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        潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)綜述

        2015-02-22 00:36:41軍,趙
        四川水利 2015年5期
        關(guān)鍵詞:雙壁潛孔孔壁

        廖 軍,趙 倩

        (中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司,成都,611130)

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        潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)綜述

        廖 軍,趙 倩

        (中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司,成都,611130)

        介紹潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和工作原理。采用計(jì)算機(jī)仿真電算和模擬技術(shù)輔助鉆具設(shè)計(jì),潛孔錘性能穩(wěn)定,鉆頭具備良好的反循環(huán)能力。潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù),已在復(fù)雜地層地質(zhì)巖心勘探、水文水井鉆鑿、大直徑硬巖嵌巖樁鉆進(jìn)等領(lǐng)域全面應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

        貫通式潛孔錘 反循環(huán) 連續(xù)取芯 仿真電算 流場模擬

        1 概述

        潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)是多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)的重要組成部分,也是空氣鉆進(jìn)技術(shù)在碎巖方法上的一次重大突破。它集潛孔錘高效碎巖、流體介質(zhì)全孔反循環(huán)、鉆進(jìn)中不停鉆連續(xù)取芯三大先進(jìn)鉆探工藝于一身,是一種集成化的高新鉆探技術(shù)。它利用貫通式潛孔錘、反循環(huán)鉆頭、雙壁鉆具,使流體介質(zhì)沿中心通道構(gòu)成反循環(huán),實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程中巖芯的輸運(yùn),并有效解決孔口粉塵污染問題。

        應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù),可大幅度提高硬巖中的鉆進(jìn)效率,降低鉆探成本,成孔質(zhì)量好;反循環(huán)排渣有效地保護(hù)孔壁完整,減少粉塵飛逸,利于環(huán)境保護(hù);以氣代水,適用于干旱缺水和高寒地區(qū)。潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù),已成為具有強(qiáng)大生命力的鉆探方法,具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用領(lǐng)域。目前,該鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展迅速,應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬,在地質(zhì)巖芯勘探、水文水井鉆鑿、基礎(chǔ)工程施工等鉆孔工程領(lǐng)域,取得了良好的應(yīng)用效果。

        2 潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)的技術(shù)關(guān)鍵

        2.1 貫通式潛孔錘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        貫通式潛孔錘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是中空孔道的設(shè)計(jì)。潛孔錘心部的全部零件均是貫通的筒狀結(jié)構(gòu),在保證強(qiáng)度的同時,又要結(jié)構(gòu)簡單,便于加工,并具有較長的工作壽命。

        潛孔錘的中心貫通孔與前后氣室完全封閉,構(gòu)成貫通孔的心管穿越所有零件,上部與鉆桿心管連接,下部與鉆頭插接并密封,構(gòu)成反循環(huán)通道,同時心管兼有配氣功能。

        2.2 潛孔錘的計(jì)算機(jī)模擬仿真電算

        運(yùn)用基礎(chǔ)理論及計(jì)算公式建立數(shù)學(xué)模型,依據(jù)有限差分理論開發(fā)了計(jì)算機(jī)軟件,對潛孔錘內(nèi)部動力過程、活塞往復(fù)運(yùn)動規(guī)律及潛孔錘性能參數(shù)機(jī)型模擬仿真電算,實(shí)現(xiàn)了潛孔錘的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì),使?jié)摽族N的實(shí)際測試參數(shù)與計(jì)算機(jī)理想電算參數(shù)高度吻合,工作性能優(yōu)良,有效熱功效率高,從而使?jié)摽族N設(shè)計(jì)科學(xué)化。計(jì)算機(jī)模擬改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,縮短研制周期,節(jié)省了研究成本,優(yōu)化了潛孔錘性能。

        2.3 反循環(huán)鉆進(jìn)機(jī)理及反循環(huán)鉆頭設(shè)計(jì)

