摘要
本研究针对东昆仑成矿带钻井过程中环空岩屑运移问题进行了分析，重点关注了井壁扩径和钻井液漏失对携岩效率的影响。研究结果显示，井壁扩径导致环空流速降低，钻井液漏失改变了返速分布，两者均降低了岩屑上返效率。此外，岩屑的粒径、形状和比重对其沉降速度有显著影响，而钻井液的密度和流变性调整对改善携岩效果至关重要。研究提出了通过优化钻井参数（如降低机械钻速和提高钻具转速）来提高携岩效率的策略。研究成果为解决现场钻井问题提供了理论依据和实践指导，有助于提升钻井作业的效率和安全性。
Abstract
This study analyzes the problem of annular rock debris migration during drilling in the East Kunlun Metallogenic Belt, with a focus on the effects of wellbore enlargement and drilling fluid leakage on rock carrying efficiency. The research results show that wellbore enlargement leads to a decrease in annular flow velocity, and drilling fluid leakage changes the distribution of return velocity, both of which reduce the efficiency of cuttings upward flow. In addition, the particle size, shape, and specific gravity of rock cuttings have a significant impact on their settling speed, and adjusting the density and rheological properties of drilling fluid is crucial for improving rock carrying efficiency. The study proposes a strategy to improve rock carrying efficiency by optimizing drilling parameters, such as reducing mechanical drilling speed and increasing drilling tool speed. These findings provide theoretical basis and practical guidance for solving on-site drilling problems, helping to improve the efficiency and safety of drilling operations.
0 引言
青海省东昆仑成矿带矿产资源丰富，但矿区多出现强研磨性地层（高元宏等，2017），致使时效低、施工效果差等问题（董佑桓，2023）。其中钻头寿命短，钻进效率低，环空携岩问题一直很突出，因此在系统分析孕镶金刚石破碎花岗岩产生的岩屑分布特征、岩屑特性、岩屑去除机理等的基础上结合现场实际分析漏失、扩径情况下岩屑上返情况，本文通过分析各因素作用下环空携岩情况，进一步解决环空携岩问题。近年来，东昆仑成矿带的钻井研究取得了一系列进展。在岩屑运移分析方面，通过建立更为精确的沉降速度模型，能够更好地预测不同粒径岩屑在环空中的运移行为（刘成文和李兆敏，2019）。对于井壁扩径和钻井液漏失问题，通过模拟实验和现场数据分析，揭示了这些因素对环空携岩效率的具体影响，为钻井液参数优化提供了依据（刘丹婷等，2023）。同时，通过调整钻井参数，如钻压、转速和泵速，现场作业效率得到了提升，钻井液循环系统的优化也减少了环境污染。然而，现场钻井条件复杂多变，单一的模型和参数调整难以适应所有情况，需要更多针对性的研究。其次，钻井液配方的研发和优化仍需进一步的实验验证和现场测试，以确保其在不同地层条件下的适应性和有效性。
