邱化村，馬玉君，李溪清

（核工業(yè)二一六大隊鉆探工程院，烏魯木齊 830011）

核工業(yè)二一六大隊鉆探工程院在新疆伊犁蒙其古爾地區(qū)長期從事地浸工藝鉆孔施工，積累了豐富的鉆探施工技術(shù)和施工組織管理經(jīng)驗。本文緊密結(jié)合伊犁地浸工藝鉆孔施工案例，就鉆孔開窗切割的施工方法展開討論。

1 開窗式切割鉆孔概述

開窗式切割鉆孔是指在鉆孔裸孔內(nèi)安裝硬聚氯乙烯（UPVC）井管，將井管外環(huán)空全部揭露地層用水泥封死，然后在井管內(nèi)將礦層段切開并安裝內(nèi)置過濾器的鉆孔。該鉆孔施工分為一次成井和二次成井兩部分，其中一次成井采用Φ244 mm 鉆頭開孔，施工至含礦含水層頂板位置，更換Φ215 mm 鉆頭施工至設(shè)計孔深進(jìn)行綜合測井，根據(jù)設(shè)計要求，安裝UPVC 井管，在井管內(nèi)部下入Φ50 mm 注漿管，進(jìn)行逆向水泥固井，直到孔口返漿，完成一次成井。鉆孔候凝10～15 d后，在井管內(nèi)部下入Φ60 mm 鉆桿連接切割器進(jìn)行礦層段開窗切割施工，鉆孔開窗切割完成后依次進(jìn)行清渣沖孔、測井、內(nèi)置過濾器安裝、逆向填礫、洗井工序，最終完成二次成井[1]。開窗式切割鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開窗式切割鉆孔結(jié)構(gòu)

2 施工設(shè)備與材料的選擇

2.1 切割鉆機(jī)的選擇

鉆孔開窗切割工藝施工需要通過鉆機(jī)帶動Φ60 mm鉆桿在井管內(nèi)回轉(zhuǎn)，為切割器提供動力。根據(jù)鉆孔開窗切割技術(shù)要求，選擇巖心立軸式鉆機(jī)較為適合，其優(yōu)點為鉆塔可立鉆桿柱，配有擰管機(jī)，提下鉆方便快捷，鉆機(jī)配有足夠儀表，利于掌握孔內(nèi)情況，操縱手柄少且布局合理，操縱靈活可靠。轉(zhuǎn)速級數(shù)多，低速扭矩大，鉆機(jī)卡盤采用液壓柱銷式，夾緊可靠，設(shè)備整體質(zhì)量較小、可拆性好，便于搬遷，滿足鉆孔開窗切割工序的技術(shù)要求。推薦使用XY-5、XY-6N、XY-6B 等型號鉆機(jī)。

2.2 切割泥漿泵的選擇

目前，地浸工藝鉆孔切割位置深度為450～650 m，采用NBB 系列泥漿泵較為合適。該種泥漿泵為曲柄連桿結(jié)構(gòu)、三缸單作用的臥式活塞泵，活塞為唇形自封式，由橡膠及尼龍保護(hù)墊壓制而成，配有抗震壓力表及必要的備件、拆裝工具等，可變多種流量。

2.3 切割器的選擇

選擇使用TYD-114/300 型液壓偏心單刀切割器[1-2]。

2.3.1 結(jié)構(gòu)

該切割器主要由5 部分組成，上部為偏心缸，下部為偏心刀架，側(cè)面為偏置刀片，中間為偏心推桿（齒桿）和復(fù)位彈簧，如圖2 所示。

圖2 TYD-114/300 型液壓偏心單刀切割器結(jié)構(gòu)

2.3.2 工作原理

缸內(nèi)活塞與推桿相連，推桿下端帶齒條，通過齒條與刀片齒輪相嚙合，刀片用銷軸固定在刀架上，從活塞至刀桿底端有水孔貫穿。工作時，泥漿泵輸送的高壓水推動活塞向下運動，活塞進(jìn)而推動推桿（齒桿）向下運動，推桿推動刀片垂向旋轉(zhuǎn)，使刀片從刀架內(nèi)伸出，然后旋轉(zhuǎn)刀片實現(xiàn)切割[3-4]。