        貫通式潛孔錘為反循環(huán)提供了通道,但流體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的反循環(huán)流動是關(guān)鍵。為了深入研究反循環(huán)機(jī)理,建立了反循環(huán)鉆進(jìn)模擬試驗(yàn)臺,對反循環(huán)的形成機(jī)理、壓縮空氣參數(shù)與巖芯攜帶能力關(guān)系、鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對反循環(huán)影響因素等進(jìn)行了深入研究,揭示了流體介質(zhì)的反循環(huán)規(guī)律,創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了基于多噴嘴引射器原理的反循環(huán)鉆頭。同時,引入CFD理論,應(yīng)用CFD軟件對鉆頭底部流場進(jìn)行仿真模擬和參數(shù)計(jì)算,并優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)。計(jì)算機(jī)仿真模擬研究,縮短了研制周期,以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)代替樣機(jī)試制和實(shí)物實(shí)驗(yàn),從而降低研制成本。

        研發(fā)不同規(guī)格的反循環(huán)鉆頭,反循環(huán)形成穩(wěn)定可靠,在大的外環(huán)間隙條件下,無需增設(shè)任何密封裝置亦能形成反循環(huán)。在理論研究的基礎(chǔ)上,開展了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和野外生產(chǎn)性試驗(yàn)研究,針對不同的復(fù)雜地層開展大量的生產(chǎn)應(yīng)用,豐富了反循環(huán)鉆頭類型。如反循環(huán)取芯型鉆頭,凸塊防堵型鉆頭,內(nèi)噴孔防漏型鉆頭等,擴(kuò)大了潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和對復(fù)雜地層條件的適應(yīng)能力。

        目前,貫通式潛孔錘產(chǎn)品已形成系列化。其中包括:11種規(guī)格的GQ系列潛孔錘(見表1)、適用于不同地層條件和巖芯采取需求的反循環(huán)鉆頭多種,并有配套的雙壁鉆桿、雙通道水龍頭、各種類型接頭等,基本能夠滿足各鉆孔領(lǐng)域的需求。

        1-卸風(fēng)槽;2-卡槽;3-花鍵;4-貫通孔;5-內(nèi)噴孔;6-底噴孔;7-環(huán)槽;8-擴(kuò)壓槽;9-凸塊;10、11、12-球齒合金

        圖1 反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)圖

        表1 GQ系列潛孔錘主要技術(shù)參數(shù)

        3 潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取芯鉆進(jìn)

        3.1 反循環(huán)鉆進(jìn)基本原理

        貫通式潛孔錘工作原理圖見圖2。壓縮空氣經(jīng)雙通道氣水龍頭2,由雙壁鉆桿5進(jìn)入貫通式潛孔錘的上接頭環(huán)狀間隙,推開逆止閥6,充滿外缸和內(nèi)缸8之間的環(huán)狀通道,由內(nèi)缸8上的徑向進(jìn)氣孔進(jìn)入前后氣室,推動活塞9往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生沖擊能量。前后氣室內(nèi)做功后的廢氣分別排入活塞9與心管7之間的環(huán)狀通道,進(jìn)入鉆頭上部環(huán)槽,經(jīng)鉆頭花鍵槽底部留出的通道,由鉆頭排氣孔排出。經(jīng)擴(kuò)壓槽和孔底巖石的反射作用,并在鉆頭抽吸孔的強(qiáng)力抽吸作用下,氣體攜帶巖樣直接進(jìn)入鉆頭中心,經(jīng)潛孔錘的貫通孔和雙壁鉆桿的中心通道,通過雙通道氣水龍頭的鵝頸彎管3、排渣管1,最后排到地表收集巖樣設(shè)備中,實(shí)現(xiàn)不停鉆連續(xù)取芯鉆進(jìn)高新工藝。

        3.2 復(fù)雜地層地質(zhì)巖芯勘探潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)

        復(fù)雜地層地質(zhì)巖芯勘探,特別是極復(fù)雜地層中的巖芯勘探,一直是鉆探界的施工難題。采用小口徑貫通式潛孔錘及配套雙壁鉆桿,實(shí)施反循環(huán)連續(xù)取芯鉆探,解決了復(fù)雜地層地質(zhì)勘探過程中鉆進(jìn)效率低、巖芯采取率低、巖芯質(zhì)量差、孔內(nèi)事故頻發(fā)、鉆具壽命短、施工成本高、工期長等一系列鉆探技術(shù)難題,取得了良好的應(yīng)用效果。

