貴州復(fù)雜地層深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)設(shè)備機(jī)具配置的探討

趙華宣，王玉軍，張　平，曾遠(yuǎn)明，陳　浩，蘇　寧

（貴州省地礦局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義563000）

貴州復(fù)雜地層深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)設(shè)備機(jī)具配置的探討

趙華宣*，王玉軍，張平，曾遠(yuǎn)明，陳浩，蘇寧

（貴州省地礦局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義563000）

結(jié)合空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在貴州復(fù)雜地層深井應(yīng)用，介紹了深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)設(shè)備機(jī)具的組合配置及鉆進(jìn)效率，分析總結(jié)了復(fù)雜地層、大井徑深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)對設(shè)備機(jī)具配置的要求，認(rèn)為合理的設(shè)備機(jī)具配置可有效提高井效率、是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地層深井空氣潛孔錘高速、安全鉆井必備條件。

復(fù)雜地層；深井；潛孔錘鉆進(jìn)；設(shè)備機(jī)具；合理配置

貴州省地?zé)豳Y源十分豐富，埋藏深度多在2000m左右，但地?zé)豳Y源勘探起步較晚，新工藝應(yīng)用研究不足，鉆井技術(shù)主要以牙輪正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆井周期長、效率和效益偏低，制約了地?zé)徙@井業(yè)的發(fā)展和地?zé)豳Y源的開發(fā)利用。為加快開發(fā)地下資源利用進(jìn)程，貴州省提出了“246”找礦計(jì)劃和“5個(gè)100工程”及建溫泉省、公園省的戰(zhàn)略目標(biāo)，亟需加快深井鉆井新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用研究，以此，進(jìn)行了復(fù)雜地層深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用研究，以提高深井鉆井能力和鉆井效率。

貴州省屬典型的喀斯特地區(qū)、地層復(fù)雜，深井鉆遇地層結(jié)構(gòu)為碳酸巖與碎屑巖相互重疊。碳酸巖地層溶蝕裂隙發(fā)育、軟弱夾層多、鉆進(jìn)中漏風(fēng)、涌水大（淺表層尤為嚴(yán)重），加桿時(shí)氣壓力大、排余氣時(shí)間長；碎屑巖的泥頁巖穩(wěn)定性欠佳、鉆進(jìn)中多見超徑、井壁掉塊、垮塌等不良現(xiàn)象。不同地層、井徑、深度對設(shè)備機(jī)具的配置要求不一，為探索復(fù)雜地層深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)對設(shè)備機(jī)具配置要求及規(guī)律，在3口地?zé)嵘罹牟煌貙印⒕畯?、深度進(jìn)行了空氣潛孔錘鉆進(jìn)設(shè)備機(jī)具配置研究。

1　試驗(yàn)井設(shè)備機(jī)具配置組合情況

試驗(yàn)井設(shè)備配置組合：試驗(yàn)井地層有溶蝕裂隙發(fā)育、涌水的碳酸巖地層和穩(wěn)定性欠佳的碎屑巖層，試驗(yàn)井段?216mm～?406mm，最大試驗(yàn)深度1193.26m，試驗(yàn)設(shè)備組合為2～3臺空壓機(jī)及增壓機(jī)。試驗(yàn)井設(shè)備配置組合及鉆進(jìn)情況見表1。

存在的問題：從表1數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)中因設(shè)備調(diào)配數(shù)量、損壞等設(shè)備因素，在不計(jì)復(fù)雜井況耗損時(shí)大井徑段供風(fēng)量不足，加上地層涌水、超徑、溶蝕裂隙漏風(fēng)等影響，井內(nèi)實(shí)際上返風(fēng)速較計(jì)算值小，致鉆速偏低影響鉆進(jìn)效果，但鉆速較常規(guī)工藝（統(tǒng)計(jì)鉆速為0.8～1.2m/h）明顯提高，實(shí)現(xiàn)鉆井效率的提升。

2　試驗(yàn)井機(jī)具配置組合情況

2.1試驗(yàn)井特殊機(jī)具

試驗(yàn)井空氣潛孔錘鉆進(jìn)施工中，無水地層鉆進(jìn)灰塵大影響周邊環(huán)境和作業(yè)人員健康；涌水的碳酸巖層、井深和增壓機(jī)增壓，鉆具內(nèi)空氣量大、壓力大，加桿排余氣時(shí)間長致輔助時(shí)間增加，同時(shí)巖溶裂隙漏風(fēng)影響排渣效果及碎屑巖地層隨井深增大的供風(fēng)量加大了井壁的沖刷而影響穩(wěn)定和超徑段影響排渣效果。試驗(yàn)井中使用特殊機(jī)具如下：

