石荊京，張海林，蘇園園，胡志航，鄭秀華*

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083；2.北京泰利新能源科技發(fā)展有限公司，北京101118）

0 引言

湖南永州舜皇山基巖地?zé)嵘罹@遇的主要地層為基巖，常規(guī)牙輪鉆進(jìn)與泥漿鉆進(jìn)工藝存在鉆進(jìn)效率低、堵塞儲(chǔ)層、影響出水量的可能?？諝鉂摽族N鉆進(jìn)是當(dāng)代多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)方法之一，當(dāng)井內(nèi)條件適合時(shí)，空氣潛孔錘可以有效地減少鉆井時(shí)間，但存在的問(wèn)題是，目前采用空氣潛孔錘技術(shù)的鉆井深度都在1000 m左右，地層深度越大，井內(nèi)鉆井液柱壓力也就越大，空氣潛孔錘鉆進(jìn)的難度也會(huì)隨之增大；而且，空氣潛孔錘對(duì)地層出水量要求很高，對(duì)于較深的地層，當(dāng)出水量超過(guò)鉆進(jìn)要求時(shí)，空氣潛孔錘就無(wú)法進(jìn)行正常的沖擊工作。因此需要對(duì)空氣潛孔錘技術(shù)的鉆探深度和地層出水量作進(jìn)一步的探索。

1 空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)

1.1 技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)是一種用連接在鉆頭上的沖擊器給予鉆頭高頻沖擊能量，進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的技術(shù)。這種技術(shù)主要適用于基巖地層鉆進(jìn)［1］，在沖擊載荷的作用下，使巖石發(fā)生體積破碎。

國(guó)外的空氣潛孔錘技術(shù)發(fā)展始于20世紀(jì)30年代中期，主要用于提高采石、采礦效率，70年代早期，空氣潛孔錘技術(shù)發(fā)展到水井、油氣井、地?zé)峋凸腆w礦產(chǎn)等方面［2］。70-80年代，在加拿大洛基山、Appalachian、Permian盆地等已經(jīng)廣泛應(yīng)用空氣錘，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)發(fā)明了很多專利，例如加潤(rùn)滑添加劑鉆深井的空氣錘、帶取心式鉆頭的空氣錘等［3］。

國(guó)內(nèi)的空氣潛孔錘技術(shù)首先應(yīng)用于淺井（孔）施工中。20世紀(jì)70年代，空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)引入國(guó)內(nèi)，并不斷發(fā)展和完善，在水文、地質(zhì)勘探等淺井中得以應(yīng)用推廣［4］。2000年以后，空氣潛孔錘在淺層涼水井及基巖地埋管鉆探方面得到了廣泛地應(yīng)用［5-6］。最近幾年，空氣潛孔錘技術(shù)已成為淺層涼水井和基巖地埋管領(lǐng)域的首選鉆進(jìn)技術(shù)，處于大規(guī)模應(yīng)用階段［7-10］。

空氣潛孔錘技術(shù)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)深井鉆探始于2000年，最先應(yīng)用于石油行業(yè)，中石油和中石化都對(duì)空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用與推廣。2003年中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院開始了對(duì)油田氣體鉆井中應(yīng)用空氣錘技術(shù)的研究工作，表1中列出了中石油部分采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)。

表1 中石油部分空氣潛孔錘鉆井?dāng)?shù)據(jù)Table 1 Some air DTH hammer drilling data by CNPC

從表1可知，鉆進(jìn)深度最大的是東升1井，已達(dá)3276.18 m；各井平均機(jī)械鉆速在15.85～33.93 m/h，鉆進(jìn)效率很高。

國(guó)內(nèi)地?zé)嵝袠I(yè)應(yīng)用空氣潛孔錘始于最近幾年。隨著人們生活水平的提高，對(duì)旅游康養(yǎng)、醫(yī)療保健的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，很多南方地市便開始探索開發(fā)基巖裂隙型地?zé)釡厝Y源［13-15］，因此催生并加速了空氣潛孔錘技術(shù)在地?zé)峋械膽?yīng)用。2015年開始，很多水文地質(zhì)勘查及地?zé)釓臉I(yè)單位都在探索使用空氣潛孔錘技術(shù)開展地?zé)峋@探工作，在地?zé)峋婚_鉆進(jìn)過(guò)程中，采用空氣潛孔錘技術(shù)已經(jīng)非常普遍［16-18］；在地?zé)峋_鉆進(jìn)過(guò)程中采用空氣潛孔錘技術(shù)也有很多單位在嘗試［18-21］。

