多工藝空氣鉆進(jìn)鉆具配置研究

程林，滿國祥，孔令滬，解少朋，王士昭，郎坤飛，郭云開

(1.河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081；2.河北石探機(jī)械制造有限責(zé)任公司，石家莊 050081)

0 概述

多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)包含：氣動潛孔錘鉆進(jìn)、氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)、空氣反循環(huán)鉆進(jìn)等，它的實質(zhì)主要是用壓縮空氣或壓縮空氣的氣液混合物作為鉆進(jìn)時的循環(huán)沖洗介質(zhì)，或者破巖機(jī)具之動力，又兼作沖洗介質(zhì)的一種鉆進(jìn)方法。 多工藝空氣鉆進(jìn)對于加速改變我國鉆探長期使用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)落后局面，解決復(fù)雜地層正循環(huán)無法實現(xiàn)鉆進(jìn)的難題，提高鉆進(jìn)效率，降低鉆探成本，減少孔內(nèi)事故，減輕勞動強(qiáng)度，縮短同國外先進(jìn)鉆探技術(shù)的差距，有著十分重要的意義。 到目前為止多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)涉及的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域有：水井、地?zé)峋?、煤層氣井、頁巖氣井、大口徑瓦斯排放井、大口徑礦山搶險救援井、地?zé)峋褪途蘧?、大口徑工程井尤其大口徑旋挖鉆機(jī)入巖鉆進(jìn)，地質(zhì)勘探空氣反循環(huán)鉆進(jìn)等。

1 氣動潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)

空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)就是把破碎巖石的鉆頭和一個能產(chǎn)生沖擊作用的氣動裝置潛入孔底進(jìn)行鉆進(jìn)的一種工藝方法，這個氣動裝置叫沖擊器，它是以壓縮空氣為動力的一種風(fēng)動沖擊工具，它所產(chǎn)生的沖擊功和沖擊頻率可以直接傳給鉆頭，然后再通過鉆機(jī)和鉆桿的回轉(zhuǎn)驅(qū)動，形成對巖石的破碎能力，同時利用沖擊器排出壓縮空氣，對鉆頭進(jìn)行冷卻和排粉，從而實現(xiàn)孔底沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的目的。從巖石破碎的角度來看，潛孔錘鉆進(jìn)是以沖擊碎巖為主，而回轉(zhuǎn)是改變沖擊碎巖位置同時起輔助碎巖作用。因此鉆進(jìn)效率的高低，在很大程度上取決于沖擊器的性能和質(zhì)量。潛孔錘鉆進(jìn)是屬于空氣鉆進(jìn)的一個分支，因為它是把壓縮空氣既作為沖洗介質(zhì)，又作為碎巖能量的一種回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法，其重要特點是鉆進(jìn)硬巖效率高、鉆頭使用壽命長、回轉(zhuǎn)速度低、扭矩小、軸心壓力輕。

圖1 空氣正循環(huán)鉆具連接簡圖Fig.1 Connection diagram of air positive circulation drilling tools

空氣潛孔錘鉆進(jìn)的在鉆具選擇上優(yōu)先選用外平式鉆桿，鉆具連接及配置見圖1、表1。因為排渣的上返空氣流速一般在10～20 m/s，在高流速下，外平式鉆桿與鉆孔可形成穩(wěn)定的環(huán)隙上返截面，上返風(fēng)速穩(wěn)定，給大顆粒鉆渣排除提供便利條件，可更好地實現(xiàn)氣動潛孔錘快速鉆進(jìn)；在鉆機(jī)設(shè)備允許的前提下應(yīng)盡可能配置大直徑鉆具，以減小上返截面，提高上返速度，提高鉆進(jìn)效率。

表1 常用空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)鉆具配套表Tab.1 Matching of tools normal air down-the-hole hammer for positive circulation drilling

氣量計算見公式(1)。

(1)

式中：Q為所需風(fēng)量，m3/min；V為空氣上返速度，≈1200 m/min；D為井孔直徑(上部套管直徑)，mm；D為鉆桿直徑，mm；R為井孔半徑(上部套管半徑)，mm；R為鉆桿半徑，mm。

在鉆壓選擇上，潛孔錘鉆進(jìn)隨屬低壓鉆進(jìn)，但適當(dāng)配置鉆鋌可起到提高效率、延長鉆具使用壽命的目的，一般根據(jù)鉆孔直徑按每毫米直徑9公斤鉆壓計算選擇鉆壓。STD 500型全液壓履帶鉆機(jī)配套114外平鉆桿進(jìn)行空氣潛孔錘正循環(huán)工藝水井施工現(xiàn)場見圖2。

圖2 空氣潛孔錘正循環(huán)水井施工現(xiàn)場Fig.2 Construction site of air DTH hammer positive circulation for water well drilling

2 氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)

氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)鉆渣通過雙壁鉆具的內(nèi)孔上返，具有鉆渣上返速度快、鉆渣易收集、耗氣量少等優(yōu)點。目前實現(xiàn)氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)的常用方式有兩種，一種是雙壁鉆具+阻風(fēng)環(huán)+正反轉(zhuǎn)換接頭+正循環(huán)潛孔錘的組合方式，此種正反轉(zhuǎn)換式空氣反循環(huán)多用于大口徑鉆孔的快速施工，如礦山應(yīng)急救援用救生孔的施工；另一種是雙壁鉆具+貫通式反循環(huán)潛孔錘的組合反方式，此種空氣反循環(huán)鉆進(jìn)方式多用于小孔徑連續(xù)取樣孔的施工，如砂金勘探取樣。

氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)鉆桿柱連接比較簡單，鉆具連接及配置見圖3、表2，小直徑空氣反循環(huán)鉆孔鉆桿均為外平式雙壁鉆桿，外平式雙壁鉆桿可在較小直徑的鉆孔施工中形成較大上返內(nèi)通道，提高鉆進(jìn)效率；在大直徑鉆孔中通常采用大直徑常規(guī)式雙壁鉆桿，大直徑徑反循環(huán)氣動潛孔錘鉆孔直徑大，要求巖屑上返及時，要求巖屑上返通道直徑盡量大，一般要求反循環(huán)鉆具通孔100mm以上。另外配套的鉆桿、鉆鋌等大直徑鉆具，整個鉆桿柱重量大，要求鉆機(jī)的提升能力大，配套的水龍頭、氣盒子承受的提升力也要大。寶峨PB-T100拖車式全液壓動力頭鉆機(jī)配套φ219/152雙壁鉆具，采用正反轉(zhuǎn)換式空氣反循環(huán)工藝進(jìn)行地?zé)峋婚_施工應(yīng)用見圖4。

圖3 空氣反循環(huán)鉆具連接簡圖Fig.3 Connection diagram of air reverse circulation drilling tools

3 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工作原理同空壓機(jī)氣舉抽水工作原理相類似，即將壓縮空氣通過氣水龍頭或氣盒子，經(jīng)雙壁主動鉆桿、雙壁鉆桿的內(nèi)管和外管之間的環(huán)狀間隙從混合器處噴入內(nèi)管，形成無數(shù)小氣泡，氣泡一面沿內(nèi)管迅速上升，一面同時膨脹，由于壓縮空氣不斷進(jìn)入井液，在混合器上部形成低比重的氣水混合液，而井中的液體比重大，根據(jù)連通器原理內(nèi)管的氣水混合液在壓差作用下向上流動，把孔底的巖芯或巖屑連續(xù)不斷帶出地表。排入連續(xù)取樣裝置進(jìn)行分離，巖渣到地面可及時清走，凈化后的液體從下部流入泥漿池返回孔中，經(jīng)孔底進(jìn)入鉆桿內(nèi)補(bǔ)充循環(huán)液空間，如此不斷循環(huán)形成連續(xù)鉆進(jìn)的過程，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)效率主要取決于壓縮空氣的壓力和風(fēng)量以及混合器沉沒在水中的深度。

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)用鉆具要求內(nèi)通徑盡可能一致，這樣管路不易堵塞，即使堵塞了，也易于排除，鉆具連接及配置見圖5、表3。氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)在深井施工中應(yīng)用時多采用高鋼級摩擦焊鉆桿作為外管，內(nèi)管通徑盡可能取大，這樣有利于排渣從而提高鉆進(jìn)效率。另外，氣舉反循環(huán)攜帶上來的三相流在整個上返過程中不流經(jīng)任何工作機(jī)械，設(shè)備磨損小。車載ZJ20鉆機(jī)配套φ127/70雙壁鉆具，采用氣舉反循環(huán)工藝進(jìn)行地?zé)峋┕?yīng)用見圖6。

表2 礦山應(yīng)急救援空氣反循環(huán)鉆進(jìn)鉆具配套表Tab.2 Matching tools of air reverse circulation drilling for mine emergency rescue

圖4 正反轉(zhuǎn)換式空氣反循環(huán)地?zé)峋┕がF(xiàn)場Fig.4 Construction site of positive and negative conversion type air reverse circulation geothermal well

圖5 氣舉反循環(huán)鉆具連接簡圖Fig.5 Connection diagram of gas lift reverse circulation drilling tools

4 結(jié)語

實踐表明多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)具有許多優(yōu)越性，在各種鉆探領(lǐng)域中應(yīng)用均取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。該項技術(shù)經(jīng)多年的不斷創(chuàng)新，一系列研究成果推動了我國鉆探技術(shù)水平的提高。氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用最大鉆深達(dá)到4500 m，洗井、修井深度達(dá)到3500 m，不同領(lǐng)域最大孔徑為1.2 m、8.3 m、13 m；大口徑孔深也在300～900 m左右。氣動潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)我國石油鉆井已達(dá)5000 m以上，地質(zhì)勘探最大鉆深為2540 m，特別是空氣反循環(huán)鉆進(jìn)在12.25山東平邑石膏礦坍塌事故救援中的成功應(yīng)用更是創(chuàng)造了亞洲首例、世界第三例大口徑垂直救援的成功案例。多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)隨著工藝的創(chuàng)新、鉆具的優(yōu)化，其應(yīng)用范圍勢必會越來越廣，應(yīng)用效果越來越好。

表3 地?zé)峋脷馀e反循環(huán)鉆進(jìn)鉆具配套表Tab.3 Matching tools of gas lift reverse circulation drilling tools for geothermal wells

圖6 氣舉反循環(huán)地?zé)峋┕がF(xiàn)場Fig.6 Construction site of gas lift reverse circulation for geothermal well