国内外在岩屑上返过程中的运移影响因素做了大量研究（Adari et al.，2000；靳鹏菠等，2012；张鑫鑫等，2023），钻进过程中影响携岩效果的因素有很多，包括环空返速、岩屑尺寸、钻井液流变性、密度，钻具转速，机械钻速，环空偏心度（刘正玉和刘希圣，1995；宋洵成等，2009；袁照永，2009；宋巍， 2013；孙超，2013；徐小龙，2013；罗强，2014；赵小军等，2019）等因素。综合矿区分析，本文将影响环空岩屑上返的因素分为 3 类：（1）环空返速，钻井液返速主要取决于泵量以及环空截面积，当钻遇地层存在松散破碎地层时，钻进过程中部分松散地层可能会出现扩径以及漏失情况，此时环空返速主要取决于漏失量以及扩径率；（2）岩屑沉降速度，岩屑自身沉降速度主要取决于岩屑尺寸、形状、密度，钻井液密度以及钻井液粘度等；（3）其他钻井因素，实际钻进过程中孔内情况复杂，机械钻速、钻杆转速以及钻柱偏心度等因素也在一定程度上会影响岩屑上返。根据矿区钻进现场存在问题，本文主要从漏失、扩径、岩屑特性、钻井液性能、机械钻速、钻具转速几个方面对岩屑上返影响因素进行系统的分析研究，以期为现场携岩问题的合理解决提供指导。
1 钻遇地层及难点
针对东昆仑成矿带的钻遇地层具有一些特定的难点，一是地层的复杂性，该区域地层可能包含多种岩石类型，如松散的沉积物、坚硬的结晶岩以及可能的断层和裂缝，这种多样性要求钻井作业必须能够适应不同的地层条件。研究区代表性地层为较为破碎的强研磨性地层，此类地层对环空返速对岩屑床的影响最为显著，随环空返速增加，岩屑床厚度大幅降低，岩屑运移速度会明显加快。主要原因在于环空返速的增加，使井筒中钻井液紊流度增大，紊流及漩涡对井壁堆积的岩屑床起到破坏作用。研究区岩心特征复杂多变，可归纳为3种典型类型：高岭土化蚀变花岗岩、中粗颗粒松散破碎的蚀变花岗岩以及相对完整的极强研磨性地层（图1）。在此类地层中钻探面临严峻挑战，主要表现为钻进效率严重受限：钻遇厚度为1 m的致密花岗岩时，钻进效率不足3.0 m/h；而在伴有永冻层冰冻、缩径坍塌、漏失等多种孔内问题的极强研磨性地层中，钻进效率不足 2.0 m/ h，钻进总进尺不足 150 m；二是在松散和破碎的地层中钻井时，井壁稳定性是一个主要问题，井壁可能因为地层的不稳定性而发生坍塌（张明明等，2024），导致钻井液漏失和井径扩大，进而影响岩屑的携带和上返；三是在多变的地层中维持有效的钻井液循环，钻井液的密度和流变性需要精确控制。钻井液需要有足够的携岩能力，同时还要防止地层坍塌和井壁失稳（朱发宪等，2014）；四是钻井效率与成本，在保证钻井安全和井壁稳定的前提下，提高钻井效率是降低成本的关键。然而，复杂的地层条件往往需要更多的时间和资源来处理钻井过程中的问题，如岩屑上返、钻头磨损和钻井液漏失等。
总结而言，复杂地层钻进的主要困难在于环空岩屑运移问题，通过不断优化钻井液配方、改进钻具设计以及采用适当的钻进技术，可以有效应对这些挑战。同时，对钻遇地层的深入研究和准确预测，将有助于制定更为有效的钻井规程。
图1研究区破碎强研磨性地层岩心照片
a—破碎易掉块强研磨性地层；b—相对完整极强研磨性地层；c、d— 破碎蚀变的极强研磨性地层
2 扩径作用下环空携岩情况
