郭文建，趙新卓

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第五地質(zhì)大隊(duì)，山東 泰安 271021）

1 前言

潛孔錘又稱風(fēng)動(dòng)沖擊器，是以壓縮空氣作為動(dòng)力介質(zhì)完成沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，具有空氣洗井鉆進(jìn)的特點(diǎn)。較之以高壓的水或泥漿為動(dòng)力介質(zhì)的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，風(fēng)動(dòng)潛孔錘回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)有成倍的高效。應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行水井鉆井，在兩天內(nèi)即可完成一口近百米深的水井從設(shè)備安裝到濾管安裝成井的工作［1］。在水井鉆探施工中，鉆探中經(jīng)常會(huì)遇到要穿過(guò)復(fù)雜的第四系地層，也經(jīng)常要對(duì)付穩(wěn)定性差的風(fēng)化破碎帶、裂隙溶洞和松軟地層等，長(zhǎng)期以來(lái)，鉆探工程技術(shù)人員總結(jié)了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)作為在潛孔錘鉆進(jìn)成孔過(guò)程中逐步發(fā)展起來(lái)的一種新的鉆進(jìn)技術(shù)，因具有鉆進(jìn)速快、效率高、干式鉆進(jìn)、孔斜率低等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)對(duì)付第四系覆蓋層及復(fù)雜地層非常有效的一門鉆進(jìn)新技術(shù)［2］。在2011年春季抗旱施工中，我單位對(duì)潛孔跟管設(shè)備進(jìn)行了使用，反映效果較好。本文論述了在工程實(shí)踐中的具體經(jīng)驗(yàn)，對(duì)關(guān)鍵的施工工藝問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)闡釋，并制定了解決方案，在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)一些技術(shù)思路進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

2 氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆具類型

氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)主要分為兩類：氣動(dòng)潛孔錘偏心跟管鉆進(jìn)技術(shù)和氣動(dòng)潛孔錘同心跟管鉆進(jìn)技術(shù)。

單偏心三件套SPA跟管鉆進(jìn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1左側(cè)）。該鉆具由導(dǎo)正器、偏心擴(kuò)孔鉆頭、中心鉆頭等組成。正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)正向回轉(zhuǎn)，偏心擴(kuò)孔鉆頭張開(kāi)，鉆機(jī)將回轉(zhuǎn)扭距和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給鉆桿、潛孔錘、導(dǎo)正器、偏心擴(kuò)孔鉆頭、中心鉆頭。

潛孔錘產(chǎn)生動(dòng)載荷，傳遞給偏心擴(kuò)孔鉆頭、中心鉆頭及管靴；鉆機(jī)和鉆具的重量提供的軸壓力作用于偏心擴(kuò)孔鉆頭、中心鉆頭及管靴上；從而鉆出大于套管外徑的鉆孔，套管同步跟進(jìn)［3］。當(dāng)需將鉆具提出時(shí)，可慢速反轉(zhuǎn)鉆具，偏心擴(kuò)孔鉆頭依靠慣性力和摩擦力收回，整套鉆具外徑小于套管內(nèi)徑，可將鉆具提出地表，套管留在孔內(nèi)護(hù)壁。

潛孔錘同心跟管鉆具工作原理及同心跟管鉆具結(jié)構(gòu)如圖1中間所示，中心鉆頭的花鍵與沖擊器相連，管靴通過(guò)螺紋與套管連接。鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)通過(guò)鉆桿一方面給鉆具一個(gè)軸向推力，另一方面帶動(dòng)沖擊器、中心鉆頭和環(huán)形鉆頭實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。環(huán)形鉆頭與管靴之間通過(guò)卡簧實(shí)現(xiàn)環(huán)形鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)而管靴和套管不轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。鉆具的軸向傳力主要依靠中心鉆頭、環(huán)形鉆頭、管靴的肩環(huán)。套管跟進(jìn)鉆孔完成后，反轉(zhuǎn)鉆桿一個(gè)小角度就能將鉆桿、沖擊器、中心鉆頭一起提出，環(huán)形鉆頭暫留孔內(nèi)［4］。

