空氣跟管鉆進在南蘇丹供水井流沙層中的應(yīng)用實踐

周作明

(天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300171)

空氣跟管鉆進在南蘇丹供水井流沙層中的應(yīng)用實踐

周作明

(天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300171)

在南蘇丹供水井鉆探施工過程中，遇特別松散的流沙層，常規(guī)的泥漿護壁鉆進難以成孔。簡要介紹了在南蘇丹供水井施工現(xiàn)場制作簡易同步回轉(zhuǎn)撥杠實現(xiàn)空氣跟管鉆進的基本原理與工作程序，有效地解決了流沙層的鉆進成孔問題。并針對這一技術(shù)應(yīng)用過程中存在的問題，提出了改進建議。

空氣鉆進；跟管鉆進；套管同步回轉(zhuǎn)器；鉆井工藝；空氣潛孔錘

1 問題的提出

1.1 項目背景

我局承擔(dān)了中國政府援助南蘇丹打井供水項目，該項目地處尼羅河岸邊0.5～3 km的范圍內(nèi)。

項目的工程內(nèi)容包括：鉆井、成井、井泵安裝、機房與門衛(wèi)值班房建造、水塔建造、地面供水系統(tǒng)，以及發(fā)電機安裝等。

項目共8眼井分為兩個單位工程，每個單位工程將4眼井水通過地埋管線匯集到地面集水池，然后將集水池內(nèi)水泵送到水塔上，最后通過管線由水塔自流實現(xiàn)地面人畜供水。全部水井設(shè)計深度均為80 m。

1.2 項目地質(zhì)概況

0～ 1.5 m，粘土含沙層，部分井為無粘土層，層厚0～1.5 m；0～15 m，流沙層，層厚0～15 m；0～80 m，基巖地層，個別井位基巖裸露，厚度0～80 m。

1.3 初始基本施工方案設(shè)計

根據(jù)項目考察報告，項目初始設(shè)計的鉆井施工方案為：根據(jù)地層情況，基巖以上地層采用泥漿正循環(huán)鉆進工藝，鉆孔直徑250 mm，下入?245 mm工藝套管，基巖地層采用空氣潛孔錘鉆進工藝，鉆孔直徑205 mm。

按照施工方案設(shè)計及鉆孔深度，選用了GJD-Ⅱ型機械動力頭拖掛式鉆機，該鉆進具有輕便、靈活的特點。鉆機配備了原廠生產(chǎn)的離心式泥漿泵。

為實現(xiàn)空氣潛孔錘鉆進工藝，配備了復(fù)盛PDSJ750型空壓機，最大壓力2.07 MPa，最大流量21.2 m3/min。

1.4 項目實施過程中存在的問題

項目開始實施鉆進第一眼水井時，粘土層清水鉆進比較順利，但鉆進到流沙層換用高粘度泥漿護壁，鉆機所配備葉輪式離心泵，由于其工作壓力較低，對高固相含量的泥漿難以形成連續(xù)循環(huán)，如果降低泥漿黏土含量，孔壁坍塌相當(dāng)嚴(yán)重，致使鉆井工作陷入了僵局。

如從國內(nèi)再出口配備一套活塞式泥漿泵，勢必造成工期延誤和成本大增。為此，項目技術(shù)組成員研究利用現(xiàn)場技術(shù)條件，對設(shè)備進行簡易改造，采用空氣跟管鉆井工藝。項目得以順利實施，并提前完工。

2 基本工藝原理

空氣跟管鉆進的工藝原理參見圖1。

該工藝方案的最大特點是現(xiàn)場氣割焊制了同步回轉(zhuǎn)撥杠，由螺栓夾緊固定在鉆桿上，既能通過套管切槽起到帶動套管同步回轉(zhuǎn)的作用，又能在每次加接鉆桿時同步提起鉆桿和套管。同步回轉(zhuǎn)撥杠基本原理如圖2所示。

圖1 空氣跟管鉆進工藝原理 圖2 同步回轉(zhuǎn)撥杠原理

開孔鉆進(或每次加接鉆桿)時，將同步回轉(zhuǎn)撥桿夾緊固定在鉆桿上，然后將鉆桿穿入套管內(nèi)并將套管上部“L”形切槽掛在同步回轉(zhuǎn)撥杠上，因此可以用動力頭同步上提鉆桿和套管，動力頭回轉(zhuǎn)時同步帶動鉆桿和套管回轉(zhuǎn)。

套管底部焊接有同直徑套管靴，套管靴底部現(xiàn)場銅焊鑲嵌硬質(zhì)合金塊，套管規(guī)格為?245 mm×10 mm。鉆桿直徑89 mm。鉆頭為現(xiàn)場加工制作的三翼硬質(zhì)合金鉆頭，外徑210 mm。