井內(nèi)條件適合時(shí)，空氣潛孔錘可以有效地減少鉆井時(shí)間，但仍受到深度和出水量的限制，目前鉆井深度都在1000 m左右，而且在井較深時(shí)，如果地層出水量超出一定范圍，空氣潛孔錘將無(wú)法進(jìn)行正常的沖擊工作。

北京泰利新能源科技發(fā)展有限公司近5年來(lái)由易到難逐步推廣了地?zé)峋疂摽族N鉆進(jìn)技術(shù)。2015-2016年在5眼地?zé)峋婚_（孔徑311 mm）鉆探中，以及2016-2017年在3眼地?zé)峋婚_（孔徑311 mm，深度500 m）、二開（孔徑216 mm，深度1200～1500 m）鉆探中應(yīng)用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)；2017-2018年在2眼地?zé)峋袘?yīng)用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)鉆探終孔，最大鉆孔深度達(dá)2250 m；自2019年起，在北京泰利新能源公司內(nèi)部強(qiáng)制推行地?zé)峋諝鉂摽族N鉆進(jìn)技術(shù)。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)是一種低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、高沖擊破巖回轉(zhuǎn)的鉆進(jìn)技術(shù)，它兼容了氣體鉆井和沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，其鉆效比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)高10～20倍。與常規(guī)泥漿循環(huán)牙輪鉆進(jìn)相比，空氣潛孔錘在地?zé)峋@探中主要具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）鉆效高：空氣潛孔錘鉆效一般在10～30 m/h，是常規(guī)牙輪鉆進(jìn)的10～20倍，且地層硬度越大，鉆效優(yōu)勢(shì)越明顯。

（2）保護(hù)儲(chǔ)層：采用氣體作為鉆井介質(zhì)，鉆井過(guò)程始終保持井孔內(nèi)為負(fù)壓狀態(tài)，減少對(duì)含水層的損害，同時(shí)破碎的巖屑會(huì)被空氣由環(huán)空從井眼帶出，相當(dāng)于邊鉆進(jìn)邊洗井。

2 工程概況

2.1 舜皇山地質(zhì)概況

舜皇山地區(qū)及其附近出露地層為單一的越城嶺花崗巖主體，見(jiàn)圖1。巖體特質(zhì)如下：

圖1 舜皇山項(xiàng)目綜合勘查成果圖Fig.1 Map of the comprehensive survey results from the Shunhuang Mountain project

（1）巖體侵入與前泥盆系形成的復(fù)式背斜軸部，呈不規(guī)則長(zhǎng)條狀，軸向與圍巖構(gòu)造線方向基本上一致。

（2）巖體與圍巖的接觸線多呈彎曲狀，東部與震旦系、奧陶系呈侵入接觸，傾向東或南東，傾角較陡，接觸面產(chǎn)狀為120°∠70°；北部與寒武系、奧陶系呈侵入接觸，接觸面傾向圍巖，傾角在20°～40°；西部與震旦系呈侵入接觸，局部地段與白堊系呈斷裂接觸；巖體東部龍水北西一帶，與泥盆系中統(tǒng)跳馬澗組呈沉積接觸，故巖體屬加里東期。

（3）巖石呈灰白色，風(fēng)化后呈黃灰、棕灰色。巖性變化不大，以中粒斑狀黑云母花崗巖為主，局部分布有中粒斑狀黑云母二長(zhǎng)花崗巖，個(gè)別還有中粒斑狀黑云母二長(zhǎng)巖，后兩者因分布范圍很小，與中粒斑狀黑云母花崗巖呈逐漸過(guò)渡關(guān)系。

2.2 鉆井設(shè)計(jì)

舜皇山基巖地?zé)嵘罹O(shè)計(jì)井深為2000 m，設(shè)計(jì)出水量為400 m3/d，設(shè)計(jì)出水溫度為40℃，鉆遇地層主要為花崗巖，設(shè)計(jì)取水段為1000～2000 m，總設(shè)計(jì)工期為6個(gè)月。各井段的具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各井段設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters for each well section

3 空氣潛孔錘鉆進(jìn)參數(shù)選擇

3.1 風(fēng)量、風(fēng)速和風(fēng)壓的選擇

空氣潛孔錘鉆進(jìn)最大的成本支出就是空壓機(jī)租賃費(fèi)和耗油費(fèi)，而上述費(fèi)用的高低與風(fēng)量、風(fēng)壓關(guān)系密切。供風(fēng)量不僅是保證沖擊器工作的基本條件，也是保證鉆孔是否能正常排粉的重要因素，因?yàn)樵诟煽諝獾你@進(jìn)情況下，排粉效果的好壞，主要是和上返風(fēng)速有關(guān)，而風(fēng)速與供風(fēng)量有直接關(guān)系。