三瓣式跟管鉆進(jìn)系統(tǒng)（圖1右側(cè)），該鉆具兼有同心與單偏心的特點(diǎn)，其套管、管靴與單偏心系統(tǒng)屬于同種結(jié)構(gòu)，鉆頭部分由鉆頭體、中心鉆頭及瓣式擴(kuò)孔鉆頭組成，正常鉆進(jìn)時(shí)中心鉆頭受壓、縮回鉆頭體一部分，使瓣式鉆頭張開(kāi)，圓徑超過(guò)套管外徑，達(dá)到擴(kuò)孔跟管鉆進(jìn)的目的。提鉆時(shí)，只需停氣向上提起沖擊器，三瓣式鉆頭即可貼回中心鉆頭，使三瓣鉆頭的圓徑小于套管靴內(nèi)徑，即可順利提出鉆頭。

圖1 三種潛孔跟管形式對(duì)比

3 地層情況

水井施工的地點(diǎn)地表多為第四系覆蓋層，厚度一般約5～20m，也有厚30～40m，地層多為粉質(zhì)粘土、中粗砂、礫砂等。下伏地層一般為第三系泥巖或奧陶系灰?guī)r，二者不整合接觸。當(dāng)鉆進(jìn)過(guò)程中由第四系穿過(guò)時(shí)經(jīng)常會(huì)有碰到角度不整合的斜面。

4 跟管設(shè)備選型及施工流程

4.1 跟管形式

根據(jù)地層特征，選擇合適的跟管形式是保證順利鉆進(jìn)的前提。環(huán)形對(duì)心跟管設(shè)備是最有利于大口徑深孔跟管的，其克服礫石層的能力強(qiáng)。但該區(qū)域地層第四系無(wú)明顯礫石塊石，環(huán)式對(duì)心方式的外鉆頭相當(dāng)于擴(kuò)孔鉆頭，其直徑較跟進(jìn)的套管大10～15mm，會(huì)給套管的起拔帶來(lái)較大的阻力。SPA方式的中心凸輪對(duì)大口徑Φ219以上強(qiáng)度不足，且由于偏心鉆進(jìn)，易產(chǎn)生鉆進(jìn)螺旋軌跡。盡管SPA方式鉆進(jìn)碎石層的能力也較強(qiáng)，由于本次施工場(chǎng)地大部分無(wú)較多卵礫石層。相對(duì)之下，三瓣式對(duì)心跟管鉆頭亦能適應(yīng)較大的口徑，對(duì)中能力好。由于排氣通道大，在土層、砂層、含礫砂層中有利于向上返屑，所以采用了三瓣式對(duì)心跟管鉆頭。根據(jù)井徑設(shè)計(jì)要求，結(jié)合空氣壓縮機(jī)排量，選用了跟進(jìn)φ245套管的三瓣式對(duì)心跟管鉆頭。

4.2 設(shè)備情況

空壓機(jī)：阿特拉斯XRVS976

鉆 機(jī)：宣化正遠(yuǎn)SL400

鉆 桿：Φ89、外平、接首摩擦焊

鉆 具：蘇普曼360沖擊器

鉆 頭：廣漢集團(tuán)Φ254跟管鉆頭

套管靴：Φ245

套 管：標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)管材，外徑Φ245壁厚8mm，每根1.5m，反螺紋連接，螺紋尺寸符合規(guī)范要求

4.3 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇

風(fēng)量：根據(jù)所選用的空壓機(jī)和潛孔錘的性能，合理確定風(fēng)量。為確保砂與破碎的巖屑能被沖出孔外，選擇了較大的風(fēng)量。一般情況為15～20m3／min，最大時(shí)達(dá)25m3／min。

風(fēng)壓：潛孔錘的沖擊頻率和沖擊功能與風(fēng)壓有密切關(guān)系。在空氣潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，除正常工作所需風(fēng)壓外，還要加上孔深時(shí)沿程壓及克服水位以下的水柱壓力。本工程風(fēng)壓一般情況為1.60～2.20MPa最大時(shí)達(dá)2.50Mpa。

