張曉昂，郝登峰，劉國衛(wèi)，齊治虎*

（1.河南省煤田地質局，河南 鄭州 450016；2.河南豫中地質勘查工程有限公司，河南 鄭州 450016；3.河南省能源鉆井工程技術研究中心，河南鄭州 450016；4.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心（非常規(guī)天然氣開發(fā)研究），河南 鄭州 450016）

0 引言

王臺鋪礦隸屬于沁水盆地晉城礦區(qū)，歷經(jīng)60多年的開采，其煤層資源已經(jīng)枯竭，整個礦區(qū)于2017年關閉。受礦井開拓延伸及開采環(huán)境等因素的影響，王臺鋪礦礦井關閉后涌水量大幅增加。由于其15號煤層底板高于相鄰的鳳凰山生產(chǎn)礦，其涌水對鳳凰山礦的安全開采產(chǎn)生重要的影響［1-2］。為迅速排出涌水，王臺鋪礦決定對井下排水系統(tǒng)進行重新設計，在系統(tǒng)中加入大直徑直排井進行排水。直排井可將涌水從井下直接通過豎直通道排到地面，不影響礦井原排水系統(tǒng)且排水效率高，是目前礦井最常用的排水方法之一［3］。根據(jù)王臺鋪礦排水要求，需對礦井620水平主排水點布置3口直排井進行排水，直排井間距5 m，垂深205 m，井徑650 mm。由于鉆井目的層為礦井巷道，無法采用常規(guī)泥漿進行鉆進，而常規(guī)空氣鉆進空氣耗量大，鉆進成本高。為解決上述問題，本文提出了一種潛孔錘跟管鉆進工藝技術，采用大直徑潛孔錘進行沖擊回轉碎巖，提高了鉆進效率，利用隨鉆套管在井壁與鉆桿之間形成新的鉆井流體循環(huán)通道，有效降低了空氣消耗，在大直徑直排井鉆進施工中取得了顯著的效果［4］。

1 工程概況

王臺鋪直排井位于山西省晉城市北石店鎮(zhèn)朝天宮村1號風井院內，主要負責排除礦井620水平主排水點附近的涌水，涌水量約600 m3/h。根據(jù)工程設計，擬建設3口直排井進行排水，直排井間距5 m，底部鉆穿15號煤巷道，落底至620東大巷底板，垂深205 m。本區(qū)位于沁水復向斜、晉獲褶斷帶和沁水盆地南緣東西—北東向展布的弧形褶斷帶以及陽城西哄哄—晉城石盤東西向斷裂帶之間，井田內地層平緩，除波幅不大的褶皺外，斷層不發(fā)育，地質構造簡單，因此直排井擬設計為二開結構，如圖1所示。

圖1 王臺鋪直排井井身結構示意Fig.1 Profile of the straight drainage well in Wangtaipu Mine

一開：用?850 mm鉆頭鉆至10.7 m，下入?720 mm、壁厚8 mm的J55級表層套管10.7 m，封固地表疏松層，固井水泥返至地面。

二開：用?650 mm鉆頭鉆至205 m，下入?560 mm、壁厚12 mm的J55級生產(chǎn)套管205.5 m，生產(chǎn)套管高出地面0.5 m，不固井。

由于二開直徑設計為?650 mm，井深達205 m，常規(guī)技術鉆進較為困難：

（1）無法采用常規(guī)鉆井液進行鉆進。?650 mm井眼采用常規(guī)鉆井液鉆井時，受排量限制環(huán)空返速低，攜巖較為困難，機械鉆速低，如元壩103H井平均機械鉆速僅為1.18 m/h，且由于直排井二開底部直接與620東大巷巷道連通，若采用常規(guī)鉆井液鉆通巷道時，鉆井液會瞬間漏失，易造成井壁坍塌，并對巷道安全產(chǎn)生重要影響。

（2）采用常規(guī)氣體鉆進時，所需氣體排量理論上應大于300 m3/min，耗氣量大，設備成本高。尤其是鉆遇地層出水時，氣體排量和壓力進一步增大，設備配套壓力大。

（3）貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進可滿足大尺寸井眼鉆進需要，但該技術需要雙通道水龍頭、雙壁主動鉆桿和雙壁鉆桿等鉆具配套，且對鉆機要求高，施工成本較高。