（1）井口密封除塵裝置：鉆進(jìn)無水的碳酸巖地層、碎屑巖層，鉆進(jìn)中灰塵大，影響周邊環(huán)境和人員健康，鉆井設(shè)備底座（操作平臺）高度多在3m以內(nèi)，在井管上連接簡易井口密封除塵裝置（圖1），除塵時(shí)連接抽水泵注水除塵，注水量根據(jù)鉆進(jìn)速度將鉆進(jìn)產(chǎn)生的灰塵完全除去，一般8～10m3/h。

（2）單向閥：防止鉆具內(nèi)空氣逆向流動(dòng)，加在鉆具上可有效防井底余屑上返堵塞潛孔錘及減少加桿排氣降壓、起壓時(shí)間，縮減輔助工作時(shí)間和潛孔錘堵塞故障的發(fā)生。

表1　試驗(yàn)井設(shè)備配置及空氣潛孔錘鉆進(jìn)情況

（3）旁通閥：空氣潛孔錘鉆井隨著井深的增加及鉆遇復(fù)雜情況（井內(nèi)涌水、裂隙漏風(fēng)、井壁輕微掉塊）需增加供風(fēng)量，供風(fēng)量的增加使?jié)摽族N風(fēng)量過盈致潛孔錘非正常磨損、減少其使用壽命及增大井壁沖刷加劇欠穩(wěn)定井段失穩(wěn)；同時(shí)復(fù)雜井況使局部井段排屑困難，在鉆具一定位置設(shè)旁通閥，滿足潛孔錘正常工作外的余氣從旁邊通眼返出，從而實(shí)現(xiàn)防風(fēng)量過盈磨損潛孔錘、減弱井壁沖洗和接力排屑。

2.2試驗(yàn)井機(jī)具組合及效果

鉆進(jìn)中機(jī)具組合主要根據(jù)鉆井地層、井徑、井深進(jìn)行組合，各井段機(jī)具組合如下：

（1）?406mm井段鉆具組合：?406mm錘頭+ TS12沖擊器+?203mm鉆鋌（2柱）+?127mm鉆桿（1單根）+單向閥（NC50）+?127mm鉆桿（若干）+單向閥（NC50）+主桿。

（2）?315mm/?320mm井段鉆具組合：?315mm （?320mm）錘頭+TS12沖擊器+?203mm鉆鋌（2柱）+ ?127mm鉆桿（1單根）+旁通閥（NC50）+?127mm鉆桿（1單根）+單向閥（NC50）+?127mm鉆桿（若干）+旁通閥（NC50）+?127mm鉆桿（若干柱）+單向閥+主桿。

圖1　井口裝置圖

（3）?216mm/?220mm井段鉆具組合：?216mm （?220mm）錘頭+TS8沖擊器+?165mm鉆鋌（3～4柱）+?89mm鉆桿（1單根）+旁通閥（NC38）+?89mm鉆桿（1單根）+單向閥（NC38）+?89mm鉆桿（若干）+旁通閥（NC38）+?89mm鉆桿（若干柱）+單向閥（NC38）+主桿。

機(jī)具組合效果：鉆進(jìn)試驗(yàn)井中，使用單向閥縮減加桿排氣（起壓）時(shí)間和減少潛孔錘堵塞事故、有效減少輔助工作時(shí)間，使用旁通閥減弱驟增風(fēng)量對井壁的沖刷和接力排渣，使用井口密封除塵裝置保護(hù)了工作環(huán)境，通過有效的機(jī)具組合實(shí)現(xiàn)了高效環(huán)保鉆進(jìn)。

3　復(fù)雜地層深井設(shè)備配置組合

空氣潛孔錘鉆進(jìn)設(shè)備組合為空壓機(jī)（增壓機(jī)）組合及附屬設(shè)備，空壓機(jī)（增壓機(jī)）組合形式取決深井鉆井所需的風(fēng)量及風(fēng)壓，復(fù)雜地層鉆進(jìn)多遇溶蝕裂隙涌水漏風(fēng)、軟弱夾層掉塊、超徑、垮塌等復(fù)雜井徑，設(shè)備的配置組合應(yīng)滿足井徑、井深及復(fù)雜井況對供風(fēng)量和風(fēng)壓的要求。風(fēng)量和風(fēng)壓需綜合井徑、井深及可能出現(xiàn)的地層涌水、軟弱層超徑帶來的能量損耗等因素，風(fēng)量、風(fēng)壓計(jì)算見式（1）、式（2）得出參考值，再根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