風(fēng)量根據(jù)所用沖擊器的性能以及要滿足洗井所需的上返風(fēng)速而確定。因?yàn)閹r屑在氣流介質(zhì)中由于本身的粘度、密度和形狀的不同而具有不同的懸浮速度，因此要使巖屑有效地排出井外，達(dá)到井底干凈，就必須采用大于巖屑懸浮速度的上返風(fēng)速。對(duì)于反循環(huán)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)來(lái)說(shuō)不存在此類問(wèn)題，對(duì)于一般正循環(huán)鉆進(jìn)，壓縮空氣在鉆桿與井壁環(huán)狀間隙中的上返流速，一般為15～25 m/s。供風(fēng)量的選擇與確定，主要是要保證一定的環(huán)空上返風(fēng)速，依下列公式推算：

式中：Q——空壓機(jī)的供風(fēng)量，m3/min；v——上返風(fēng)速，一般取15～25 m/s；D——鉆井實(shí)際直徑，m；d——鉆桿外徑，m；K1——井深修正系數(shù)（由于井深環(huán)狀間隙壓力損失增大，導(dǎo)致流量減?。话憔钤?00～200 m時(shí)K1=1.05～1.1，井深在500 m時(shí)K1=1.25～1.3；K2——井內(nèi)有涌水時(shí)的風(fēng)量增加系數(shù)，與涌水量有關(guān)，中、小涌水量時(shí)K2=1.5。

空氣潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，空壓機(jī)壓力主要用于克服壓縮空氣在整個(gè)流動(dòng)通道中的沿程損失和各個(gè)局部壓力損失，克服井內(nèi)水柱壓力和提供潛孔錘工作所需的壓力。鉆進(jìn)速度與所供給的風(fēng)壓密切相關(guān)。通常規(guī)律是其相同條件下風(fēng)壓越高鉆速越快。隨井深的增加所需壓力也增大，如鉆?120 mm的井，深150 m時(shí)需消耗風(fēng)壓1.4 MPa，深200 m時(shí)需消耗風(fēng)壓1.7 MPa。不同沖孔方法對(duì)配備空壓機(jī)能力要求也不同。此外，在有水的情況下鉆進(jìn)，背壓對(duì)潛孔錘風(fēng)壓每10 m增加0.1 MPa。

3.2 鉆壓的選擇

潛孔錘的破碎原理主要是靠沖擊動(dòng)載作用下破碎巖石，鉆進(jìn)效率高低主要取決沖擊功的大小及頻率的多少。而鉆壓是保證沖擊功充分發(fā)揮作用的輔助力，鉆壓過(guò)大和過(guò)小都會(huì)影響潛孔錘鉆進(jìn)的正常進(jìn)行。表3為不同規(guī)格的潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)適宜的鉆壓范圍。

表3 空氣潛孔錘鉆進(jìn)適宜的鉆壓范圍Table 3 Suitable WOB range for air DTH hammer dr illing

3.3 轉(zhuǎn)速的選擇

潛孔錘鉆進(jìn)以沖擊碎巖為主，合理的轉(zhuǎn)速選擇，對(duì)鉆頭壽命乃至鉆進(jìn)成本至關(guān)重要。轉(zhuǎn)速太快，對(duì)鉆頭的壽命不利，特別在研磨性強(qiáng)的巖層，轉(zhuǎn)速過(guò)快將使鉆頭外圍的刃齒很快磨損和碎裂。轉(zhuǎn)速太慢，則將使柱齒沖擊時(shí)與已有沖擊破碎點(diǎn)（凹坑）重復(fù)，導(dǎo)致鉆速下降。常規(guī)是巖石越硬或鉆頭直徑越大，越要求用較低之轉(zhuǎn)速。

通過(guò)對(duì)潛孔錘鉆進(jìn)效率、鉆頭壽命等因素進(jìn)行綜合考慮，不同巖層對(duì)于轉(zhuǎn)速的要求也不相同，覆蓋層為40～60 r/min；軟巖層為30～50 r/min；中硬巖層為20～40 r/min；硬巖層為10～30 r/min。由于舜皇山地?zé)峋@遇地層主要為花崗巖，所以無(wú)特殊情況只采用一擋鉆進(jìn)，以降低轉(zhuǎn)速，防止崩齒。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 不同鉆進(jìn)工藝效率及效果對(duì)比分析