針對上述問題，本文提出了一種大直徑潛孔錘跟管鉆進工藝技術，采用隨鉆跟管技術解決王臺鋪直排井大井眼施工的技術難題。

2 大直徑潛孔錘跟管鉆進技術

2.1 工作原理

大直徑潛孔錘跟管鉆進系統(tǒng)如圖2所示，其主要有鉆機、空壓機、孔口密封裝置、鉆桿、內套管、跟管機構、大直徑潛孔錘和鉆頭等組成。跟管機構底部直徑與鉆頭直徑接近，可沿內套管上下滑動，其長度與單根套管長度相近。

圖2 大直徑潛孔錘跟管鉆進系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of the large-diameter DTH hammer casing drilling system

工作時，高壓氣體經(jīng)鉆桿中心通道進入潛孔錘，驅動其沖擊碎巖，然后進入鉆頭中心通道下行冷卻鉆頭，并攜帶巖屑經(jīng)鉆頭與孔壁間的環(huán)形間隙上返。由于跟管機構與井壁間的環(huán)形間隙較小且環(huán)形空間由孔口密封裝置密封，當氣體與巖屑流經(jīng)潛孔錘頂部時，在壓差作用下進入跟管機構，然后經(jīng)內套管與鉆桿之間的環(huán)形間隙上返，最后經(jīng)由孔口密封裝置進入排砂管排出孔外。顯然，內套管與鉆桿之間的環(huán)形空間遠小于鉆桿與孔壁的環(huán)形間隙，因此可大幅降低空氣量的需求。

鉆進時，其工作原理如圖3所示。鉆機帶動鉆桿驅動潛孔錘和鉆頭回轉，內套管不回轉且其上部由吊卡固定在孔口密封裝置上。隨著鉆孔的延伸，鉆桿和潛孔錘、鉆頭不斷下行，跟管機構在重力作用下隨之沿內套管外表面下行，直至跟管機構頂部與內套管底端的限位臺階配合，回次結束。然后停鉆強力沖洗孔底，待排渣干凈后，打開孔口密封裝置，連接鉆桿和內套管開始下一回次鉆進，重復上述操作，直至完鉆。

圖3 大直徑潛孔錘跟管鉆進工作原理Fig.3 Working principle of large-diameter DTH hammer casing drilling

從大直徑潛孔錘跟管鉆進工作原理可知，該技術的最大優(yōu)勢在于鉆桿與井壁之間設計了一層內套管，氣體攜帶巖屑從內套管與鉆桿間的環(huán)形間隙上返，流動通道面積大幅減小，降低了空氣消耗量，且氣體對孔壁的擾動較小，復雜地層鉆進時能有效降低井壁的坍塌、掉塊等風險［5］。此外，內套管及跟管機構可現(xiàn)場取材并現(xiàn)場簡單制作，無需特殊加工，與貫通式潛孔錘反循環(huán)技術相比，設備配套簡單，鉆具要求低，大幅降低了設備成本。

與常規(guī)潛孔錘技術相比，大直徑潛孔錘跟管鉆進的關鍵在于跟管機構和孔口密封裝置的設計。

2.2 跟管機構

跟管機構如圖4所示，主要由內套管、滑動套管、上端蓋、導流罩、柵格底板、固定短管等組成?；瑒犹坠苡善胀ㄌ坠芗庸ざ?，外徑377 mm，其頂部上端蓋內徑與內套管外徑相同，尾端焊接有直徑580 mm的導流罩，導流罩內部設有多個徑向擋板，對導流罩進行支撐并作為氣體與巖屑的入口。鉆進時，跟管機構坐落在潛孔錘上方，隨潛孔錘沿內套管向下移動直至跟管機構頂端端蓋坐落在內套管的限位臺階上，鉆進回次結束。

圖4 跟管機構示意及實物Fig.4 Schematic diagram and physical product of the casing drilling mechanism