钻井液上返速度和岩屑自身沉降速度是岩屑上返的决定性因素。钻进过程中泵量给定情况下，钻井液上返速度受漏失量和环空井径变化影响。环空井径一定时漏失量增加，环空返速下降；而环空井径变化对返速影响更大，呈二次方关系，在泵量给定的情况下，钻井液的上返速度受到漏失量和环空井径变化的影响。当环空井径一定时，漏失量的增加会导致环空返速下降。在相同的漏失量下，环空井径的增加会显著提高钻井液的上返速度，从而改善岩屑的运移状况。如果井下存在漏失，可能会导致钻井液无法有效携带岩屑上返，漏失会使得环空内的流体压力降低，从而影响岩屑的运移。环空临界返速是维持岩屑连续向上运移的最小环空返速，当环空流体返速大于或等于这一返速时，井壁上不会有岩屑聚集。松散破碎地层中的井壁坍塌导致环空井径变化，对岩屑上返产生负面影响。实际钻进过程中，孔内工况复杂，坍塌扩径具有不确定性。依据现场钻遇地层情况，假定孔内除松散破碎地层外，其他地层完整性良好，均不存在坍塌扩径情况，其钻井扩径模型如图2a所示。
钻进过程中会破坏原始地下应力平衡，不足的钻井液支撑力可能导致井壁失稳和坍塌。井壁的坍塌是逐渐发展的过程，最终形成稳定的椭圆状坍塌形态（赵凯等，2016），其中椭圆面与井眼轴线垂直 （图2b），图中 O 点为井眼中心，灰色填充部分为钻杆，BC段长度为钻头直径，AD为椭圆形扩径后长轴直径。以井径扩大率来表征钻井不同位置处井眼坍塌程度，针对椭圆形扩径，井径扩大率表征形式为：
(1)
式（1）中：γ为井径扩大率（%）；DBC为钻头外径 （mm）；DAD为椭圆扩径长轴直径（mm）。
2.1 井径扩大处环空返速分布情况
环空扩径对钻井液上返流速影响很大，进一步会影响环空携岩效果。因此有必要利用Fluent流体模拟软件进一步分析环空变径处流体流速分布情况，研究影响岩屑上返的不利因素。在选择扩径率时，需要综合考虑环空流速的变化、岩屑运移特性以及井眼清洁效果。扩径率不宜过大，以免造成岩屑沉积和上返困难。合理的扩径率应确保环空流速足够高，以促进岩屑的有效上返，同时避免因扩径过大而导致的岩屑沉积问题。为此，本研究选取钻进过程中的某一典型变径段，以椭圆形变径为基础建立环空上返通道模型（图2c），分别模拟扩径率为 10%、30%、50% 时环空通道内的流速分布情况，以评估不同扩径程度对携岩效果的影响。
图2钻井环空坍塌扩径形状及变径流体通道模型示意图
a—钻井环空坍塌扩径（椭圆形扩径）纵截面形状；b—钻井环空坍塌扩径横截面形状；c—椭圆变径流体通道模型；d—椭圆变径流体通道网格划分模型
为开展数值模拟计算，首先对模型进行网格划分（图2d），随后进行求解设置。湍流模型选择 K-e 温流模型，该模型是一种广泛应用于流体力学和工程中的湍流模型，主要用于描述和预测流体中的湍流行为，此模型在复杂管流中的模拟计算中表现出良好的适应性和稳定性（余斌和陈君楷，1995）。流体壁面选择加强壁面，流体介质材料设置清水，边界条件设置为速度入口、压力出口，流体从Z轴正方向进入，流速设置为 1.2 m/s；出口设置为默认压力条件。在后处理阶段，提取径向纵断面的速度云图，并分别生成入口横截面、变径横截面、出口横截面的速度云图，以及扩径段的纵断面速度云图。
针对流体通道横截面的流速分布图，同一截面上环空中心流速较大，井壁附近流速逐渐变小（图3）；流体经过变径部位时，流速逐渐减小，且椭圆长轴部位附近存在一定范围的零流速区，且随着扩径率的增大，零流速区范围逐渐增大，流体经过变径处一定径向高度后，零流速区消失（图3b、e、h）；流体出口断面流速主要与流体通道横截面积相关，扩径率越大，出口流速越小，其中椭圆长轴与短轴部位流速分布一致（图3c、f、i）。从纵断面流速分布可看出（图4），进口流速给定情况下，未扩径段环空上返流速保持不变，在接近变径部位时呈现圆弧喷射状往各方向流动，流速降低变化趋势明显，高流速主要分布在贴近钻杆壁一侧；扩径率较小时，变径处环空流速转变分布较为均匀，当井径扩大率增加到一定程度时，环空变径处靠近井壁方向出现一定区域的零流速区域，且随着井径扩大率的增加，零流速区域横向范围以及径向区域长度都增大；流体继续上返一定高度后，零流速区域逐渐消失，环空流速分布趋于均匀。从上述分析可看出，扩径会导致环空流速降低，岩屑上返速度放缓，相比于未扩径前，粒径相对细小的岩屑可满足上返要求，稍大粒径岩屑将达不到上返要求而悬浮滞留并最终沉积于变径部位（图5）。
