趙江鵬

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)方法先導(dǎo)性試驗(yàn)

趙江鵬

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

依托某煤礦區(qū)大直徑鉆井工程項(xiàng)目展開了大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)方法的先導(dǎo)性試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中,采用φ710/311 mm擴(kuò)孔用集束式反循環(huán)潛孔錘和φ127/70 mm雙壁鉆具，通過優(yōu)化風(fēng)量、風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速等反循環(huán)鉆進(jìn)工藝參數(shù)，取得了良好的反循環(huán)效果，最高機(jī)械鉆速達(dá)到了4 m/h，平均機(jī)械鉆速2.1 m/h，與同條件下常規(guī)牙輪鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)方法相比提高了2.6倍以上。試驗(yàn)結(jié)果表明：大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)方法是解決大直徑鉆孔硬巖鉆進(jìn)難題的一種行之有效、值得深入研究與推廣應(yīng)用的高效鉆進(jìn)方法。

空氣潛孔錘 集束式潛孔錘 大直徑潛孔錘 反循環(huán)鉆進(jìn) 潛孔錘鉆進(jìn)

大直徑(≥400 mm)反循環(huán)潛孔錘有單體式和集束式(或捆綁式)2種型式，據(jù)公開資料顯示，國內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的大直徑反循環(huán)潛孔錘主要有以下幾種產(chǎn)品[1-7]：單頭大直徑濕式反循環(huán)潛孔錘(FGC-15型、FGC-15B型)、大直徑組合捆綁式風(fēng)動(dòng)潛孔錘(FC-312型)、大直徑環(huán)式取心潛孔錘(HC-15型)、大直徑貫通式潛孔錘(2種規(guī)格：φ445 mm、φ660 mm)、φ660 mm集束式反循環(huán)潛孔錘以及φ710/311mm集束式反循環(huán)潛孔錘。目前，F(xiàn)GC-15型以及改進(jìn)后的FGC-15B型單頭大直徑濕式反循環(huán)潛孔錘得到了較好的推廣應(yīng)用[2-3]，其他產(chǎn)品基本還處于室內(nèi)或野外試驗(yàn)階段。在表1中，統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)外大直徑反循環(huán)潛孔錘產(chǎn)品在我國的推廣應(yīng)用情況[2-3,6-7]。

本研究依托山西晉城某礦的大直徑鉆井工程項(xiàng)目，采用ZMK5530TZJ60(A)車載鉆機(jī)、XRXSA1275雙工況空壓機(jī)、φ710/311 mm集束式反循環(huán)潛孔錘、φ127/70 mm雙壁鉆具以及其他配套設(shè)備等實(shí)施了大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝的先導(dǎo)性試驗(yàn)。

1 鉆遇地層與水文地質(zhì)條件

該鉆孔一開土層段孔徑φ950 mm，鉆進(jìn)至深度32 m，下入φ830 mm×12 mm無縫鋼管至25 m；二開巖石段φ311 mm導(dǎo)向孔鉆進(jìn)至265 m。見圖1。

表1 大直徑反循環(huán)潛孔錘在國內(nèi)應(yīng)用狀況統(tǒng)計(jì)

圖1 試驗(yàn)前鉆孔孔身結(jié)構(gòu)示意

本次試驗(yàn)是在二開巖石段導(dǎo)向孔完成后進(jìn)行的，試驗(yàn)孔段為32～83 m，計(jì)51 m。鉆遇地層為二疊系上統(tǒng)上石盒子組，巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖及細(xì)粒砂巖、粉砂巖；實(shí)測靜水位22 m。

2 大直徑集束式反循環(huán)潛孔錘簡介

φ710/311 mm擴(kuò)孔用集束式反循環(huán)潛孔錘(見圖2)是由3個(gè)常規(guī)φ181 mm沖擊器均布在同一圓周面上組合而成，主要結(jié)構(gòu)有雙壁接頭、配氣室、空氣潛孔錘單體、排渣管、孔底密封盤以及導(dǎo)向頭等，在孔底密封盤外圓柱面上設(shè)置有耐磨帶，可修復(fù)孔壁起保徑作用，主要參數(shù)見表2。