風(fēng)量計(jì)算式：

式中：Q——風(fēng)量，m3/min；

k1——孔深修正系數(shù)，隨著孔深增加，環(huán)狀間隙壓力損失增大，導(dǎo)致流量減小，一般100～200m時(shí)取1.05～1.1，200～500m時(shí)取1.1～1.25，500～1000m時(shí)取1.25～1.5，1000m以上時(shí)取1.5；

k2——孔內(nèi)有涌水時(shí)的風(fēng)量增加系數(shù)，與涌水量有關(guān)，中小涌水時(shí)，取1.5；

D——鉆孔直徑，m；

d——鉆桿外徑，m；

v——上返風(fēng)速，深井鉆進(jìn)取20～25m/s。

井徑、井深所需供風(fēng)量見表2（供風(fēng)量單位為m3/min，表中計(jì)算值未考慮涌水、漏風(fēng)及超徑等復(fù)雜井況）。

風(fēng)壓計(jì)算式：

式中：P——風(fēng)壓，MPa；

表2　地?zé)嵘罹钣镁畯?、井深所需供風(fēng)量

Q2——每米干孔的壓力降（一般為0.0015MPa/m）；

L——鉆桿柱長度，m；

Pm——管道壓力損失，取0.1～0.3MPa；

Pc——潛孔錘壓力降，MPa；

Ps——鉆孔內(nèi)水柱壓力。

復(fù)雜地層深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)設(shè)備配置及要求：

（1）空壓機(jī)配置組合：為滿足復(fù)雜地層深井鉆進(jìn)要求，空壓機(jī)配置組合為采用多臺空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)（并列）供氣，供氣量除滿足所鉆井徑、井深的要求外還應(yīng)有一定余量（一般超30%以上），以應(yīng)對涌水、涌風(fēng)、超徑等復(fù)雜井況的要求，另聯(lián)動(dòng)空壓機(jī)壓力匹配應(yīng)盡量一致以防低壓力的空壓機(jī)卸載不送風(fēng)而降低實(shí)際供風(fēng)量。

（2）增壓機(jī)配置：深井鉆進(jìn)中應(yīng)根據(jù)供風(fēng)壓力需求配置增壓機(jī)，從公式（2）可得，隨著鉆進(jìn)深度的增加，所需供風(fēng)壓力增大，特別是井內(nèi)涌水情況下，風(fēng)壓增高較快，當(dāng)供風(fēng)壓力超過空壓機(jī)壓力時(shí)，需采取增壓機(jī)增壓以滿足要求，增壓機(jī)的壓力應(yīng)滿足鉆井深度的要求，配置數(shù)量根據(jù)增壓機(jī)的設(shè)計(jì)能力，通常為2拖4、1拖3。

（3）其他附屬設(shè)備：在復(fù)雜地層深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)中，常出現(xiàn)空壓機(jī)配置量不足或使用中損壞致不能滿足供風(fēng)量的要求及潛孔錘需經(jīng)常補(bǔ)油潤滑等因素，還應(yīng)配置相應(yīng)的附屬設(shè)備。

①泡沫輸送泵：在供風(fēng)量不足或不能滿足復(fù)雜井況要求而排渣效果差、井底巖渣堆積較多，地層滲水、井壁濕潤鉆粉粘附井壁形成泥環(huán)排渣不暢，從送風(fēng)管匯注入泡沫溶液，利用泡沫液的強(qiáng)攜帶能力及瞬間釋放形成井噴將鉆粉（渣），泡沫泵應(yīng)為變量泵，排量一般15～30L/min。

②注油泵：鉆進(jìn)中潛孔錘中的配件需油潤滑，可在地面的高壓管路上并聯(lián)可調(diào)式的注油泵以不間斷的供油潤滑，提高潛孔錘的壽命。

綜上所述，為提高復(fù)雜地層深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)的鉆進(jìn)效率和井內(nèi)安全，設(shè)備的配置組合除滿足井徑、井深的要求外，還應(yīng)滿足復(fù)雜井況和可能發(fā)生異常情況的要求，設(shè)備配置組合見表3。

表3　復(fù)雜地層深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)設(shè)備配置組合

4　結(jié)論與建議

通過復(fù)雜地層深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)試驗(yàn)的設(shè)備機(jī)具配置組合分析總結(jié)，結(jié)論與建議如下：

（1）空氣潛孔錘鉆進(jìn)可大幅提高鉆進(jìn)效率，實(shí)現(xiàn)高速鉆進(jìn)和快速成井。

（2）有效的設(shè)備機(jī)具組合是實(shí)現(xiàn)高速安全鉆進(jìn)的前提。

（3）復(fù)雜地層鉆進(jìn)，供氣量除滿足所鉆井徑、井深的要求外還應(yīng)有一定余量，以應(yīng)對涌水、涌風(fēng)、超徑等復(fù)雜井況的要求。

（4）聯(lián)動(dòng)組合空壓機(jī)壓力匹配應(yīng)盡量一致以防低壓力的空壓機(jī)卸載不送風(fēng)而降低實(shí)際供風(fēng)量。

（5）應(yīng)選擇具有防脫（鉆頭脫掉）功能潛孔錘（長沙天河），以防錘頭掉脫。

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A

1004-5716（2016）09-0046-04

2016-04-16

2016-04-18

貴州省社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)資助項(xiàng)目“貴州復(fù)雜地層深井鉆探工藝應(yīng)用研究”（編號：黔科合SY字［2015］3002）。

趙華宣（1968-），男（苗族），貴州思南人，高級工程師，現(xiàn)從事鉆井工程工作。