正常钻进过程中变径部位靠近井壁方向的零流速区域一直存在，即从泵注流体至流体循环结束，孔底破碎达不到变径后上返要求的岩屑基本都沉积在此，当流体循环结束时，松散的沉积岩屑将会垮塌，落入环空并最终沉积在孔底，下一个流体循环回次开始后，岩屑又将沉积在变径零流速区域。实际钻井过程中钻遇较为松散破碎的地层并且钻井液流变性选择不合理时，经常会出现孔内岩屑沉积情况，平均沉积厚度可达到3~6 m，对于较浅的井深，可以使用套管来解决；而对于较深的井深，可以选择护壁性能好的钻井液，并采取合理的钻进规程参数来减少井壁扩径的问题，以确保有效解决孔底携岩的问题。
图3流体通道横截面流速分布图
a—进口断面扩径10%横截面流速分布；b—变径处断面扩径10%横截面流速分布；c—出口断面扩径10%横截面流速分布；d—进口断面扩径 30%横截面流速分布；e—变径处断面扩径30%横截面流速分布；f—出口断面扩径30%横截面流速分布；g—进口断面扩径50%横截面流速分布；h—变径处断面扩径50%横截面流速分布；i—出口断面扩径50%横截面流速分布
图4流体通道纵截面流速分布
a—扩径10%纵截面流速分布；b—扩径30%纵截面流速分布；c—扩径50%纵截面流速分布
图5变径部位岩屑上返沉积示意图
2.2 扩径作用对环空携岩影响
上述分析了环空部分井段存在扩径情况时环空返速的分布变化，实际钻进过程中井内工况复杂，如果钻遇地层不是非常坚硬完整，则在钻具及钻井液扰动下，地层坍塌掉块情况很普遍，因此在分析扩径作用对环空携岩影响时，将部分地层的扩径情况均匀分布至全孔段，即假设全孔均匀扩径，进一步分析扩径对环空携岩的影响作用。
NQ钻具是 Φ76绳索取心钻具，以现场 NQ钻具的钻进参数分析扩径程度对环空上返流速的影响， NQ 钻具钻头外径为 76 mm，钻杆外径 70 mm，现场给定泵量为 60 L/min，可计算出无扩径存在时环空返速为 1.624 m/s，比对岩屑沉降速度，环空返速完全可以满足携岩要求。当孔内部分地层存在坍塌扩径情况时，给定其井径扩大率，根据式（2、3）计算扩径后环空水路面积以及环空返速（表1），并作趋势图分析其变化趋势（图6）。
表1井径扩大率对应环空面积及流速变化
环空水路面积计算公式为：
(2)
式（2）中，r 井眼为井眼的半径（m）；r 钻柱为钻柱的半径（m）。
环空返速计算公式为：
(3)
式（3）中，Q为钻井液的流量（m3 /s）。
图6环空面积及流速随井径变化趋势
结合图表分析可看出（表1，图6），随井径扩大率增加，环空面积呈线性增大趋势，环空流速呈曲线下降趋势。当井径扩大率为 5% 时，井径变化只有 4 mm，而环空返速下降至 0.75 倍原返速；当井径扩大率为15%时，井径变化11 mm，环空截面积变为原截面积的两倍，环空返速变为原流速的一半，可看出井径扩大对环空返速的影响很明显。同时可发现，当井径扩大率较小时，环空返速倍数曲线下降斜率较高，而随着井径扩大率逐渐增大，其下降趋势逐渐变缓，即初始扩径阶段，微小的井径变化都会造成环空返速很大程度上的变化，而当井径坍塌变化到一定程度，环空流速变化程度逐渐放缓。
3 钻井漏失作用下的环空携岩情况
