，将所述氯化钠溶液倒入所述泥浆粉溶液中，搅拌均匀后，通过抽水泵送入所述反循环排渣试验平台的试验腔内；
所述岩渣相似材料的制备是根据所述步骤S1中所述岩渣直径相似常数和所述岩渣密度相似常数确定的，所述岩渣相似材料选用直径为1mm～2mm，2mm～3mm，3mm～4mm的玻璃球，为凸显岩渣相似材料在透明泥浆中的可视化效果，将所述直径3mm～4mm的玻璃球染成红色，将2mm～3mm的玻璃球染成蓝色，将1mm～2mm的玻璃球染成绿色，并按质量等比例混合，混合密度为2.36g/cm3，该所述岩渣相似材料色彩突出，方便捕捉，不污染泥浆，可重复使用。
步骤S4，开展正交试验，选出第一排渣参数组合及主要排渣施工参数。
在所述步骤S4中，所述步骤S4主要包括设计正交试验方案、定义排渣效果评判指标、选出第一排渣参数组合、确定主要排渣施工参数；
所述正交试验方案采用四因素四水平的正交表，其中四因素包括泥浆黏度、注气流量、刀盘转速和风管沉没比；
所述泥浆黏度的四个水平分别为所述步骤S3中所配置的泥浆相似材料的四个水平，泥浆黏度分别为3.7mPa·s，8.7mPa·s，12.8mPa·s和18mPa·s；
所述注气流量的四个水平分别为7m3/h、8m3/h、9m3/h和10m3/h；
所述刀盘转速的四个水平分别为30r/min、40r/min、50r/min、60r/min；
所述风管沉没比的四个水平分别为0.727、0.743、0.757、0.769；
所述正交试验的设计方案见表2。
表2
所述排渣效果评判指标包括排渣效率η，排渣效率η等于排出岩渣总质量与井底钻进产生的岩渣质量之比，泥浆输送比α，泥浆输送比α等于排出岩渣总质量与泥浆排量总质量之比，气力输送比β，气力输送比β等于排出岩渣总质量与注入空气总质量之比。排渣效率η表征排渣效率、泥浆输送比α单位质量泥浆输送岩渣的能力、气力输送比β单位质量压缩空气举升岩渣的能力，计算表达式分别如下：
其中，Ms为累计排出岩渣的质量；Ml为累计排出泥浆的质量；Mg为累计输出气体的质量，D是刀盘直径，v是钻进速度，t是洗井时间，ρs是岩渣密度，
所述正交试验结果见表3。
表3
利用极差分析法对表3中的所述正交试验的试验结果数据进行分析，计算所述排渣效率、泥浆输送比和气力输送比所对应各排渣参数的均值k和极差R，见表4。
表4
根据所述表4中各排渣参数的均值及极差，选出第一排渣参数组合：泥浆黏度为A3水平12.8mPa·s、注气流量为B1水平7m3/h、刀盘转速为C4水平60r/min、风管沉没比为D4水平0.769。评选第一排渣参数的依据是：每个因素中均值k最大的水平为最优水平。
影响排渣效果的因素的显著性大小依次为：刀盘转速>注气流量>风管沉没比>泥浆黏度。
影响排渣效果的因素的显著性大小的判断依据为：极差越大，该因素水平改变对试验结果影响越大，即最显著的影响因素，取显著性排序前两个因素为主要排渣施工参数。
得出所述主要排渣施工参数为刀盘转速和注气流量。
步骤S5，单因素分析主要排渣施工参数对排渣效果的影响，选出第二排渣参数组合、第三排渣参数组合。
在所述步骤S5中，令所述第一排渣参数组合中注气流量、泥浆黏度和风管沉没比保持不变，改变所述刀盘转速分别为20r/min、30r/min、40r/min、50r/min、60r/min，单因素分析所述刀盘转速对对排渣效果的影响；
所述图2为刀盘转速对各排渣指标的影响，本着“保持井底清洁为前提，尽可能减小刀盘转速”的原则，选出第二排渣参数组合：刀盘转速为40r/min、注气流量为7m3/h、风管沉没比为0.769、泥浆黏度为12.8mPa·s。根据图2，当刀盘转速为40r/min时，排渣效率已然大于100％，满足井底清洁要求，综合考虑经济合理性和技术可行性，所以选刀盘转速为40r/min时为最优。
令所述第一排渣参数组合中刀盘转速、泥浆黏度和风管沉没比保持不变，改变所述注气流量为5m3/h、6m3/h、7m3/h、8m3/h、9m3/h，研究所述刀盘转速对对排渣效果的影响；
所述图3为注气流量对各排渣指标的影响，本着“保持井底清洁为前提，尽可能减小注气流量”的原则，选出第三排渣参数组合：刀盘转速为60r/min、注气流量为6m3/h、风管沉没比为0.769、泥浆黏度为12.8mPa·s。根据图3，当注气流量为6m3/h时，排渣效率已然大于100％，满足井底清洁要求，综合考虑经济合理性和技术可行性，所以选注气流量为6m3/h时为最优。
第一排渣参数组合：转速60r/min，注气流量7m3/h；第二排渣参数组合：转速40r/min，注气流量7m3/h，第三排渣参数组合：转速60r/min，注气流量6m3/h。风管沉没都是0.769，泥浆黏度都是12.8mPa·s。第一排渣参数组合是根据正交试验结果得来的，第二排渣参数组合和第三排渣参数组合是根据单因素分析刀盘转速和注气流量得来的。
步骤S6，对比分析正交试验和单因素分析结果，确定最终高效排渣施工参数；
所述步骤S6中，所述表5为三组排渣参数优选组合。
表5
