周作明

(天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300171)

空氣跟管鉆進(jìn)在南蘇丹供水井流沙層中的應(yīng)用實(shí)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(guò)程中，遇特別松散的流沙層，常規(guī)的泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)難以成孔。簡(jiǎn)要介紹了在南蘇丹供水井施工現(xiàn)場(chǎng)制作簡(jiǎn)易同步回轉(zhuǎn)撥杠實(shí)現(xiàn)空氣跟管鉆進(jìn)的基本原理與工作程序，有效地解決了流沙層的鉆進(jìn)成孔問(wèn)題。并針對(duì)這一技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)建議。

空氣鉆進(jìn)；跟管鉆進(jìn)；套管同步回轉(zhuǎn)器；鉆井工藝；空氣潛孔錘

1 問(wèn)題的提出

1.1 項(xiàng)目背景

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

項(xiàng)目的工程內(nèi)容包括：鉆井、成井、井泵安裝、機(jī)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(jī)安裝等。

項(xiàng)目共8眼井分為兩個(gè)單位工程，每個(gè)單位工程將4眼井水通過(guò)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(guò)管線由水塔自流實(shí)現(xiàn)地面人畜供水。全部水井設(shè)計(jì)深度均為80 m。

1.2 項(xiàng)目地質(zhì)概況

0～ 1.5 m，粘土含沙層，部分井為無(wú)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(gè)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(jì)

根據(jù)項(xiàng)目考察報(bào)告，項(xiàng)目初始設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)工藝，鉆孔直徑205 mm。

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

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

1.4 項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題

項(xiàng)目開(kāi)始實(shí)施鉆進(jìn)第一眼水井時(shí)，粘土層清水鉆進(jìn)比較順利，但鉆進(jìn)到流沙層換用高粘度泥漿護(hù)壁，鉆機(jī)所配備葉輪式離心泵，由于其工作壓力較低，對(duì)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(guó)內(nèi)再出口配備一套活塞式泥漿泵，勢(shì)必造成工期延誤和成本大增。為此，項(xiàng)目技術(shù)組成員研究利用現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)條件，對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)易改造，采用空氣跟管鉆井工藝。項(xiàng)目得以順利實(shí)施，并提前完工。

2 基本工藝原理

空氣跟管鉆進(jìn)的工藝原理參見(jiàn)圖1。

該工藝方案的最大特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)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(guò)套管切槽起到帶動(dòng)套管同步回轉(zhuǎn)的作用，又能在每次加接鉆桿時(shí)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(jìn)工藝原理 圖2 同步回轉(zhuǎn)撥杠原理

開(kāi)孔鉆進(jìn)(或每次加接鉆桿)時(shí)，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(dòng)力頭同步上提鉆桿和套管，動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)時(shí)同步帶動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)加工制作的三翼硬質(zhì)合金鉆頭，外徑210 mm。

3 鉆進(jìn)工藝流程及參數(shù)控制

3.1 鉆頭相對(duì)套管底部位置控制

第一孔(井位編號(hào)YN-1)換用空氣跟管鉆進(jìn)工藝時(shí)，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(dòng)空壓機(jī)后開(kāi)始向下鉆進(jìn)，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(jìn)口噴出的沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論計(jì)算量，但進(jìn)尺并不快，且套管明顯擺動(dòng)。經(jīng)分析認(rèn)為：一是地層松散，高壓空氣的動(dòng)能加上鉆頭的攪動(dòng)，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(shí)，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(shí)，該孔開(kāi)始進(jìn)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(guò)試鉆和觀測(cè)，對(duì)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(qiáng)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(shí)踐證明，特別松散的流沙層中采用空氣跟管鉆進(jìn)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(wàn)別，理論計(jì)算相對(duì)非常困難，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試鉆觀察是較為有效的方法。

3.2 鉆進(jìn)工藝控制

(1)每次加接鉆桿，首先對(duì)正鉆桿上下接頭并回轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)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(kāi)動(dòng)空壓機(jī)并觀察壓力表和氣體上返正常后，開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)緩緩下放孔內(nèi)鉆具及套管，直至實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)。

(3) 鉆進(jìn)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(jìn)到進(jìn)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(jìn)到設(shè)計(jì)孔深。

4 應(yīng)用效果

由于現(xiàn)場(chǎng)空氣跟管鉆進(jìn)工藝的成功應(yīng)用，使項(xiàng)目得以順利實(shí)施，原計(jì)劃60 d完成的鉆井任務(wù)，不到30 d全部完工。

根據(jù)對(duì)班報(bào)表的匯總整理，項(xiàng)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(jìn)情況如表1所示。

由表1可看出，項(xiàng)目平均純鉆效率達(dá)到5.09 m/h。實(shí)際施工中流沙層鉆進(jìn)效率最高達(dá)30 m/h以上。

分析鉆進(jìn)效率較高的原因：一是套管跟進(jìn)及時(shí)護(hù)壁，流沙層鉆進(jìn)不會(huì)出現(xiàn)塌孔情況，工藝設(shè)計(jì)將鉆頭高于套管靴0.1～0.3m，使流沙不會(huì)從孔壁塌落進(jìn)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(jì)算可達(dá)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(xiàng)目各井覆蓋層鉆進(jìn)情況

5 存在的問(wèn)題

雖然該項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題。

(1)現(xiàn)場(chǎng)污染較為嚴(yán)重：由于受到現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(shí)間利用率較低，大量的時(shí)間浪費(fèi)在套管的焊接與切割上。

6 推廣應(yīng)用建議

空氣跟管鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合潛孔錘鉆進(jìn)工藝在流沙層、卵礫石等復(fù)雜地層中鉆進(jìn)具有較強(qiáng)的實(shí)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(dòng)力頭水井鉆機(jī)生產(chǎn)廠家及相關(guān)施工單位開(kāi)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(guò)頂絲夾緊固定在短鉆桿上，短鉆桿上部連接動(dòng)力頭，下部連接鉆桿，套管連接殼下端通過(guò)絲扣連接套管，因此可以實(shí)現(xiàn)鉆桿與套管的同步提起和同步回轉(zhuǎn)。固定罩通過(guò)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(guò)加接在排渣彎管的軟管(如膠管)引流到地面上，大大降低對(duì)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(chǎng)污染問(wèn)題，而且通過(guò)套管連接殼在短鉆桿上的上下滑動(dòng)調(diào)節(jié)鉆桿與套管之間的長(zhǎng)度配合。從而實(shí)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(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的深度開(kāi)發(fā)，也可以在地質(zhì)勘探、工程鉆孔中具有應(yīng)用前景。

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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(jí)工程師，探礦工程專業(yè)，碩士，長(zhǎng)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(hào)，966266@sina.com。

P634.5

B

1672-7428(2017)04-0036-03