該井鉆遇地層主要為花崗巖，其硬度較大。鉆井施工數(shù)據(jù)如下：

一開井徑311 mm，深度0～635 m，管徑245 mm；二開井徑216 mm，深度635～1318 m，管徑178 mm（花管）；三開井徑152 mm，深度1318～1820 m，裸眼成井。實(shí)際井深為1820 m；取水段范圍較大，為800～1820 m；出水量為400 m3/d，出水溫度為43℃。

表4列出了實(shí)際鉆井過(guò)程中空氣潛孔錘鉆進(jìn)與牙輪鉆進(jìn)的鉆效數(shù)據(jù)。從表4可知，空氣潛孔錘鉆進(jìn)在出水量較大的一開井段純鉆鉆效為13 m/h，是常規(guī)牙輪鉆進(jìn)效率的23倍；二開井段采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)的純鉆鉆效為11.3 m/h，是常規(guī)牙輪鉆進(jìn)效率的17.9倍；在三開井段，空氣潛孔錘鉆進(jìn)的純鉆鉆效也達(dá)到了8.5 m/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)牙輪鉆進(jìn)的鉆進(jìn)效率。這說(shuō)明在花崗巖地層，采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)效率很高，極大地節(jié)省了鉆井時(shí)間，從而降低了鉆井成本。

表4 實(shí)際鉆效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Actual drilling efficiency data

4.2 舜皇山空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)

與國(guó)內(nèi)同類型地?zé)峋啾?，舜皇山地?zé)峋诰罘矫鎸?shí)現(xiàn)重大突破，井深達(dá)到1820 m，地層出水量最大達(dá)到了20～60 m3/h，出水溫度為43℃，基本滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。表5列出了各井段空氣潛孔錘的施工參數(shù)。從表中可以看出，一開井段地層的出水量達(dá)到了20～60 m3/h，是整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中出水量最大的一段。但是由于一開空氣潛孔錘鉆進(jìn)的深度只有300 m，工作氣壓僅為2.0～2.8 MPa。二開井段出水量只有5～10 m3/h，但是隨著鉆進(jìn)深度的增大，井內(nèi)鉆井液液柱壓力也在不斷增大，需要增大工作氣壓來(lái)保持壓力平衡，所以增加2臺(tái)增壓機(jī)來(lái)增大排氣壓力；利用較大的氣壓將地層出水吹成霧氣狀態(tài)，通過(guò)井眼排出；三開井段深度已經(jīng)超過(guò)1318 m，此時(shí)地層壓力達(dá)到最大，出水量變?yōu)?5～16.17 m3/h，所以工作氣壓也隨之增大到4.5～5.0 MPa；與一開和二開相比，三開井段的直徑較小，所以工作鉆壓也相對(duì)較小，只有10～15 kN。

表5 各井段空氣潛孔錘鉆進(jìn)施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 5 Drilling parameters of the air DTH hammer for each well section

通過(guò)施工的實(shí)際情況可以看出，采用空氣潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝具有以下特點(diǎn)：

（1）工作鉆壓與鉆井直徑有關(guān)，鉆井直徑越大，工作鉆壓越大。

（2）工作氣壓與鉆井深度和出水量有關(guān)，鉆井深度越大，出水量越大，在符合地層出水量要求的情況下，工作氣壓也就越大。

（3）鉆進(jìn)過(guò)程就是洗井過(guò)程，所以，對(duì)地層和含水層無(wú)污染、無(wú)堵塞。出水較多的地層，可以通過(guò)風(fēng)壓將地層水吹成霧化狀態(tài)，將巖屑與水通過(guò)環(huán)空從井眼排出，從而保持環(huán)空清潔和干燥，保證鉆進(jìn)的持續(xù)進(jìn)行以及鉆進(jìn)效率的最大化。

（4）鉆進(jìn)效率高，成井速度快，大幅度縮短鉆井時(shí)間，從而降低了鉆井成本。

4.3 空氣潛孔錘鉆進(jìn)注意事項(xiàng)

4.3.1 鉆壓與轉(zhuǎn)速控制

要保證平穩(wěn)施加鉆壓，鉆機(jī)剎把要采用勤放、少放原則以控制鉆壓；無(wú)特殊情況只采用一擋鉆進(jìn)，以降低轉(zhuǎn)速，防止崩齒。

4.3.2 風(fēng)壓控制

一開只采用空壓機(jī)施工期間，最高風(fēng)壓控制在2.8 MPa以內(nèi)；二開及以下井段采用空壓機(jī)+增壓機(jī)施工期間，最高風(fēng)壓控制在5.0 MPa以內(nèi)。一般每鉆進(jìn)2 m左右提鉆30～50 cm釋放壓力以排渣，一般壓力釋放時(shí)間為20～40 s；井深增加釋放時(shí)間加長(zhǎng)，井深超過(guò)1500 m后壓力釋放時(shí)間≮60 s。