3 試驗(yàn)情況

3.1 設(shè)備連接與反循環(huán)通道建立過程

本次試驗(yàn)投入的主要設(shè)備見表3，圖3所示為試驗(yàn)現(xiàn)場設(shè)備的連接示意圖。

圖2 φ710/311 mm擴(kuò)孔用集束式反循環(huán)潛孔錘

參數(shù)名參數(shù)值孔徑/mm710長度/mm3100質(zhì)量/t185工作壓力/MPa103～241耗氣量/(m3/min)36～102

結(jié)合圖2與圖3，該集束式反循環(huán)潛孔錘的通道建立具體過程如下：空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣由地面注氣管路進(jìn)入氣盒子，沿雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)狀間隙下行，經(jīng)雙壁接頭內(nèi)外管環(huán)狀間隙及外管下端設(shè)置的小孔進(jìn)入配氣室，然后進(jìn)入單體潛孔錘沖擊器做功，廢氣從鉆頭中心孔噴出，在孔底密封盤與孔口密封裝置的共同封隔作用下，廢氣攜帶鉆頭沖擊破碎下的巖屑、巖粉進(jìn)入排渣管，經(jīng)中心管進(jìn)入雙壁接頭內(nèi)管，沿雙壁鉆桿內(nèi)管上行，由氣盒子、動(dòng)力頭中心通孔、地面排渣管路排至排渣池。

表3 集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)試驗(yàn)投入的主要設(shè)備

圖3 設(shè)備現(xiàn)場連接示意

3.2 鉆進(jìn)工藝參數(shù)及機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)

由于一開無縫鋼管未下至設(shè)計(jì)深度，不能將地下潛水層封隔，因此，本次鉆進(jìn)試驗(yàn)均是在靜水位以下進(jìn)行的。

在試驗(yàn)過程中，每進(jìn)尺1 m記錄1次反循環(huán)鉆進(jìn)工藝參數(shù)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、鉆壓、注入風(fēng)量等主要鉆進(jìn)工藝參數(shù)，以期取得較好的鉆進(jìn)效率，在表4中列出了鉆進(jìn)工藝參數(shù)與機(jī)械鉆速的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)期間，鉆機(jī)鉆壓表出現(xiàn)故障未能及時(shí)更換，由于其顯示的數(shù)據(jù)嚴(yán)重失實(shí)，在該表中并未列出鉆壓值，鉆進(jìn)時(shí)由司鉆與現(xiàn)場技術(shù)人員共同憑經(jīng)驗(yàn)完成對(duì)孔底鉆頭的加壓。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

(1)在淺孔段試驗(yàn)時(shí)，孔口密封裝置在反循環(huán)的建立過程中起主要作用，隨著孔深的增加和孔內(nèi)水柱的增高，孔口密封裝置的作用逐漸減弱，孔底密封盤與孔內(nèi)水柱起主要密封作用，此時(shí)完全打開密封裝置排氣口也能夠建立和維持良好的反循環(huán)。

表4 主要鉆進(jìn)工藝參數(shù)與機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)

(2)采用φ710/311 mm集束式潛孔錘與φ127/70 mm雙壁鉆具進(jìn)行反循環(huán)鉆進(jìn)工藝試驗(yàn)，其較為合理的鉆進(jìn)工藝參數(shù)：注氣量為35 m3/min，轉(zhuǎn)速為13～24 r/min，注氣壓力1.0～2.0 MPa。機(jī)械鉆速1.0～4.0 m/h，平均機(jī)械鉆速2.1 m/h。在正常鉆進(jìn)期間，可形成良好的反循環(huán)排渣效果。