跟管機構可采用普通鉆井套管焊接而成，可就地取材。鉆進時，其主要依靠重力沿內套管下行，結構簡單可靠。

2.3 孔口密封裝置

孔口密封裝置是大直徑潛孔錘跟管鉆進技術的重要組成部分，主要用于孔口密封并將巖屑引導至泥漿池內［6］。如圖5所示，孔口密封裝置主要由殼體、連接法蘭、端部密封系統(tǒng)、旋轉密封系統(tǒng)和套管吊卡組成?？卓诿芊庋b置通過法蘭與孔口管連接，兩者之間設置一個橡膠密封墊圈，用于密封內套管與連接法蘭之間的環(huán)狀間隙，防止氣體和巖屑從該間隙溢出，該密封結構可視為孔口一級密封。套管吊卡用于懸掛內套管，在加接套管時防止其落入井底。

圖5 孔口密封裝置示意及實物Fig.5 Schematic diagram and physical product of the wellhead sealing device

旋轉密封系統(tǒng)由膠塞、軸承和外管組成。軸承內圈直徑大于鉆桿直徑，兩者之間通過膠塞密封，膠塞可隨鉆桿回轉。旋轉系統(tǒng)外管上設有排砂管，將氣體和巖屑引到泥漿池。該旋轉密封系統(tǒng)可防止巖屑從鉆桿與殼體之間的環(huán)空上行，可視為孔口密封裝置的二級密封。

旋轉密封系統(tǒng)頂部設有端部密封系統(tǒng)，防止旋轉密封系統(tǒng)失效后氣體攜帶巖屑從孔口逸出，影響現(xiàn)場作業(yè)安全。

2.4 大直徑潛孔錘及鉆頭

氣動潛孔錘是利用壓縮空氣交換進入前后氣室，推動潛孔錘活塞往復沖擊鉆頭，破碎孔底巖石［7］，合理選用潛孔錘，對提高大直徑孔施工的工作效率，降低施工成本具有重要意義。本研究采用TH24型潛孔錘，該潛孔錘無內缸結構，可靠性高，耗氣量低，廣泛用于鉆進硬巖地層和溶洞、裂隙等復雜地層。潛孔錘外徑525 mm，工作風壓1.7～2.4 MPa，工作風量95 m3/min，鉆孔直徑600～800 mm。

TH24-650型鉆頭底面形狀為中心下陷型，在采用低—中風壓鉆進軟—中硬以及裂隙地層時，有較好的鉆進效率和鉆孔垂直度，適用于煤層及煤系地層的大直徑孔項目施工［8］。鉆頭直徑650 mm，噴嘴數(shù)量6個。潛孔錘及鉆頭如圖6所示。

圖6 TH24-650型大直徑潛孔錘及鉆頭Fig.6 TH24-650 large-diameter DTH hammer and bit

2.5 套管選型

隨鉆進深度的增加，套管連接數(shù)增加，其自身重力隨之增加，內部應力達到屈服極限時，套管便會發(fā)生斷裂失效。因此，建立套管應力理論模型，確定不同鉆進深度所需的套管參數(shù)，對保證潛孔錘跟管鉆進安全具有重要意義。

根據(jù)套管受力情況（見圖7）可以判斷套管破壞形式主要為退刀槽處的軸向拉壓變形破壞?？紤]到施工及設備安全，當結構發(fā)生塑性變形時即認為套管強度失效。

從圖7可知，隨鉆進深度增加，套管柱自重隨之增加使其易在壁厚薄弱的螺紋根部退刀槽處最先發(fā)生過載破壞。根據(jù)材料力學理論，采用截面法研究套管螺紋退刀槽處截面I-I處正應力如下式：

圖7 套管軸向受力示意Fig.7 Axial force on casing

式中：σ——軸向力引起的套管截面正應力，Pa；F——套管柱所受拉力，N；P——套管所受壓力，N；n——套管安裝節(jié)數(shù)；l——單節(jié)套管長度，m；ρ——單位長度套管質量，kg/m；A——套管螺紋根部斷面面積，m2；D——套管外徑，m；Dt——退刀槽內徑，m。

則套管縱向破壞荷載校核如下式：

式中：σs——材料屈服強度，Pa；S1——安全系數(shù)，考慮套管跟管鉆進時會受到地層摩擦力、退刀槽截面會產(chǎn)生應力集中造成疲勞破壞，S1數(shù)值一般取3～5。

生3：詹天佑你是多么認真呀！“大概、差不多”不能說，真是精益求精。而我呢，做事學習總抱有“馬馬虎虎，差不多就行了”的態(tài)度，看來，我今后無論做什么也該一絲不茍呀！