鉆壓：從潛孔錘破碎巖石的原理來(lái)看，巖石主要靠沖擊動(dòng)載作用下破碎的，潛孔錘鉆進(jìn)效率的高低，主要取決于沖擊功的大小和沖擊功率的多少，而鉆壓是保證沖擊功率并發(fā)揮作用的輔助力，施工中沖擊器的軸壓最低以沖擊器工作時(shí)不產(chǎn)生反跳為宜。鉆壓過(guò)大，會(huì)加速鉆頭的磨損。本工程鉆壓一般情況為0.50～0.60MPa。

轉(zhuǎn)速：為了使空氣潛孔錘的沖擊功率有效的傳到孔底，鉆具轉(zhuǎn)速應(yīng)按潛孔錘的沖擊頻率和所鉆巖石的性質(zhì)確定。轉(zhuǎn)速與最優(yōu)轉(zhuǎn)角、沖擊頻率之間的關(guān)系：［5］

式中：N—轉(zhuǎn)速，r／min；

A—最優(yōu)轉(zhuǎn)角11度；

f—沖擊頻率，840次／min；

可以求得N＝25.67r／min

鉆孔施工過(guò)程中，隨著鉆孔深度的變化和地層情況的變化需要隨時(shí)改變空氣潛孔錘鉆進(jìn)參數(shù)，特別是要注意風(fēng)量和風(fēng)壓的控制，以確?？諝鉂摽族N發(fā)揮出最優(yōu)性能，同時(shí)確保砂礫及被擊碎的顆粒被沖出井外。

4.4 跟管鉆進(jìn)施工工藝

使用跟管鉆具的鉆孔施工流程圖（圖2）［6］。

4.5 施工主要步驟

（1）把組裝好的擴(kuò)孔三瓣鉆具聯(lián)結(jié)在鉆桿上，將第一節(jié)帶有套管靴的鋼套管套入鉆具，使擴(kuò)孔鉆頭露出套管外，將三瓣鉆具的鉆桿聯(lián)結(jié)在動(dòng)力頭上。

圖2 施工流程圖

（2）鉆機(jī)正轉(zhuǎn)擴(kuò)孔帶管鉆進(jìn)，到動(dòng)力頭行至最大行程為止。

（3）夾持鉆桿，動(dòng)力頭卸扣退至尾端。

（4）聯(lián)接第二節(jié)鋼套管和鉆桿。

（5）再次跟管鉆進(jìn)，推送第二節(jié)鋼套管入孔。

（6）重復(fù)3步。

（7）重復(fù)4步。

（8）重復(fù)5步至鉆完覆蓋層，然后退桿卸出所有鉆桿后，取出三瓣鉆具，換用普通潛孔錘鉆頭鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)孔深。施工過(guò)程中一般不用擔(dān)心孔斜的問(wèn)題，只要套管加工同軸度好，整個(gè)套管的剛度足以保證孔的直度。

5 分析與措施

潛孔錘同心跟管鉆進(jìn)技術(shù)在一定的鉆進(jìn)條件下，氣動(dòng)潛孔錘跟管護(hù)壁鉆進(jìn)深度是有限的，跟管鉆進(jìn)最大深度直接關(guān)系到工程的成本、安全性、經(jīng)濟(jì)效益，因此，研究氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)最大深度的影響因素具有較大的意義。

5.1 分析

在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)覆蓋層15～20m的鉆孔跟管鉆進(jìn)一般一個(gè)臺(tái)班基本上可以完成，鉆進(jìn)效率較高，說(shuō)明技術(shù)使用經(jīng)濟(jì)合理。在30～40m左右的覆蓋層或局部裂隙、斷層破碎帶、溶蝕洞的情況下，跟管鉆進(jìn)速度隨深度增加變慢，且有時(shí)隨地層的復(fù)雜易發(fā)生套管脫扣、折斷的問(wèn)題。據(jù)有關(guān)資料，在固定的設(shè)備及生產(chǎn)條件下，跟管鉆進(jìn)的最大深度公式［7］估算，此種條件下跟管深度可達(dá)50～60m，但為何在30～40m處跟管時(shí)會(huì)出現(xiàn)套管折斷的問(wèn)題呢？究其詳細(xì)，出現(xiàn)問(wèn)題的跟管深度位置大都在剛進(jìn)入巖石界面時(shí)，且套管折脫部位往往在自套管靴向上3～5m處。據(jù)此，作出套管受力分析簡(jiǎn)圖（圖3）。