(3)在該鉆孔硬巖段其余孔段采用的是φ550/311 mm、φ780/550 mm兩種規(guī)格的牙輪擴(kuò)孔鉆頭、以常規(guī)泥漿回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔工藝完成施工，其平均機(jī)械鉆速為0.8 m/h。集束式反循環(huán)鉆進(jìn)擴(kuò)孔方法與常規(guī)擴(kuò)孔方法相比，前者機(jī)械鉆速是后者的2.6倍以上。

(4)在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)φ710/311 mm集束式潛孔錘配套φ127/70 mm雙壁鉆具進(jìn)行反循環(huán)鉆進(jìn)工藝存在幾個(gè)問題。主要表現(xiàn)在：①在一定轉(zhuǎn)速條件下，當(dāng)加壓時(shí)，機(jī)械鉆速會(huì)提高，即單位時(shí)間內(nèi)破碎下的巖屑增多，但是隨著加壓時(shí)間的推移，孔口排渣量逐漸減小，這時(shí)需要停止鉆進(jìn)，將鉆頭提離孔底進(jìn)行專門的排渣，否則就會(huì)造成堵塞；②隨著孔深與孔內(nèi)液注的增大，孔底壓力增大，由于空氣的高壓縮性，此時(shí)潛孔錘沖擊頻率減小、沖擊功減小，當(dāng)加大注氣量時(shí)，發(fā)現(xiàn)孔口周圍地面上多處開始冒泡，打開孔口密封裝置排氣口后，大量氣體從環(huán)空溢出地面，同時(shí)反循環(huán)起初也能夠形成，只是隨著時(shí)間的增長，排渣口排渣量快速減小，停止鉆進(jìn)專門排渣后發(fā)現(xiàn)循環(huán)通道堵塞。經(jīng)現(xiàn)場分析研究，認(rèn)為造成這2種現(xiàn)象的原因主要是φ127/70 mm雙壁鉆具內(nèi)管內(nèi)徑小、上返通道小，不能及時(shí)將注入孔底的壓縮空氣以及在孔底攜帶的巖粉屑、水等排出孔外，需要配套更大規(guī)格的雙壁鉆具進(jìn)行試驗(yàn)。

(5)經(jīng)試驗(yàn)，φ710/311 mm集束式潛孔錘存在的問題主要表現(xiàn)在：①返出孔外的巖渣呈粉末狀，表明孔內(nèi)有重復(fù)破碎現(xiàn)象，不能充分發(fā)揮潛孔錘體積碎巖的優(yōu)勢，需要進(jìn)一步對(duì)該集束式反循環(huán)潛孔錘底部密封盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計(jì)；②提鉆后，發(fā)現(xiàn)該集束式反循環(huán)潛孔錘配氣盒處有偏磨現(xiàn)象，需要對(duì)該集束式反循環(huán)潛孔錘配氣盒外側(cè)增設(shè)耐磨帶。

4 結(jié) 論

(1)為保障反循環(huán)通道的形成，本次試驗(yàn)除了在集束式反循環(huán)潛孔錘本體上設(shè)計(jì)有孔底密封盤結(jié)構(gòu)，且在孔口設(shè)置了孔口密封裝置，通過孔底-孔口兩道密封來確保反循環(huán)通道的建立與維持，結(jié)果表明該方法取得了預(yù)期的效果。

(2)φ710/311 mm擴(kuò)孔用集束式潛孔錘配套φ127/70 mm雙壁鉆具進(jìn)行反循環(huán)鉆進(jìn)，其合理的鉆進(jìn)工藝參數(shù)：注氣量為35 m3/min，轉(zhuǎn)速為13～24 r/min，注氣壓力1.0～2.0 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，可形成良好的反循環(huán)排渣效果，機(jī)械鉆速1.0～4.0 m/h,平均機(jī)械鉆速2.1 m/h，是同鉆孔常規(guī)泥漿回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔工藝平均機(jī)械鉆速的2.6倍。

(3)試驗(yàn)表明：大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝可行性高，是解決硬巖鉆進(jìn)難題的有效工藝方法，可推廣應(yīng)用于瓦斯抽采孔、通風(fēng)孔、強(qiáng)排水孔、下電纜孔、救援孔以及其他用途的大直徑鉆孔施工中。