所述三组排渣参数组合均可满足井底清洁的要求，但是考虑到经济合理性和技术可行性，最佳参数组合为第二排渣参数，刀盘转速为40r/min、注气流量为7m3/h、风管沉没比为0.769、泥浆黏度为12.8mPa·s；
将所述第二排渣参数组合转化为实际钻井现场的施工参数为刀盘转速为11.5r/min，注气流量为3500m3/h，泥浆黏度为384mPa·s，风管沉没比为0.769。
转化是指根据步骤S1中的相似常数，用最终确定的第二排参数组合分别乘以对应的刀盘转速相似常数
注气流量相似常数CQg＝500，黏度相似常数Cμ＝30(因为风管沉没比无量纲，所以现场的施工参数风管沉没比也为0.769)。
步骤S7，工程现场验证。
在所述步骤S7中，将前述获取的最优排渣参数组合应用到实际工程中，钻进效率和排渣效率均提升40％-60％。证明其所述最优排渣参数的合理性。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明公开一种钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，提供了煤矿立井钻井法气举反循环泥浆排渣施工参数的确定方法，在高效排渣施工参数确定的过程中，制作了反循环排渣的试验平台，采用泥浆粉为增黏剂、氯化钠为增重剂并与水适比例混合制备出了透明的泥浆相似材料，通过设计四因素(刀盘转速、注气流量、泥浆黏度和风管沉没比)四水平的正交试验，选出了第一排渣参数组合，确定了影响排渣效果的主要施工参数(刀盘转速和注气流量)，又采用控制变量法单因素分析了刀盘转速和注气流量对排渣的影响，选出了第二排渣参数组合和第三排渣参数组合，并对比了三组排渣参数组合，选出了第二排渣参数组合并将其转化为现场施工参数，作为最终的高效排渣参数组合，后经现场工程验证，证明了其合理性。整体来看，该方法条理清晰，步骤明确，操作简单，利用该方法可以选出合理的高效排渣施工参数，对钻井法凿井过程中刀盘转速和注气流量的设定、风管下潜深度、泥浆黏度的调配起到指导和借鉴作用，为提高业内煤矿立井钻井法排渣效果提供有益参考。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，反循环排渣系统相似模型设计；
步骤S2，制作反循环排渣试验平台；
步骤S3，制备泥浆相似材料、岩渣相似材料；
步骤S4，开展正交试验，选出第一排渣参数组合及主要排渣施工参数；
步骤S5，单因素分析主要排渣施工参数对排渣效果的影响，选出第二排渣参数组合、第三排渣参数组合；
步骤S6，对比分析正交试验和单因素分析结果，确定最终高效排渣施工参数；
步骤S7，工程现场验证。
2.根据权利要求1所述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，其特征在于，在所述步骤S1中，
所述反循环排渣系统相似模型设计包括确定相似常数和确定模型参数；
所述模型参数等于原型参数除以所述相似常数，所述原型参数是实际钻井法凿井实际参数；
所述相似常数是基于量纲分析法确定的，包括几何相似常数、运动相似常数、时间相似常数、泥浆密度相似常数和岩渣密度相似常数、注气流量相似常数和黏度相似常数。
3.根据权利要求1所述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，其特征在于，在所述步骤S2中，
所述排渣试验平台是根据所述步骤S1确定的模型参数和钻井法凿井施工条件制备的。
4.根据权利要求1所述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，其特征在于，在所述步骤S3中，
所述泥浆相似材料的制备是根据所述步骤S1中所述泥浆密度相似常数和所述泥浆黏度相似常数确定的；
所述泥浆相似材料选用氯化钠为增重剂、泥浆粉为增黏剂，并与水适比例混合配制了密度为1.05g/cm3，黏度分别为3.7mPa·s、8.7mPa·s、12.8mPavs、18mPa·s四个水平的可视化透明泥浆相似材料；
制备泥浆相似材料包括如下步骤：
步骤S31，按照配比称取计算好的氯化钠、泥浆粉和水，分别配制氯化钠溶液与泥浆粉溶液，并充分搅拌溶解，
步骤S32，将所述氯化钠溶液倒入所述泥浆粉溶液中，搅拌均匀后，通过抽水泵送入所述反循环排渣试验平台的试验腔内；
所述岩渣相似材料的制备是根据所述步骤S1中所述岩渣直径相似常数和所述岩渣密度相似常数确定的，所述岩渣相似材料选用直径为1mm～2mm，2mm～3mm，3mm～4mm的玻璃球，将所述直径3mm～4mm的玻璃球染成红色，将2mm～3mm的玻璃球染成蓝色，将1mm～2mm的玻璃球染成绿色，并按质量等比例混合，混合密度为2.36g/cm3。
5.根据权利要求1所述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，其特征在于，在所述步骤S4中，
所述步骤S4包括设计正交试验方案、定义排渣效果评判指标、选出第一排渣参数组合、确定主要排渣施工参数；