本技術采用?273 mm套管進行跟管鉆進，套管屈服強度400 MPa，軸向壓力為0，單節(jié)套管長度8 m，螺紋牙高1.5 mm，由于跟管鉆進過程中，套管所受擾動較小，因此安全系數(shù)取3。根據(jù)《地質鉆探手冊》套管規(guī)格［9］，可由式（2）計算不同壁厚套管的跟管深度，其結果如圖8所示。

圖8 不同壁厚套管可跟管深度Fig.8 Casing drilling depth of casing with different thickness

由于王臺鋪礦直排井井深僅205 m，因此選用壁厚7.1 mm的套管進行跟管鉆進，以減少施工成本。

3 現(xiàn)場應用

3.1 施工設備及機具

該直排井設計井深205 m，選用TSJ-2000型水源鉆機。該鉆機依靠轉盤帶動鉆桿與潛孔錘回轉，傳動平穩(wěn)，密封性好，廣泛用于水源、中淺層石油、天然氣等鉆探，也可用于地熱、地質等其它工程鉆孔。額定鉆進深度1500～2000 m，轉盤最大扭矩18 kN·m，卷揚機最大提升力90 kN。

空壓機選用1070P型空壓機，額定風壓2.4 MPa，額定風量30.3 m3/min。

鉆塔垂直高度24.5 m，最大負荷500 kN。

3.2 鉆進規(guī)程參數(shù)設計

潛孔錘鉆進工藝參數(shù)包括鉆壓、轉速、供風量和風壓等參數(shù)。合理選擇鉆進規(guī)程有利于提高設備工作效率、保持孔底清潔、提高機械鉆速、降低開發(fā)成本等。

3.2.1 注氣量

潛孔錘鉆進時，供風量須同時滿足潛孔錘工作和攜巖需求，注氣量不足時，難以有效地將井下巖屑順利、連續(xù)地輸送至地表，會在井內聚集造成沉降卡鉆，同時降低潛孔錘輸出功率，影響碎巖效率及鉆進速度。當注氣量過大時，盡管可提高潛孔錘沖擊功，但其能量利用率降低，能量損失大，且易發(fā)生活塞斷裂、鉆頭快速磨損等復雜事故。正常作業(yè)時，空壓機壓力主要克服壓縮空氣在循環(huán)系統(tǒng)中的沿程損失、局部損失和溫度變化產(chǎn)生的壓力降，以保證潛孔錘正常作業(yè)、巖屑順利上返至地表。通常情況下，相同條件下的潛孔錘，風壓越高，沖擊能量越大，鉆速也隨之增加［10-12］。

式中：Q——壓風機的供風量，m3/min；v——上返風速，一般取15～25 m/s；D——套管內徑，m；d——鉆桿外徑，m；K1——孔深修正系數(shù)，孔深為100～200 m時，取1.05～1.1，孔深為500 m時，取1.25～1.3；K2——孔內有涌水時的風量增加系數(shù)，中、小涌水量時，取1.5。

依據(jù)王臺鋪礦直排井井身結構、地層出水量及施工工藝，由式（3）計算該直排井最小注氣量為59.30 m3/min。又因TH-24型潛孔錘工作耗氣量為96 m3/min，故推薦該直排井注氣量為60～90 m3/min。

3.2.2 鉆壓

潛孔錘工作時，靜載鉆壓能克服其回彈，保證切削具與巖石緊密接觸，將沖擊波傳遞給巖石，實現(xiàn)高效碎巖。但鉆壓過大會導致鉆頭回轉扭矩及摩擦力增大，引起切削齒過度磨損［14-15］。鉆壓主要由潛孔錘性能和巖石性質決定，合理的單位鉆頭直徑鉆壓推薦值為0.05～0.1 kN/mm［9］。

王臺鋪直排井所使用的大直徑潛孔錘鉆頭直徑為650 mm，故推薦鉆壓的取值范圍為32.5～65 kN。

3.2.3 工作轉速

潛孔錘工作時，回轉主要改變切削齒碎巖位置，同時剪切破壞齒間巖脊。轉速過高將加快切削齒磨損，過低將造成切削刃重復破碎，引起鉆頭回轉受阻，導致鉆進效率降低［16］。因此，轉速是否合理將直接影響鉆進速度和鉆頭壽命。通常情況下，巖石越硬或鉆頭直徑越大，轉速越小。根據(jù)鉆遇地層，可選擇的轉速范圍為：覆蓋層40～60 r/min，軟巖層30～50 r/min，中硬巖層20～40 r/min，硬巖層10～30 r/min。