(4)針對(duì)現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的新問題，建議優(yōu)化設(shè)計(jì)集束式潛孔錘結(jié)構(gòu)，配套大規(guī)格雙壁鉆具，完善鉆進(jìn)工藝參數(shù)以進(jìn)一步提高鉆進(jìn)效率。

[1] 蔣榮慶,殷 琨,王茂森.FGC-15 型大直徑單頭潛孔錘鉆具系統(tǒng)研制[J].探礦工程,1995(5):17-19. Jiang Rongqing,Yin Kun,Wang Maosen.Development of FGC-15 single headed large diameter DTH drilling system[J].Exploration Engineering,1995(5):17-19.

[2] 蔣榮慶,殷 琨,王茂森,等.硬巖和漂、卵石層中大直徑工程井鉆進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1994(4):49-52. Jiang Rongqing,Yin Kun,Wang Maosen,et al.Test on the drilling method with large diameter engineering well for complex strata [J].Hydrogeology and Engineering Geology,1994(4):49-52.

[3] 蔣榮慶,殷 琨,王茂森,等.大直徑基巖孔施工難點(diǎn)及解決途徑[J].探礦工程,1999(S):330-334. Jiang Rongqing,Yin Kun,Wang Maosen,et al.Construction difficulties and solution of large diameter engineering well[J].Exploration Engineering,1999(S):330-334.

[4] 劉建林.氣體鉆井用貫通式潛孔錘關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長春：吉林大學(xué),2009. Liu Jianlin.Researches on the Key Technologies of Hollow-Through DTH Used in Gas Drilling[D].Changchun:Jilin University,2009.

[5] 劉建林,殷 琨.SGQ-320型氣體鉆井用貫通式潛孔錘的研制[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(1):114-115. Liu Jianlin,Yin Kun.Development of SGQ-320 type reverse circulation DTH hammer used in gas drilling[J].Petroleum Drilling Techniques，2012,40(1):114-115.

[6] 王清巖,呂紅權(quán),高 翼,等.旋挖鉆機(jī)嵌巖樁施工用反循環(huán)潛孔錘鉆具研究[J].工程機(jī)械,2013,44(10):14-18. Wang Qinyan,Lu Hongquan，Gao Yi,et al.Research on reverse circulating DTH Hammer of rotary drilling rig in rock-socketed pile holes drilling[J].Construction Machinery,2013,44(10):14-18.

[7] 王茂森,殷 琨.大直徑環(huán)式組合潛孔錘及鉆進(jìn)工藝研究[J].地質(zhì)與勘探,2006(2):90-92. Wang Maosen，Yin Kun.Full diameter ring combination drowning drift and drilling technology[J].Geology and Prospecting,2006(2):90-92.

(責(zé)任編輯 石海林)

A pilot test for large-diameter cluster DTH reverse circulation drilling technology based on the large diameter drilling project in a coal mine was carried out.During the tests，by adopting theφ710/311mm Reverse circulation cluster DTH andφ127/70mm double wall drill-pipe，a good performance of reverse circulation was achieved by optimizing the parameters of reverse circulation such as air volume，air pressure，and rotary speed etc..The highest ROP was 4m/h，and the average ROP was 2.1m/h，which were increased more than 2.6 times as much as that by the conventional cone bit drilling method under the same condition.The pilot test results showed that large diameter cluster DTH reverse circulation drilling technology was an effective drilling technology to solve the problem of hard rock drilling in large diameter hole，and is worthy to be promoted in application.

DTH，Cluster DTH，Large-diameter DTH，Reverse circulation drilling，DTH drilling

2015-06-05

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司自籌重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：2014ZD004)。

趙江鵬(1983—)，男，助理研究員，博士。

TD422

A

1001-1250(2015)-10-121-04

A Pilot Test for Large-diameter Cluster DTH Reverse Circulation Drilling Technology

Zhao Jiangpeng

(Xi'anResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCorp，Xi'an710077，China)