3 鉆進工藝流程及參數(shù)控制

3.1 鉆頭相對套管底部位置控制

第一孔(井位編號YN-1)換用空氣跟管鉆進工藝時，調(diào)節(jié)鉆頭底部略超出套管靴5～10 cm。下鉆至孔底約0.4 m，啟動空壓機后開始向下鉆進，鉆頭剛一接觸孔底，套管內(nèi)即噴出大量水和沙混合物，套管與孔壁間隙不規(guī)律的“噴氣”或“吸氣”。進口噴出的沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論計算量，但進尺并不快，且套管明顯擺動。經(jīng)分析認(rèn)為：一是地層松散，高壓空氣的動能加上鉆頭的攪動，迅速將流沙吹起；二是該層含水量大，氣水混合在套管內(nèi)形成了“類似氣舉反循環(huán)工藝”。因此，由于氣液混合“抽吸”力將鉆頭底部及周圍流沙迅速排出孔外，同時，孔壁上部流沙不斷坍塌涌入套管內(nèi)。

基于上述原因分析，我們逐步調(diào)節(jié)鉆頭底部高于管靴底0.3 m左右時，該孔開始進尺平穩(wěn)且純鉆效率較高，排出的沙量基本接近于理論值。

其后各孔，根據(jù)地層松散程度、沙粒粒徑、黏土含量、底層含水量等情況，通過試鉆和觀測，對同步回轉(zhuǎn)撥杠上下調(diào)節(jié)，控制鉆頭底距離套管靴底端-0.1～0.3 m范圍內(nèi)(-0.1 m表示鉆頭超出套管)。其中：地表粘土層和強風(fēng)化基巖基本控制鉆頭超出套管靴或基本相平；松散的流沙層一般控制鉆頭底部高于套管靴0.1～0.3 m。

實踐證明，特別松散的流沙層中采用空氣跟管鉆進工藝，鉆頭在套管內(nèi)位置控制較為關(guān)鍵。但由于地層千差萬別，理論計算相對非常困難，通過現(xiàn)場試鉆觀察是較為有效的方法。

3.2 鉆進工藝控制

(1)每次加接鉆桿，首先對正鉆桿上下接頭并回轉(zhuǎn)動力頭擰緊，然后輕輕下放鉆桿直到上下套管接觸，并將上下套管焊接，焊接時注意確保垂直度。

(2)套管焊接牢固后，輕輕上提孔內(nèi)鉆具套管0.3 m左右，開動空壓機并觀察壓力表和氣體上返正常后，開動鉆機緩緩下放孔內(nèi)鉆具及套管，直至實現(xiàn)正常鉆進。

(3) 鉆進采用輕壓、慢轉(zhuǎn)、全風(fēng)量的工藝參數(shù)。轉(zhuǎn)速≯30 r/min，壓力采用自重加壓。

(4)當(dāng)鉆速顯著下降，上返的鉆渣沙粒含量明顯減少，調(diào)節(jié)鉆頭底部與套管靴平齊，繼續(xù)鉆進到進尺相當(dāng)緩慢，上返的鉆渣出現(xiàn)片狀或塊狀風(fēng)化基巖，井口固定套管，換用錘頭直徑為205 mm的DHD380型潛孔錘鉆進到設(shè)計孔深。

4 應(yīng)用效果

由于現(xiàn)場空氣跟管鉆進工藝的成功應(yīng)用，使項目得以順利實施，原計劃60 d完成的鉆井任務(wù)，不到30 d全部完工。

根據(jù)對班報表的匯總整理，項目各井覆蓋層(包括地表粘土層、流沙層及基巖風(fēng)化層)鉆進情況如表1所示。

由表1可看出，項目平均純鉆效率達到5.09 m/h。實際施工中流沙層鉆進效率最高達30 m/h以上。

分析鉆進效率較高的原因：一是套管跟進及時護壁，流沙層鉆進不會出現(xiàn)塌孔情況，工藝設(shè)計將鉆頭高于套管靴0.1～0.3m，使流沙不會從孔壁塌落進入套管內(nèi)，排出孔外鉆渣僅相當(dāng)于套管所占體積；二是套管與鉆桿環(huán)狀間隙空氣上返流速較高，經(jīng)計算可達到12 m/s，加之地層中含水量豐富，水汽混合將鉆渣迅速派出孔外。

表1 項目各井覆蓋層鉆進情況

5 存在的問題

雖然該項技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的效果，但也存在以下2方面比較明顯的問題。

(1)現(xiàn)場污染較為嚴(yán)重：由于受到現(xiàn)場加工技術(shù)的限制，上返的氣、水和鉆渣混合流體直接向上通過所制作的同步回轉(zhuǎn)撥杠排出，不僅污染環(huán)境，而且操作也相當(dāng)困難。

(2)純鉆時間利用率較低，大量的時間浪費在套管的焊接與切割上。

6 推廣應(yīng)用建議

空氣跟管鉆進技術(shù)結(jié)合潛孔錘鉆進工藝在流沙層、卵礫石等復(fù)雜地層中鉆進具有較強的實用性，特別是在干旱缺水地區(qū)施工更具有良好的應(yīng)用前景。因此，建議動力頭水井鉆機生產(chǎn)廠家及相關(guān)施工單位開發(fā)基本原理如圖3所示的套管同步回轉(zhuǎn)器。

