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摘 要：地层水实现孔内局部循环钻进是经济、环保的好方法，适用于我国西部干旱地区。在文章中主要探讨了西部干旱地区节水钻探的新思路及其配套技术。
关键词：西部干旱地区;节水钻探;新思路;配套技术
钻探过程需要消耗大量的地表水。为解决干旱地区工程型缺水的问题，提出了基于孔内地层水局部循环的节水钻探新思路;论述了以脉动器和潜水柱塞泵为主的节水钻探关键技术及其结构设计和参数设计;研讨了开发配套技术的必要性，提出了解决管线刚度和气泡问题、提高吸水效率、对反向行程水击的补偿等6项配套技术。
一、提出研究问题
（一）中国水资源的特点
中国虽然具有丰富的淡水资源，但是由于我国人口总量极大，对于淡水资源的人均年占有量极其低，远远落后于世界平均水平，属于严重缺水的发展中国家。此外，我国的水资源在空间方面的分部具有不均匀的特点。在空间方面，淡水资源主要分布的地区是长江流域一带及其以南的地方。目前，水资源短缺的问题已经严重的制约了我国社会经济与环境的可持续发展。
（二）解决工程性缺水的必要性
通常情况下，缺水的类型包括三种类型：资源型、水质型、工程型。利用钻井技术来获取地下水，从而缓和资源性缺水的问题以及水质性缺水的问题。但是钻井的过程中会遇到多方面的工程问题，而这些问题都需要消耗大量的地表水，例如，对钻头进行冷却，维护孔壁等。
在我国西部干旱半干旱的地区，地表极为干旱，基本没有地表水的存在，地下水潜不漏水的情况也极为常见。在这些干旱半干旱地区，采用传统的钻探技术来进行施工的时候，需要使用配套水灌车来进行拉水，由此，解决工程型缺水的问题已经迫在眉睫。近年来，针对工程性缺水的问题的解决方法主要是空气泡沫钻进技术，该种传统的技术需要配备多种机械设备，包括了空压机、泡沫泵、地表采样分离设备等等，需要一次性投入大量成本，同时该种技术所使用的发泡剂会严重的影响当地的生态环境与地下水，在长江黄河一带的地区是不能够通过这种技术来解决工程型缺水问题的。也正因为如此，空气泡沫钻进技术尚未得到广泛的推广。
（三）提出节水钻探新思路--孔内局部循环
我国西部干旱半干旱地区虽然普遍呈现地表缺水、地下浅部漏水的情况，但是该地区地下深部有水，对这个特点进行的充分考虑与利用，通过孔内局部循环来对钻头进行冷却，对岩粉进行排除，从而达到有效节水的目的。孔内局部循环的节水钻探技术可以有效的节省设备的投入成本，而且避免了对环境造成严重的污染，具有经济性以及环保性。基于该种节水钻探技术的新思路，可以对其钻具以及相关的配套技术进行创新与设计，改造传统的普通的钻探设备，可以实现显著的节水效果，不但可以有效地提高了钻探作业的效率，而且还不会对底层造成扰动。
二、现有节水钻探技术的问题
无泵式方法最为简单而且对地下水的消耗量最小，但是钻进的过程中需要频繁的提升钻具，才可以达到孔底局部反循环的目的，但是却增加了孔内事故发生的机率，钻进的作业效率比较低。
对于不需要消耗地表水的地方，需要时用离心泵和轴流泵等设备，具有一定程度的复杂性。
喷嘴式钻进需要开大泵量钻进，不适用西部干旱地区。
如果孔内存在地层水，那么可以通过地表钻探泵来提供水利脉冲带动潜水泵柱塞，形成孔底局部循环，不仅提高了钻探作业效率，而且避免了污染生态环境。
三、节水钻探新思路--孔内局部循环
（一）实现孔底冲洗液局部循环的原则
（1）在钻进的过程中应当对地表水的通道和地层水进行完全的隔离，避免浅部孔壁出现漏水，影响了孔底循环，可以有效地减少地表水的消耗。