圖3 套管受力分析簡(jiǎn)圖

圖3中F1為套管在鉆進(jìn)過(guò)程中受到的地層阻力。上段最大深度公式也是以F1作為校核套管強(qiáng)度的依據(jù)。FG為鉆進(jìn)時(shí)沖擊力。在鉆遇傾斜地層時(shí)，套管下端受斜面支撐FN。由于深度不是太大，此時(shí)FG較F1要大得多，故FNY較大，所以FN也會(huì)較大。FNX受F1斜度影響也會(huì)較大。由于地層在剛擴(kuò)孔鉆進(jìn)后，土體密實(shí)或松散程度不一，難以定量描述套管外側(cè)土層的力學(xué)性質(zhì)，為超靜定力學(xué)問(wèn)題，所以在存在FN時(shí)近似估計(jì)FQ的形狀，并畫出套管的受力矩圖（圖3右側(cè)）?？梢钥闯鋈绻阢@遇斜面時(shí)，由于套管土層剛剛破碎，受側(cè)向力較不均勻，產(chǎn)生的最大彎矩在C處，其與套管端部B處仍有一段距離L長(zhǎng)度，在不太大的FNX側(cè)向力作用下，會(huì)使C處產(chǎn)生較大的彎矩內(nèi)應(yīng)力。使套管薄弱位置絲扣連接處先折后整個(gè)斷開(kāi)。

5.2 根據(jù)以上分析采取技術(shù)改進(jìn)措施

（1）在跟管鉆進(jìn)過(guò)程中做到“一聽(tīng)、二觀、三摸索”?！耙宦?tīng)”即聽(tīng)鉆頭敲擊巖石的聲音，潛孔錘在正常鉆進(jìn)中對(duì)不同地層都會(huì)有不同的聲音傳遞?！岸^”即觀察孔口上返巖屑和空氣的情況。“三摸索”鉆井時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到聲音聽(tīng)似正常、孔口有上返熱氣，這種現(xiàn)象極易讓人誤以為正常，其實(shí)不然。這是因?yàn)樵阢@進(jìn)過(guò)程中因?yàn)榉N種原因孔內(nèi)得不到及時(shí)清理，潮濕的巖粉開(kāi)始附裹鉆桿造成的。操作中一旦發(fā)現(xiàn)上返風(fēng)量有變，應(yīng)及時(shí)注水清孔或采取其他措施［8］。

在鉆進(jìn)遇到地層變化，在接近不均勻界面的地層時(shí)，應(yīng)降低鉆壓，剛不產(chǎn)生反跳為宜。并降低空氣壓力，使單次沖擊能最小，使產(chǎn)生的FNX側(cè)向力降到最小，保持最低鉆速，待穿過(guò)不均勻界面后，再恢復(fù)到正常參數(shù)。

（2）常用的套管為T型螺紋連接，參照《YB－235》［9］，在螺紋底部受力截面最小，應(yīng)力最大，易在此處斷裂，故此將螺紋平扣改為錐扣。但不能錐度太大。如太大會(huì)產(chǎn)生端部喇叭口損傷，且各螺紋槽受力不均現(xiàn)象明顯，主要應(yīng)力集中于中部，所以端部尺寸以2mm為宜。這樣原來(lái)的Φ245×4，就成了Φ245×6（或7），顯著提高了抗拉及抗彎能力。為保證不松脫，螺紋處涂密封膠。

（3）在更深的40～50m施工中，使用二級(jí)跟管組件。先用Φ273套管跟管至10～20m，再提鉆換用Φ245跟管鉆頭繼續(xù)跟管鉆進(jìn)。由于Φ245中心鉆頭直徑為Φ219，三瓣式鉆頭張開(kāi)后圓徑約為Φ270，據(jù)此設(shè)計(jì)了二級(jí)跟管組件（圖4）。