由于王臺鋪礦直排井鉆遇地層為砂巖和泥巖，巖性較軟，又因該直排井使用的鉆頭直徑大，因此推薦該直排井轉速為30 r/min。

3.3 鉆井施工工藝

（1）一開井段施工。為施工便利，降低施工成本，利用?850 mm旋挖鉆機及人工開挖的方式，鉆進10.7 m穿過表層土層。鉆進完畢后下入?720 mm表層套管1根，經(jīng)48 h固井候凝后開展二開鉆井施工。

（2）二開井段施工。二開鉆井主要使用潛孔錘跟管鉆進技術，鉆柱組合為：?650 mm潛孔錘鉆頭+?525 mm潛孔錘+?178 mm鉆鋌+扶正器+?127 mm鉆桿+方鉆桿。跟管機構內套管采用常規(guī)?273 mm套管。

3.4 王臺鋪礦直排井施工效果

王臺鋪礦3口直排井均采用本文提出的新型大直徑潛孔錘跟管鉆進技術，總進尺為583 m。根據(jù)施工情況，大直徑潛孔錘跟管鉆進技術取得了較好的效果。

（1）鉆進效率高、施工成本低。王臺鋪礦3口直排井平均建井周期20 d，平均鉆效10 m/h，鉆進效率大大提高。鉆井過程中供風量為60.6 m3/min，風壓為2.0～5.0 MPa，排渣效果良好，有效減少了空壓機風量要求，大幅降低了施工成本。排渣效果如圖9所示。

圖9 跟管鉆進上返的巖屑Fig.9 Cuttings returned in casing drilling

（2）全井測斜、糾偏，保證了鉆孔垂直度。為保證成孔質量，王臺鋪礦3口直排井均進行全井測斜，每9 m測斜一次。井斜角超過1°時，下入無磁鉆鋌準確測定鉆孔傾角及方位角，同時開展鉆孔糾偏作業(yè)。3口井完鉆時，全井井斜均低于1°，“狗腿”度小，井身質量優(yōu)秀。

（3）王臺鋪礦3號煤層已開采完畢，形成采空區(qū)，其地質條件復雜，易造成地層失穩(wěn)、坍塌、漏風等現(xiàn)象［17］。鉆至采空區(qū)時，跟管鉆進技術無法通過開放空間形成有效循環(huán)，井內大量巖屑重復循環(huán)無法排出，從而產(chǎn)生卡鉆、埋鉆等事故。為此，現(xiàn)場采用清水排渣、水泥漿堵漏的方式解決穿采空區(qū)施工困難問題。該方法堵漏效果明顯，后續(xù)持續(xù)鉆進至205 m深巷道底部時無異常情況發(fā)生。

4 結論

大直徑孔鉆探施工不僅對人員綜合技術水平、鉆探設備能力及配套設備要求高，而且鉆孔質量控制難度大，因此在王臺鋪礦直排井項目施工中，設計了一種新型潛孔錘跟管鉆進技術，經(jīng)現(xiàn)場應用得出以下結論：

（1）大直徑潛孔錘跟管鉆進技術成功應用于王臺鋪礦3口直排井的施工，總進尺583 m，平均鉆速10 m/h，全井空氣鉆進過程較為順利。

（2）大直徑孔施工中加入跟管機構后，有效減少空氣消耗量，只需配備2臺空壓機，即可滿足空氣消耗量要求，大幅降低了施工成本；且跟管機構由現(xiàn)有規(guī)格套管加工而來，結構簡單，安裝方便。

（3）孔口密封裝置密封效果良好，有效防止了空氣和巖屑從孔口溢出，保證了跟管鉆進順利進行。

（4）鉆遇3號煤層采空區(qū)時，由于循環(huán)漏失導致巖粉無法上返，因此需對跟管機構進行改進，以提高大直徑潛孔錘跟管鉆進技術在穿采空區(qū)施工的能力。