（2）在通过孔内潜水泵进行作业的时候，应当保证参与循环的地层水具有足够的流量与压力，同时能够满足反向循环过程中对水击现象进行补偿的要求。
（二）脉动器的结构设计
脉动器的主要作用在于，替代地表钻探泵出水阀，让少量的地表水在地表泵缸套以及孔内潜水泵上方的管线得以循环利用，在钻进的过程中，地表水没有参与到孔底的循环，仅仅提供了水力脉冲。
脉动器的工作原理如下：脉动器相当于增压阀，在增压阀体上设置有弹簧压紧的水阀座，在中心通道上则设置了反向阀，也被弹簧压紧。在进入作业状态的时候，对潜水泵进行串联，接在中下部位的入钻孔，潜水泵全部在底层水下面。地表钻探活塞1吸取水池里的水，然后经过高压管、水龙头、钻杆柱，到达潜水泵6.等待高压管和潜水泵都充满水后，活塞1在工作的过程中可以带动缸内的水压作用促使脉动器提升，把弹簧14进行压缩，向高压管压出流体，然后促使潜水泵进行作业，让地层水在钻孔内形成局部的循环。此时的脉动器反向阀被压住，紧靠着衬套17的下方。随着活塞1进行反向行程的时候，缸内的压力有所下降，潜水泵的弹簧得到回复，加上受到底层水位的静压水头的作用，高压管的承压液体促使反向阀打开，让承压液体进入缸内。在活塞的后续工作中，存在一些液体压向潜水泵，当反向行程开始的时候，液体又会重新回到地表钻探泵，如此循环作业。活塞的每次作业只有在高压管的压力比大气压力大，才可以促动潜水泵，从而保证孔内循环的周而复始。此外，再钻进的时候，应当充分考虑到地质条件、技术条件，对地表钻探泵的冲次进行调整，从而调节孔内液体局部循环的流量。
（三）节水钻探的配套技术
1. 如何解决高压管刚度与气泡的问题
地表脉冲器的压力脉冲会沿着高压罐进行传输，在这个过程中，高压管长度越长，潜水泵工作柱塞的行程越短。由此可见随着水力脉冲的传输，高压液在高压管腔内需要消耗大量的能量，只有极少的部分用来驱动潜水泵柱塞。所以选择的高压管应当带有2-3层内钢丝编织层的铠装。
如果高压管中存在空气，气泡被压缩起到弹簧的作用，会把水力脉冲的多数能量吸收，为了避免这种情况，通过专门设计的排气法可以解决这个问题。把受到压缩的空气排出水池。如果压力表显示数值下降，可以通过拉动手把对杠杆进行控制，强行把空气排出去。
2. 如何提高吸水效率
一般情况下，潜水泵的吸水阀门和排水阀门在离心力的作用下不能保持平衡，为了避免这种情况发生，可以把这两个阀门设计在回转轴线上。当潜水泵不能够回转的时候，管外液体会受到反作用力而吸入泵腔内，潜水泵和钻杆统统回转的时候会受到离心力的影响，应当把潜水泵的吸入通道设计成迎着速度水头的切向通道，如此以来，就可在同等条件下吸入更多的液体，有效的提高了潜水泵的吸水作业效率。
3. 如何补偿潜水泵柱塞反向行程水击
在柱塞杆上所套有的弹簧受到上下支撑盘的定位。在结构的设计上保留了下支撑盘的上移空间，当柱塞进入反向行程的时候，工作弹簧发生弹性压缩作用力，吸收水击的能量，保持了潜水泵的作业稳定性。
四、结语
综上所述，中国属于严重缺水国家，利用地层水实现孔内局部循环钻进是经济、环保的好方法，生产试验表明借助中俄合作开发的节水钻探新思路，达到了既节水5-20倍，又不擾动地层，还能提高钻探效率的目的。
参考文献
[1] 卢春华，蒋国盛，鄢泰宁.新型节水钻探关键技术及其应用[J].煤田地质与勘探，2009（06）.
[2] 蒋国盛，鄢泰宁，王荣璟，张涛，卢春华.火星浅层钻探和取样技术分析[J].地质科技情报，2008（01）.
[3] 卢春华，鄢泰宁，Н.Г.叶戈罗夫，蒋国盛，吴翔.节水型液动冲击器及风动钢球冲击器研究[J].吉林大学学报（地球科学版），2007（04）.