所述正交试验方案采用四因素四水平的正交表，其中四因素包括泥浆黏度、注气流量、刀盘转速和风管沉没比；
所述泥浆黏度的四个水平分别为所述步骤S3中所配置的泥浆相似材料的四个水平，泥浆黏度分别为3.7mPa·s，8.7mPa·s，12.8mPa·s和18mPa·s；
所述注气流量的四个水平分别为7m3/h、8m3/h、9m3/h和10m3/h；
所述刀盘转速的四个水平分别为30r/min、40r/min、50r/min、60r/min；
所述风管沉没比的四个水平分别为0.727、0.743、0.757、0.769；
所述排渣效果评判指标包括排渣效率η，排渣效率η等于排出岩渣总质量与井底钻进产生的岩渣质量之比，泥浆输送比α，泥浆输送比α等于排出岩渣总质量与泥浆排量总质量之比，气力输送比β，气力输送比β等于排出岩渣总质量与注入空气总质量之比，计算表达式分别如下：
其中，Ms为累计排出岩渣的质量；Ml为累计排出泥浆的质量；Mg为累计输出气体的质量，D是刀盘直径，v是钻进速度，t是洗井时间，ρs是岩渣密度，
利用极差分析法对所述正交试验的试验结果数据进行分析，计算所述排渣效率、泥浆输送比和气力输送比所对应各排渣参数的均值k和极差R；
选出第一排渣参数组合：泥浆黏度为A3水平12.8mPa·s、注气流量为B1水平7m3/h、刀盘转速为C4水平60r/min、风管沉没比为D4水平0.769；
影响排渣效果的因素的显著性大小依次为：刀盘转速>注气流量>风管沉没比>泥浆黏度；
得出所述主要排渣施工参数为刀盘转速和注气流量。
6.根据权利要求1所述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，其特征在于，在所述步骤S5中，
令所述第一排渣参数组合中注气流量、泥浆黏度和风管沉没比保持不变，改变所述刀盘转速分别为20r/min、30r/min、40r/min、50r/min、60r/min，单因素分析所述刀盘转速对排渣效果的影响；
选出第二排渣参数组合：刀盘转速为40r/min、注气流量为7m3/h、风管沉没比为0.769、泥浆黏度为12.8mPa·s；
令所述第一排渣参数组合中刀盘转速、泥浆黏度和风管沉没比保持不变，改变所述注气流量为5m3/h、6m3/h、7m3/h、8m3/h、9m3/h，研究所述刀盘转速对排渣效果的影响；
选出第三排渣参数组合：刀盘转速为60r/min、注气流量为6m3/h、风管沉没比为0.769、泥浆黏度为12.8mPa·s。
7.根据权利要求1所述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，其特征在于，所述步骤S6中，
最佳参数组合为第二排渣参数，刀盘转速为40r/min、注气流量为7m3/h、风管沉没比为0.769、泥浆黏度为12.8mPa·s；
将所述第二排渣参数组合转化为实际钻井现场的施工参数为刀盘转速为11.5r/min，注气流量为3500m3/h，泥浆黏度为384mPa·s，风管沉没比为0.769。
8.根据权利要求7所述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，其特征在于，在所述步骤S7中，
将所述第二排渣参数组合应用到实际工程中，钻进效率和排渣效率均提升40％-60％。
9.根据权利要求2所述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，其特征在于，在所述步骤S1中，
几何相似常数为12，即：
CD1＝Cd1＝CL1＝Cds＝CD2＝Cd2＝CL2＝12
CD1为刀盘直径相似常数；Cd1为风管直径相似常数；CL1为风管长度相似常数；Cds为岩渣直径相似常数；CD2为井筒直径相似常数；Cd2为排渣管直径相似常数；CL2为钻杆长度相似常数；
运动相似常数包括钻进速度相似常数
和刀盘转速相似常数/>
时间相似常数
泥浆密度相似常数和岩渣密度相似常数Cρ＝1，注气流量相似常数CQg＝500，黏度相似常数Cμ＝30。
10.根据权利要求4所述的钻井法凿井气举反循环高效排渣施工参数确定方法，其特征在于，在所述步骤S3中，
用1000ml水和80g氯化钠可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为3.7mPa·s的透明泥浆相似材料；用1000ml水、80g氯化钠和0.2g泥浆粉可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为8.7mPa·s的透明泥浆相似材料；用1000ml水、80g氯化钠和0.4g泥浆粉可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为12.8mPa·s的透明泥浆相似材料；用1000ml水、80g氯化钠和0.6g泥浆粉可制备出密度为1.05g/cm3，黏度为18mPa·s的透明泥浆相似材料。
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