4.3.3 接單根與排渣

（1）每次接單根之前，要將井內(nèi)鉆具采用蓋桶蓋好以防雜物落入鉆具內(nèi)；要確保所接單根經(jīng)過(guò)鋼絲球沖刷過(guò)鉆桿內(nèi)壁，接之前要采用大錘重力錘擊以將鉆桿內(nèi)壁可能附著的鐵銹或其他雜物震掉，并采用高壓氣體吹刷一遍后方可正式接單根。

（2）要盡量縮短接單根時(shí)間，單根接完后要關(guān)閉井口旋轉(zhuǎn)放噴器蓋板，之后方可開空壓機(jī)供氣鉆進(jìn)。

（3）鉆進(jìn)過(guò)程中視實(shí)際情況，通過(guò)泡沫泵向井內(nèi)注入泡沫，具體注入頻率由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)而定，以滿足排渣泡沫注入量最小為原則。

（4）當(dāng)井底沉渣過(guò)多無(wú)法接單根時(shí)，需采用集中打泡沫清底后再接單根；單次清底集中打泡沫量宜為1～2 m3（不宜超過(guò)2 m3，否則放噴壓力過(guò)大易發(fā)生意外）。

（5）每接4～5個(gè)單根時(shí)需向鉆具內(nèi)倒入少量沖擊器潤(rùn)滑油。

（6）每次接單根停氣前先將鉆頭提離井底4～5m，以防堵鉆。

4.3.4 起下鉆

（1）每次起鉆后需測(cè)量所提起鉆頭外徑尺寸，觀察鉆釬頭上硬質(zhì)合金磨損情況，新下入鉆頭直徑要視舊鉆頭磨損情況而定，盡量縮小新舊鉆頭級(jí)差。

（2）每次下鉆前需將沖擊器卸開清洗干凈、重新組裝完畢并加注潤(rùn)滑油；下鉆前需在井口試振沖，沖擊器正常振沖后方可下鉆。

（3）每次下鉆到底后需在井口鉆具處接入1個(gè)單向閥（其他位置不得加單向閥）。下鉆至1300～1400 m時(shí)，先用泥漿泵向鉆具內(nèi)打入干凈的清水，當(dāng)井口返水確認(rèn)鉆具通道通暢后，開啟增壓機(jī)吹水降壓，之后視出水量大小每300～500 m吹水降壓一次，直至接近井底。

（4）下鉆到距離井底10 m以內(nèi)時(shí)需接上方鉆桿，關(guān)閉井口旋轉(zhuǎn)放噴器蓋板，啟動(dòng)空壓機(jī)供氣正常后再慢慢將鉆頭下放至井底。

5 結(jié)論

（1）在舜皇山地?zé)嵘罹袘?yīng)用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)，實(shí)踐表明，空氣潛孔錘鉆進(jìn)效率達(dá)到了常規(guī)牙輪鉆進(jìn)效率的17.9～23倍。在堅(jiān)硬的地層采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)可節(jié)約大量的鉆井時(shí)間，從而顯著提高直接經(jīng)濟(jì)效益，且對(duì)含水層沒(méi)有傷害。邊鉆進(jìn)邊洗井，減少了洗井工序，降低了成本。

（2）舜皇山基巖地?zé)嵘罹木顬?820 m，是目前空氣潛孔錘技術(shù)在地?zé)峋兴苓_(dá)到的比較大的深度，實(shí)現(xiàn)了鉆探深度的突破。舜皇山地層出水量最大達(dá)到了20～60 m3/h，在深度為1318～1820 m的井段，出水量也達(dá)到了15～16.17m3/h，屬于出水量較大的地層，針對(duì)不同地層和不同出水量，通過(guò)調(diào)整空壓機(jī)以及增壓機(jī)的參數(shù)，成功解決了出水量過(guò)大、空氣潛孔錘無(wú)法進(jìn)行正常沖擊工作的難題。

（3）由于空氣潛孔錘特殊的鉆進(jìn)工藝，所以對(duì)于鉆壓、轉(zhuǎn)速以及風(fēng)壓的控制也就十分重要。本次舜皇山地?zé)徙@井項(xiàng)目總結(jié)了部分注意事項(xiàng)以及異常情況的應(yīng)對(duì)方案。由于地層的多樣性以及特殊性，無(wú)法保證面面俱到，但仍為今后推廣地?zé)峋疂摽族N鉆探技術(shù)提供了技術(shù)參考。