        1-排渣管;2-雙通道氣水龍頭;3-鵝頸彎道;4-進(jìn)氣膠管;5-雙壁鉆桿;6-逆止閥;7-心管;8-內(nèi)缸;9-活塞;10-襯套;11-反扦環(huán)專用鉆頭

        圖2 貫通式潛孔錘結(jié)構(gòu)原理圖

        該項(xiàng)技術(shù)在不同的復(fù)雜地層礦區(qū)進(jìn)行了大量的生產(chǎn)性試驗(yàn),完成了大量的試驗(yàn)工作量,各項(xiàng)鉆探指標(biāo)優(yōu)良,解決了復(fù)雜地層礦區(qū)勘探技術(shù)難題。鉆進(jìn)效率較常規(guī)金剛石鉆進(jìn)提高3~10倍,純鉆進(jìn)時間利用率是金剛石鉆進(jìn)的2~3倍。反循環(huán)形成穩(wěn)定,巖芯采取率達(dá)98%以上。根據(jù)取芯要求不同,可獲取巖芯和巖樣,巖芯品位誤差小,真實(shí)可信。采用雙壁鉆具,孔壁無介質(zhì)擾動有效地保護(hù)孔壁,孔內(nèi)事故少,施工周期大為縮短,綜合鉆探成本降低為金剛石鉆進(jìn)的1/3~1/2。

        3.3 潛孔錘反循環(huán)水文水井鉆鑿

        采用貫通式潛孔錘及反循環(huán)鉆頭,配套雙壁鉆具實(shí)施反循環(huán)鉆進(jìn),有效地解決了基巖水井鉆鑿施工中許多亟待解決的技術(shù)難題。生產(chǎn)應(yīng)用證明,潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)與潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)相比,平均鉆進(jìn)效率提高64%,每米鉆進(jìn)成本降低30%~40%,巖芯采取率達(dá)98%以上。

        該鉆進(jìn)方法在大口徑水井鉆孔中具有許多突出特點(diǎn):

        (1)鉆進(jìn)過程中流體介質(zhì)在鉆具內(nèi)形成閉式循環(huán),有利于保護(hù)孔壁,避免含水層堵塞,易于穿過裂隙和破碎地層;

        (2)潛孔錘及雙壁鉆桿的中空作為反循環(huán)通道,其斷面積小且直徑不變,在有限的供風(fēng)量條件下,可提高上返風(fēng)速,提高排渣能力,避免孔底重復(fù)破碎,提高潛孔錘碎巖效率;

        (3)施工過程中孔口清潔,避免巖粉飛揚(yáng)及水下鉆進(jìn)井噴的污染,利于環(huán)境保護(hù);

        (4)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)簡化了抽水洗井過程,較大幅度提高了水井出水量,對于探采結(jié)合的水井勘探,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)取芯鉆進(jìn)。

        4 在油氣井勘探中的應(yīng)用前景

        近年來,潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)推廣應(yīng)用于油氣井勘探施工中,并取得了良好的應(yīng)用效果,但實(shí)施時的高能耗、高成本、井場擁擠等不足,限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明,在大井徑鉆井中,潛孔錘反循環(huán)鉆井具有獨(dú)特的優(yōu)勢:

        (1)同等口徑下,空氣反循環(huán)鉆井所需空氣量是正循環(huán)空氣鉆井所需氣量的1/5~1/2,可減少昂貴的空壓機(jī)數(shù)以及燃油消耗;

        (2)潛孔錘硬巖鉆進(jìn)效率高,其機(jī)械鉆速是常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆井的3~4倍,降低鉆井成本,減少鉆井時間;

        (3)流體介質(zhì)在鉆具中為閉式循環(huán),鉆遇溶洞或大裂隙也不會因漏氣而終止鉆井;

        (4)克服常規(guī)鉆井中鉆井液、泡沫或高壓空氣鉆井對地層的傷害,有利于單井產(chǎn)量提高。

        油氣勘探鉆進(jìn)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)系統(tǒng)原理:

        如圖3、圖4所示,壓縮空氣經(jīng)進(jìn)氣膠管10進(jìn)入雙通道氣水龍頭,再經(jīng)雙壁鉆桿和雙壁鉆鋌7的環(huán)狀通道進(jìn)入貫通式潛孔錘,活塞19往復(fù)沖擊做功,做功后的壓縮空氣由反循環(huán)鉆頭形成反循環(huán),并攜帶巖渣屑沿雙壁鉆具中心通道及排渣管5排出。再經(jīng)地面排渣管線22、取樣器24排至儲渣池26。巖樣可由取樣桶23獲取,為消除現(xiàn)場粉塵污染,可由注水除塵器25注水除塵。為防止鉆孔偏斜,在潛孔錘上下接頭設(shè)計(jì)了導(dǎo)正肋骨,外側(cè)鑲合金,起到導(dǎo)正加修復(fù)孔壁的作用。潛孔錘上部加接鉆鋌和穩(wěn)定器,以保證鉆孔的直線性。

        圖3 潛孔錘反循環(huán)氣體鉆井系統(tǒng)圖

        1-進(jìn)氣口;2-高壓膠管;3-圓鉆桿;4-空壓機(jī);5-導(dǎo)正器;6-加重塊;7-潛孔錘;8-鉆頭;9-水籠頭;10-膠管;11-排氣口;12-排氣通道;13-主動鉆桿;14-進(jìn)氣通道;15-砂石泉;16-泥漿循環(huán)池

        圖4FGC-15型大直徑反循環(huán)潛孔錘鉆具系統(tǒng)

        5 大直徑濕式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)

        大直徑硬巖鉆進(jìn)是工程施工中的技術(shù)難題,常規(guī)鉆井方法鉆效低,甚至無法進(jìn)尺。FGC-15型大直徑濕式反循環(huán)潛孔錘,應(yīng)用了模擬仿真電算及優(yōu)化設(shè)計(jì),使其工作參數(shù)滿足了大口徑鉆孔碎巖需要,動力參數(shù)即空壓機(jī)參數(shù)適應(yīng)國情,并進(jìn)行多次生產(chǎn)性試驗(yàn),能夠很好的推廣應(yīng)用。

        該系統(tǒng)綜合了4種先進(jìn)鉆進(jìn)工藝于一體:

        (1)大直徑潛孔錘碎巖鉆進(jìn),潛孔錘產(chǎn)生的巨大能量使巖石充分破碎,大幅度提高鉆進(jìn)效率;

        (2)鉆進(jìn)中泥漿介質(zhì)反循環(huán)排渣,壓縮空氣循環(huán)系統(tǒng)與泥漿系統(tǒng)相對獨(dú)立。泥漿介質(zhì)采用泵吸反循環(huán)或氣舉反循環(huán),從而保證較高上返流速,確保孔底干凈;

        (3)泥漿濕式循環(huán)保護(hù)孔壁,潛孔錘鉆進(jìn)同時,泥漿在孔內(nèi)護(hù)壁和平衡地層壓力,保護(hù)孔壁的穩(wěn)定和安全;

        (4)壓縮空氣封閉循環(huán)降低風(fēng)壓。壓縮空氣在鉆具內(nèi)形成封閉循環(huán),孔內(nèi)阻力及液柱壓力不會影響壓縮空氣的壓力,風(fēng)壓只由風(fēng)管通道中壓力降和潛孔錘工作壓力降決定。

        6 結(jié)語

        該鉆具系統(tǒng)自1990年投入生產(chǎn)試驗(yàn),在近20個嵌巖灌注樁工程中應(yīng)用,取得良好的應(yīng)用效果,硬巖平均鉆進(jìn)效率0.6m~1.3m,較常規(guī)方法綜合鉆進(jìn)效率提高10~20倍,樁孔質(zhì)量好,嵌巖可靠,施工周期短,施工成本降低,應(yīng)用前景廣闊。

        P

        B

        2095-1809(2015)05-0038-04

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