环空返速是决定岩屑上返的一个重要因素，当钻进地层存在漏失情况时，漏失量的变化将直接导致环空返速改变，进而影响岩屑上返。东昆仑成矿带钻进现场部分地层松散破碎，钻进过程中漏失情况较为普遍，漏失存在的情况下，将会导致漏失层位上下环空返速存在差异，漏失量的选取依据需要综合考虑地层特性、钻井液性能、环空流速、压力差 （胡德高和孙伟，2022）以及钻井操作参数等多个因素。本模型以某一特定地层的特性为主要依据，暂不关注钻井液性能，假设钻井只存在单一漏失层，且除漏失层外其他钻井地层均不漏失，则钻井环空流速分布中可看出（图7），钻井泵量为 Q，钻井液上返至井深 h2过程中，地层完整性较好，钻井液流量不变，环空返速一直保持为 Vf1；井深 h2至 h1之间存在漏失层，漏失层厚度为Lt，漏失层范围内漏失曲线在各种漏失影响因素作用下变化趋势难以确定；钻井液流经漏失层后的漏失量记为 QL，则井深 h1之上环空部分钻井液流量减小，环空返速变为Vf2。在钻进过程中钻井泵量确定情况下，当钻遇地层存在漏失情况时，将直接导致环空钻井液返速的变化，漏失层段环空返速与漏失速率有关，漏失层上部环空返速由漏失量决定，同时在钻井液性能等参数确定的情况下，漏失量的变化在一定程度上直接影响返出孔口的岩屑粒径。
图7环空钻井液上返流量变化模型
3.1 环空扩径 20% 的基础上漏失作用下环空携岩情况
根据上述钻井漏失模型并结合现场钻井资料，在环空扩径 20% 的基础上进一步分析漏失作用下环空携岩情况。矿区某NQ系列钻井井深为600 m，钻井泵量为60 L/min，该井在350 m左右深度存在漏失层，漏失层厚度约为 50 m，漏失量约为 45 L/min。钻井液性能基本不变，则各粒径岩屑沉降速度基本保持恒定，且随井深变化的环空返速规律可确定。以孔口上返的岩屑粒径为基础，根据式（4）计算不同目数岩屑沉降速度，计算时钻井液密度取 1080 kg/m3，岩屑密度取2600 kg/m3，岩屑不规则系数取4，则岩屑沉降速度如表2所示。
岩屑沉降速度计算公式为：
(4)
式（4）中，Vt为岩屑沉降速度（m/s）；d 为岩屑颗粒直径（cm）；ρs为岩屑密度（kg/m³），取 2600；ρf为钻井液密度（kg/m³），取1080；Cs为岩屑不规则系数，取 4。
表2各粒径岩屑沉降速度
3.2 6 种岩屑为基础漏失作用下环空携岩情况
以6种岩屑为基础综合分析漏失存在情况下环空岩屑上返情况（图8a），从图中可看出，漏失层下段环空返速为 0.367 m/s，此时 6 种粒径岩屑沉降速度均小于环空返速，岩屑顺利上返；当岩屑上返至漏失层段时，160目、120目以及 80目岩屑沉降速度依旧小于该段环空返速，岩屑可顺利上返至孔口； 而漏失的存在致使环空返速降低，40 目、20 目以及 16目粒径岩屑沉降速度大于环空返速，此 3种粒径岩屑将不能继续上返，在环空中悬浮或逐渐下沉，逐步导致环空岩屑浓度增高。
图8不同漏失情况下岩屑粒径上返模型示意图
a—45 L/min漏失对岩屑上返影响模型示意图；b—55 L/min漏失对岩屑上返影响模型示意图；c—30 L/min漏失对岩屑上返影响模型示意图
上述分析的是45 L/min漏失量情况下环空岩屑上返情况，部分岩屑可顺利上返，部分岩屑在漏失作用下不能顺利返出孔口而悬浮在环空中。进一步分析 55 L/min（图8b）及 30 L/min（图8c）漏失情况下岩屑上返情况，可发现当钻井漏失量为 55 L/min 时，6种粒径岩屑均不能顺利上返而悬浮在环空中； 当钻井漏失量为 30 L/min 时，漏失的存在对 6 种粒径岩屑无较大影响，均可顺利返出孔口。综合分析可看出，在钻井泵量以及钻井液性能确定的情况下，孔口上返的岩屑粒径大小将直接由漏失量决定。
3.3 不同漏失作用下环空携岩情况
进一步分析现场环空扩径与漏失共同作用下的岩屑分布情况，分析10%、30%、50%扩径作用下，漏失量为 30 L/min、45 L/min、55 L/min 时环空携岩情况（图9），可发现不同漏失量与扩径率结合情况下，各种岩屑粒径上返差异明显，在岩心钻探领域小孔径钻井过程中，环空间隙较小，因此环空扩径对岩屑上返的影响程度要高于钻井漏失的影响。