圖3 套管同步回轉(zhuǎn)器原理

該回轉(zhuǎn)器主要由套管連接殼、固定罩和短鉆桿構(gòu)成，其中套管連接殼由安裝在其上的摩擦卡瓦通過頂絲夾緊固定在短鉆桿上，短鉆桿上部連接動力頭，下部連接鉆桿，套管連接殼下端通過絲扣連接套管，因此可以實現(xiàn)鉆桿與套管的同步提起和同步回轉(zhuǎn)。固定罩通過軸承及相應(yīng)的密封件安裝在套管連接殼上，作用是將空氣吹出的鉆渣通過加接在排渣彎管的軟管(如膠管)引流到地面上，大大降低對空氣的污染。

該回轉(zhuǎn)器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)套管的同步提起和回轉(zhuǎn)，以及有效解決現(xiàn)場污染問題，而且通過套管連接殼在短鉆桿上的上下滑動調(diào)節(jié)鉆桿與套管之間的長度配合。從而實現(xiàn)根據(jù)不同地層調(diào)節(jié)鉆頭底部與套管靴上下距離的目的。

另外，對于該項技術(shù)的深度開發(fā)，也可以在地質(zhì)勘探、工程鉆孔中具有應(yīng)用前景。

[1] 鄭英飛，王茂森，岳文斌.氣動潛孔錘雙沖擊跟管鉆進技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014,41(5):38-41.

[2] 丁曉慶，何龍飛.氣動潛孔錘跟管鉆進技術(shù)在巖土工程勘察施 工中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015,42(1):17-21.

[3] 張祖培，殷琨，蔣榮慶，等.巖土鉆掘工程新技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[4] 郝文奎,宋宏兵,康亢,等.多工藝空氣鉆進技術(shù)在深水井施工中的應(yīng)用實踐[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014，41(12):11-14.

[5] 張勇，蔣榮慶.多工藝沖擊回轉(zhuǎn)鉆進數(shù)的新拓展[J].西部探礦工程,2000,12(2):112-113.

[6] 杜緒,王建興.多工藝空氣鉆進技術(shù)的形成與發(fā)展[J].地質(zhì)裝備,2011,12(2):25-27.

[7] 于磊,王文龍,李永成.氣舉反循環(huán)鉆進工藝在地?zé)嵘罹┕ぶ械膽?yīng)用[J].山西建筑,2014，(28):99-100.

[8] 陳怡.空氣潛孔錘鉆進工藝在貴州巖溶地區(qū)供水成井施工中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2005,32(10):45-46.

[9] 許劉萬,劉智榮,趙明杰,等.多工藝空氣鉆進技術(shù)及其新進展[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(10):8-14.

[10] 魏武,許期聰,余梁,等.利用空氣鉆井技術(shù)提高鉆井速度研究[J].天然氣工業(yè),2006,26(7):57-58.

[11] 趙福森,譚家政,楊晨,等.空氣(泡沫)潛孔錘鉆進工藝在王家?guī)X煤礦緊急避險孔中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015，42(8):25-29.

[12] 劉輝,張永勤,陳修星,等.空氣反循環(huán)鉆進工藝在物探爆破孔施工中的試驗應(yīng)用研究[J].探礦工程,2001，(1):34-36.

[13] 王躍進,周裕樹,趙立新.空氣鉆進椎廣及技術(shù)配套試驗研究[J].探礦工程,1996，(4):59-61.

[14] 王建彬,金新,王力,等.中風(fēng)壓空氣鉆進技術(shù)在平煤某礦的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2011,38(11):35-37.

Application of Air Drilling with Casing in Quicksand Layer of South Sudan Water Supply Well/

ZHOUZuo-ming

(Tianjin North China Geological Exploration Bureau, Tianjin 300171,China)

During the drilling construction of water supply well in South Sudan, especially loose quicksand layer was encountered; it was difficult for hole drilling by conventional mud protection. This paper briefly explains the basic principle and working procedure of making the simple synchronous rotary shifter level on the water supply well construction site in South Sudan to realize the air drilling with casing and effectively solve the drilling problems in the quicksand. The improvement suggestions are put forward according to the existing problems in the application of this technology.

air drilling; drilling with casing; casing synchronous rotary device; drilling technology; air DTH hammer

2016-05-30；

2016-12-21

周作明，男，漢族，1964年生，高級工程師，探礦工程專業(yè)，碩士，長期從事地質(zhì)勘探、水井工程、基礎(chǔ)工程鉆探技術(shù)研究及技術(shù)管理工作，天津市河?xùn)|區(qū)廣瑞西路67號，966266@sina.com。

P634.5

B

1672-7428(2017)04-0036-03