圖4 二級(jí)跟管組件

在使用中先將Φ273組件安裝于Φ245跟管鉆頭之上，卡好卡環(huán)，下入Φ273套管，整平對(duì)中后開(kāi)孔鉆進(jìn)。在同樣空壓機(jī)排氣量下，由于口徑增大，上返氣流速度變低，排屑困難，此時(shí)可暫關(guān)氣，待氣壓升至最高時(shí)突然開(kāi)氣，利用突開(kāi)時(shí)的強(qiáng)氣流沖上巖屑。盡管三瓣式鉆頭在孔底全部伸出后，圓徑不大于套管Φ273直徑。但由于近地表地層一般較為松散，在強(qiáng)大氣流沖擊下跟管并不困難，一般10～20m即可取下。要注意Φ273跟管最好終止于非砂地層位置中，以防止二級(jí)Φ245跟進(jìn)時(shí)，在底部沖入砂礫夾在Φ273與Φ245套管間，額外地增加了跟進(jìn)阻力。另外在二級(jí)跟進(jìn)時(shí)要將孔口Φ245外壁與Φ273內(nèi)壁之間加一膠圈密封，防止泥沙灌入。此種方式效果良好，制作套件工藝并不復(fù)雜，成本不高，非常適用于10～20m處，有一段粘性土層的較深覆蓋層跟管鉆進(jìn)過(guò)程中。最終，二級(jí)跟管深度可達(dá)50～60m。

6 其他方案

在更加復(fù)雜地層施工時(shí)，尚可考慮以下幾種方案，以適應(yīng)不同的地層條件。

（1）增加儲(chǔ)壓氣罐，因?yàn)槁輻U空壓機(jī)一般不附帶儲(chǔ)氣罐，在鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)氣間隔中，氣壓變化幅度較大，使用儲(chǔ)氣罐后可以不使用沖擊功能時(shí)儲(chǔ)存氣量，提高氣壓。開(kāi)氣時(shí)能較長(zhǎng)時(shí)間地維持高氣壓，有利于排除不易粉碎的大顆粒巖屑。但是由于系統(tǒng)壓力較高，最高達(dá)2.5MP，必須使用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢查的罐體。

（2）雙動(dòng)力頭鉆機(jī)配備兩個(gè)動(dòng)力頭同步跟進(jìn)，一個(gè)動(dòng)力提供給主動(dòng)鉆桿，帶動(dòng)沖擊器旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；另一個(gè)動(dòng)力頭帶動(dòng)套管低速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并加以較大的向下的靜壓力。這種方式可以鉆進(jìn)卵石礫石地層，在提高跟管深度方面也較為有利。

（3）空氣量不夠時(shí)可以考慮泡沫鉆進(jìn)，利用氣泡混合體包裹碎屑排出，以較低上返風(fēng)速也能完成排屑功能，并有利于保護(hù)井壁，對(duì)空壓機(jī)的氣體排量需求降至約五分之一，可以大大節(jié)約燃油消耗，顯著提高經(jīng)濟(jì)性。

（4）一般潛孔鉆機(jī)無(wú)氣路監(jiān)測(cè)設(shè)備，如在鉆機(jī)操作臺(tái)上安裝氣壓表，可以更方便反饋操作信息，以便隨時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

7 總結(jié)

潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)是一門新興又比較成熟的技術(shù)，在水井鉆進(jìn)施工中，具有高效率、成本低、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)地層地質(zhì)情況及設(shè)備條件，合理地選配跟管設(shè)備形式，在保證安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，兼顧經(jīng)濟(jì)效率與時(shí)間效率，選擇對(duì)應(yīng)的施工工藝，最大程度地發(fā)揮潛孔跟管鉆進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

［1］John Rowley etal.Advanced drilling system for drilling geothermal wells an estimate fo cost savings.Proceedings of world geothermal congress，2000.

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