钻头碎岩产生的岩屑呈单峰值分布形式，环空返速将决定各粒径尺寸岩屑是否能顺利上返，而漏失的存在直接影响钻井液环空流速的变化，上返岩屑的粒径尺寸此时取决于漏失量，因此漏失量是影响环空携岩的一个重要因素。现场一般会采取随钻堵漏的方法解决漏失问题，但是现场钻进地层及裂缝发育情况只能根据采取的岩心进行分析预测，在孔内情况不明确的情况下进行的堵漏工作效果不是很明显；漏失存在情况下会对岩屑上返造成一定影响，致使漏失层上部环空岩屑浓度偏高以及孔底岩屑沉积情况，现场回次开钻时一般采用大排量冲孔的方法处理孔底岩屑沉积层，而较大排量冲孔的方法不利于孔壁稳定性，且在一定程度上影响堵漏效果，进一步加剧下一回次过程中环空携岩情况。
4 环空携岩其他影响因素分析
4.1 岩屑特性的影响
根据微钻实验观察，金刚石钻头碎岩产生的岩屑呈单峰值分布，形状和粒径存在差异。在电子显微镜下观察，岩屑颗粒基本为单种矿物，很少出现混杂情况。不同岩石矿物之间的岩屑颗粒存在差异，如长石岩屑多呈块状、柱状，石英岩屑多为板状或多角状，黑云母岩屑多为片状，其他岩石矿物岩屑呈不规则形状。针对上述分析，研究对比花岗岩中长石、石英、黑云母3种主要矿物岩屑的沉降速度 （表3）。
图9不同扩径率及漏失量作用下各粒径岩屑上返情况
a—10%扩径率；b—30%扩径率；c—50%扩径率
在岩屑沉降速度公式的基础上确定其他参数不变进行计算，并做图分析对比不同矿物颗粒沉降速度变化趋势（图10a），岩屑沉降速度随岩屑粒径的减小而减小，岩屑粒径从100目（0.15 mm）减小至 300目（0.048 mm）时，沉降速度降低为原来的一半，即颗粒尺寸较细的岩屑沉降速度较低，相同环空返速条件下较易上返。图中长石、石英、黑云母矿物颗粒沉降速度存在一定差别，长石矿物比重较大，不规则程度较低，粒径相同的情况下长石矿物颗粒沉降速度最大；黑云母矿物比重最大，岩屑颗粒形状与球形颗粒差异较大，不规则程度最大，形状系数最小，因此其岩屑颗粒沉降速度最小。石英沉降速度次于长石而高于黑云母。同时随着岩屑粒径的减小，不同矿物的沉降速度间距也逐渐变小，但减小幅度较小。
表3不同矿物颗粒参数
分析同一种矿物岩屑颗粒不同粒径不同形状系数所对应的岩屑沉降速度变化趋势（图10b），从图中可看出，矿物颗粒粒径100目左右时，形状系数 0.4 时（扁平型），颗粒沉降速度为 0.011 m/s，形状系数为 0.8时（多角形），颗粒沉降速度为 0.022 m/s，形状系数对岩屑颗粒的沉降速度影响显著；随着岩屑粒径的减小，沉降速度逐渐降低，且不同形状系数之间所对应的沉降速度差值呈现降低趋势，即岩屑粒径相对很小时，形状系数对沉降速度的影响将变得微弱。
从环空岩屑浓度计算公式（5、6）中可看出岩屑粒径尺寸对环空岩屑上返也有重要影响。不同岩屑粒径尺寸沉降速度不同，在相同钻井液环空返速的作用下会呈现不同的携岩效果；金刚石钻头破碎岩石产生的岩屑呈单峰值分布，为确保环空清洁，环空返速通常要高于峰值附近的岩屑沉降速度。
环空岩屑浓度计算公式为：
(5)
式（5）中，Qc为单位时间内进入环空的岩屑质量流量（kg/s）；Qa为环空内钻井液的体积流量（m3 /s）。
(6)
式（6）中，di为第 i 个粒度区间内岩屑颗粒的平均粒径（m）；νi为第 i个粒度区间内岩屑颗粒对应的钻进速度（m/s），一般可根据实际钻进情况或经验确定；ρ为岩石的密度（kg/m3）；fi为第i个粒度区间内岩屑颗粒的质量分数，即该区间内岩屑质量占总岩屑质量的比例，满足。