[4] 卢春华，鄢泰宁，Н.Г.叶戈罗夫，蒋国盛，吴翔.节水钻探新技术及球体冲击器研究[J].地质与勘探，2006（02）.
关键词：西部干旱地区;节水钻探;新思路;配套技术
钻探过程需要消耗大量的地表水。为解决干旱地区工程型缺水的问题，提出了基于孔内地层水局部循环的节水钻探新思路;论述了以脉动器和潜水柱塞泵为主的节水钻探关键技术及其结构设计和参数设计;研讨了开发配套技术的必要性，提出了解决管线刚度和气泡问题、提高吸水效率、对反向行程水击的补偿等6项配套技术。
一、提出研究问题
（一）中国水资源的特点
中国虽然具有丰富的淡水资源，但是由于我国人口总量极大，对于淡水资源的人均年占有量极其低，远远落后于世界平均水平，属于严重缺水的发展中国家。此外，我国的水资源在空间方面的分部具有不均匀的特点。在空间方面，淡水资源主要分布的地区是长江流域一带及其以南的地方。目前，水资源短缺的问题已经严重的制约了我国社会经济与环境的可持续发展。
（二）解决工程性缺水的必要性
通常情况下，缺水的类型包括三种类型：资源型、水质型、工程型。利用钻井技术来获取地下水，从而缓和资源性缺水的问题以及水质性缺水的问题。但是钻井的过程中会遇到多方面的工程问题，而这些问题都需要消耗大量的地表水，例如，对钻头进行冷却，维护孔壁等。
在我国西部干旱半干旱的地区，地表极为干旱，基本没有地表水的存在，地下水潜不漏水的情况也极为常见。在这些干旱半干旱地区，采用传统的钻探技术来进行施工的时候，需要使用配套水灌车来进行拉水，由此，解决工程型缺水的问题已经迫在眉睫。近年来，针对工程性缺水的问题的解决方法主要是空气泡沫钻进技术，该种传统的技术需要配备多种机械设备，包括了空压机、泡沫泵、地表采样分离设备等等，需要一次性投入大量成本，同时该种技术所使用的发泡剂会严重的影响当地的生态环境与地下水，在长江黄河一带的地区是不能够通过这种技术来解决工程型缺水问题的。也正因为如此，空气泡沫钻进技术尚未得到广泛的推广。
（三）提出节水钻探新思路--孔内局部循环
我国西部干旱半干旱地区虽然普遍呈现地表缺水、地下浅部漏水的情况，但是该地区地下深部有水，对这个特点进行的充分考虑与利用，通过孔内局部循环来对钻头进行冷却，对岩粉进行排除，从而达到有效节水的目的。孔内局部循环的节水钻探技术可以有效的节省设备的投入成本，而且避免了对环境造成严重的污染，具有经济性以及环保性。基于该种节水钻探技术的新思路，可以对其钻具以及相关的配套技术进行创新与设计，改造传统的普通的钻探设备，可以实现显著的节水效果，不但可以有效地提高了钻探作业的效率，而且还不会对底层造成扰动。
二、现有节水钻探技术的问题
无泵式方法最为简单而且对地下水的消耗量最小，但是钻进的过程中需要频繁的提升钻具，才可以达到孔底局部反循环的目的，但是却增加了孔内事故发生的机率，钻进的作业效率比较低。
对于不需要消耗地表水的地方，需要时用离心泵和轴流泵等设备，具有一定程度的复杂性。
喷嘴式钻进需要开大泵量钻进，不适用西部干旱地区。
如果孔内存在地层水，那么可以通过地表钻探泵来提供水利脉冲带动潜水泵柱塞，形成孔底局部循环，不仅提高了钻探作业效率，而且避免了污染生态环境。
三、节水钻探新思路--孔内局部循环
（一）实现孔底冲洗液局部循环的原则
（1）在钻进的过程中应当对地表水的通道和地层水进行完全的隔离，避免浅部孔壁出现漏水，影响了孔底循环，可以有效地减少地表水的消耗。
（2）在通过孔内潜水泵进行作业的时候，应当保证参与循环的地层水具有足够的流量与压力，同时能够满足反向循环过程中对水击现象进行补偿的要求。
（二）脉动器的结构设计