岩屑特性对环空携岩的影响主要体现在岩屑粒径尺寸以及形状方面，岩屑矿物类型一般影响较小。在钻进现场漏失普遍且泵量较小的非常规钻进情况下，可从岩屑角度分析解决问题，尽量使碎岩产生的岩屑粒径尺寸偏细，同等泵量情况下孔底及环空岩屑可较好的返出地面。在微钻实验部分分析钻压以及转速等钻进参数以及钻头底唇面金刚石粒度、浓度等参数对碎岩产生的岩屑粒径的影响，证实其具有现场可操作性。从岩屑粒径尺寸角度分析，其对环空携岩问题的影响程度较大，且基本不存在其他影响钻进效率的问题。
图10不同矿物、粒径形状系数的沉降速度变化趋势
a—不同矿物颗粒沉降速度变化趋势；b—不同粒径不同形状系数的沉降速度变化趋势
4.2 钻井液性能影响
钻井液密度对岩屑沉降速度有直接影响，从岩屑沉降速度计算公式（式7）可以直观的反映出钻井液密度与岩屑沉降速度关系，当其他参数保持不变时，增加钻井液密度会减小岩屑的沉降速度，进而有利于环空中岩屑的上升。高密度的钻井液能够更有效地拖拽岩屑并将其悬浮在液体中，在一定程度上平衡地应力，防止井壁坍塌和固相含量增加，从而促进岩屑的运移。前提是钻井液密度要保持在适当范围内。
岩屑沉降速度计算公式为：
(7)
式（7）中，g 为重力加速度，通常取 g=9.81 m/s2； ρs为岩屑颗粒的密度（kg/m3）；ρ为钻井液的密度（kg/ m3）；d为岩屑颗粒的粒径（m）、μ为钻井液的动力黏度（Pa·s）。
钻井液流变性的影响主要在于改变钻井液的黏度。不同的钻井液黏度会导致岩屑沉降阻力系数的变化，进而影响岩屑的沉降和环空中的岩屑上升。在层流流动状态下，钻井液的动塑比对岩屑运移影响较大。通常情况下，当环空返速较低且钻具不旋转时，动塑比对携带岩屑的效果影响显著，较高的动塑比会减小井底沉积岩屑和环空岩屑的浓度。然而，当环空返速较高且钻具旋转时，动塑比对携带岩屑的影响相对较小。
4.3 机械钻速影响
高速钻进会导致钻头破碎岩屑量增加，使环空中岩屑浓度上升。同时，减慢或停止环空液体循环会导致岩屑沉淀在井底，形成较厚的岩屑堆积，增加了清除作业的时间和复杂性，对钻头寿命造成不利影响。因此，机械钻速在一定程度上影响钻井液携岩效果。
4.4 钻具转速影响
钻具转速对钻井液携岩效果产生重要影响。旋转钻具可以增强环空液流的紊流性，使得钻井液不再仅以轴向流动，而形成螺旋流。这种周向流速对岩屑颗粒具有举升力，使更多的岩屑被带入高速液流区域。同时，钻具的旋转还能搅动井底积聚的岩屑，加强钻井液的冲刷作用，便于岩屑的返出。因此，钻具转速的调整可以提高钻井液携岩效果，确保井底清洁。
5 结论
综合上述分析，在东昆仑成矿带的钻井作业中，建议综合考虑以下因素，有效控制钻井液环空返速：
（1）优化钻压和转速：增加钻压可以提高钻头的切削能力，从而产生更小粒径的岩屑。较小的岩屑粒径有助于提高其悬浮性，减少沉降速度。岩屑粒径从 100 目（0.15 mm）减小至 300 目（0.048 mm） 时，沉降速度降低为原来的一半，具体来说，岩屑粒径越小，其沉降速度越低，便于钻井液携带至环空； 提高钻头的转速会增加岩屑的运移速度，钻柱转速的增加会导致岩屑运移的临界流速增大，从而提高岩屑的清除效率。
（2）调整钻井液性能：增加钻井液的流速同样能够提高岩屑的运移效率，随着钻井液流速的提升，岩屑的运移速度也会同比例增加，足够的水力能量对于提高岩屑的运移效率至关重要。
（3）控制环空返速：根据东昆仑现场钻井作业参数可计算出无扩径存在时环空返速为 1.624 m/s，扩大率5%时，井径变化4 mm，环空返速降至0.75倍原返速；扩大率 15% 时，井径变化 11 mm，环空截面积翻倍，返速变为原流速一半。且扩大率较小时，返速倍数曲线下降斜率高，随扩大率增大，下降趋势变缓；环空扩径对环空返速同样有显著影响，特别对于孕镶金刚石钻井更为重要。通过合理调整钻具转速，可改变碎岩产生的岩屑粒径，并影响岩屑返出孔口的机率，同时可能改变岩屑上返通道的条件，使钻井液呈螺旋流状态携岩上返。
（4）监测井壁稳定性：在调整钻井液物性时，需实时监测井壁的稳定性，避免因流体性质变化导致的井壁失稳。