脉动器的主要作用在于，替代地表钻探泵出水阀，让少量的地表水在地表泵缸套以及孔内潜水泵上方的管线得以循环利用，在钻进的过程中，地表水没有参与到孔底的循环，仅仅提供了水力脉冲。
脉动器的工作原理如下：脉动器相当于增压阀，在增压阀体上设置有弹簧压紧的水阀座，在中心通道上则设置了反向阀，也被弹簧压紧。在进入作业状态的时候，对潜水泵进行串联，接在中下部位的入钻孔，潜水泵全部在底层水下面。地表钻探活塞1吸取水池里的水，然后经过高压管、水龙头、钻杆柱，到达潜水泵6.等待高压管和潜水泵都充满水后，活塞1在工作的过程中可以带动缸内的水压作用促使脉动器提升，把弹簧14进行压缩，向高压管压出流体，然后促使潜水泵进行作业，让地层水在钻孔内形成局部的循环。此时的脉动器反向阀被压住，紧靠着衬套17的下方。随着活塞1进行反向行程的时候，缸内的压力有所下降，潜水泵的弹簧得到回复，加上受到底层水位的静压水头的作用，高压管的承压液体促使反向阀打开，让承压液体进入缸内。在活塞的后续工作中，存在一些液体压向潜水泵，当反向行程开始的时候，液体又会重新回到地表钻探泵，如此循环作业。活塞的每次作业只有在高压管的压力比大气压力大，才可以促动潜水泵，从而保证孔内循环的周而复始。此外，再钻进的时候，应当充分考虑到地质条件、技术条件，对地表钻探泵的冲次进行调整，从而调节孔内液体局部循环的流量。
（三）节水钻探的配套技术
1. 如何解决高压管刚度与气泡的问题
地表脉冲器的压力脉冲会沿着高压罐进行传输，在这个过程中，高压管长度越长，潜水泵工作柱塞的行程越短。由此可见随着水力脉冲的传输，高压液在高压管腔内需要消耗大量的能量，只有极少的部分用来驱动潜水泵柱塞。所以选择的高压管应当带有2-3层内钢丝编织层的铠装。
如果高压管中存在空气，气泡被压缩起到弹簧的作用，会把水力脉冲的多数能量吸收，为了避免这种情况，通过专门设计的排气法可以解决这个问题。把受到压缩的空气排出水池。如果压力表显示数值下降，可以通过拉动手把对杠杆进行控制，强行把空气排出去。
2. 如何提高吸水效率
一般情况下，潜水泵的吸水阀门和排水阀门在离心力的作用下不能保持平衡，为了避免这种情况发生，可以把这两个阀门设计在回转轴线上。当潜水泵不能够回转的时候，管外液体会受到反作用力而吸入泵腔内，潜水泵和钻杆统统回转的时候会受到离心力的影响，应当把潜水泵的吸入通道设计成迎着速度水头的切向通道，如此以来，就可在同等条件下吸入更多的液体，有效的提高了潜水泵的吸水作业效率。
3. 如何补偿潜水泵柱塞反向行程水击
在柱塞杆上所套有的弹簧受到上下支撑盘的定位。在结构的设计上保留了下支撑盘的上移空间，当柱塞进入反向行程的时候，工作弹簧发生弹性压缩作用力，吸收水击的能量，保持了潜水泵的作业稳定性。
四、结语
综上所述，中国属于严重缺水国家，利用地层水实现孔内局部循环钻进是经济、环保的好方法，生产试验表明借助中俄合作开发的节水钻探新思路，达到了既节水5-20倍，又不擾动地层，还能提高钻探效率的目的。
参考文献
[1] 卢春华，蒋国盛，鄢泰宁.新型节水钻探关键技术及其应用[J].煤田地质与勘探，2009（06）.
[2] 蒋国盛，鄢泰宁，王荣璟，张涛，卢春华.火星浅层钻探和取样技术分析[J].地质科技情报，2008（01）.
[3] 卢春华，鄢泰宁，Н.Г.叶戈罗夫，蒋国盛，吴翔.节水型液动冲击器及风动钢球冲击器研究[J].吉林大学学报（地球科学版），2007（04）.
[4] 卢春华，鄢泰宁，Н.Г.叶戈罗夫，蒋国盛，吴翔.节水钻探新技术及球体冲击器研究[J].地质与勘探，2006（02）.