2.3.3 工作參數(shù)設(shè)計

最大工作壓力為4 MPa，最大液壓推力為20 kN，刀頭最大壓力為4.72 kN。節(jié)水嘴直徑為6 mm，最大過水量為260 L/min。

2.3.4 強(qiáng)度設(shè)計

刀片材質(zhì)為42CrMo 合金鋼，其屈服強(qiáng)度為930 MPa，即9 300 kg/cm2。鉆機(jī)最大扭距（蹩車時）為5 000 N·m，刀片力臂長度為6 cm，所受最大扭力為83.33 kN，割刀截面積為23 cm2，刀片最大剪應(yīng)力為362 kg/cm2，考慮沖擊載荷30%，最大剪應(yīng)力取470 kg/cm2。

2.4 沖洗液的配制

主劑可選羧甲基纖維素鈉、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、水解聚丙烯腈鈉、羥丙基瓜膠和植物膠等，輔劑可選硼砂、腐鉀和食鹽等，其配比為主劑的0.2%～0.5%，黏度為5～10 mPa·s，漏斗黏度為18～20 s[5]。主劑加入水中要充分散開，可裝在篩網(wǎng)筒里晃動撒入。攪拌機(jī)攪制的沖洗液入池前，要用過濾篩濾渣。

3 開窗切割方法及對比

3.1 開窗切割方法

開窗切割方法主要有3種，一是回轉(zhuǎn)切割，二是螺桿鉆具切割，三是復(fù)合切割。

3.1.1 回轉(zhuǎn)切割

回轉(zhuǎn)切割是利用鉆機(jī)立軸回轉(zhuǎn)帶動鉆桿轉(zhuǎn)動，為切割器提供動力，達(dá)到鉆孔開窗切割的目的。由于UPVC 井管強(qiáng)度較低，為避免鉆桿轉(zhuǎn)動損壞井管而出現(xiàn)漏水點，只能采用低擋速進(jìn)行切割施工，以XY-6B 型巖心鉆機(jī)為例，1 擋轉(zhuǎn)速僅為80 r/min，切割效率較低?；剞D(zhuǎn)切割鉆具有：主動鉆桿（Φ65 mm）+鉆桿（Φ50 mm/Φ60 mm）+滑動扶正器（Φ90 mm/Φ100 mm）+切割器；短桿若干，長度有0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m。

3.1.2 螺桿鉆具切割

螺桿鉆具是一種把液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。高壓液體進(jìn)入鉆具，迫使轉(zhuǎn)子在定子中滾動，馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸傳遞到傳動軸和切割器上，從而達(dá)到鉆孔開窗切割的目的。螺桿帶動切割器轉(zhuǎn)動時，由于PVC 井管、水泥環(huán)、礦層切割阻力易導(dǎo)致鉆桿反轉(zhuǎn)，造成鉆桿卸扣脫落等井內(nèi)事故，單靠螺桿轉(zhuǎn)動（轉(zhuǎn)速60 r/min）的切割效率較低。螺桿切割鉆具有：主動鉆桿（Φ65 mm）+鉆桿（Φ50 mm/Φ60 mm）+螺桿（Φ102 mm）+切割器；短桿若干，長度有0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m。

3.1.3 復(fù)合切割

復(fù)合切割是利用鉆機(jī)立軸回轉(zhuǎn)帶動鉆桿轉(zhuǎn)動，同時泥漿泵通過高壓泥漿帶動螺桿傳動軸轉(zhuǎn)動，二者一起為切割器提供動力，達(dá)到鉆孔開窗切割的目的。切割轉(zhuǎn)速可達(dá)到140 r/min，切割效率相對提高。復(fù)合切割鉆具有：主動鉆桿（Φ65 mm）+鉆桿（Φ50 mm/Φ60 mm）+自制滑動扶正器（Φ90 mm/Φ100 mm）+螺桿（Φ102 mm）+切割器；短桿若干，長度有0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m。

3.2 開窗切割方法優(yōu)缺點

通過對比回轉(zhuǎn)切割、螺桿鉆具切割和復(fù)合切割，將3 種切割方案優(yōu)缺點總結(jié)，如表1 所示。

表1 不同開窗切割方法對比

4 開窗切割存在的問題及應(yīng)對措施

開窗切割主要存在兩個問題。一是刀具有磨損，開窗切割速度慢。通過對切削柱的形狀改進(jìn)，利用切削柱棱角對UPVC 管進(jìn)行開窗處理，加快了UPVC 管開窗速度，縮短開窗時間，降低切削柱的磨損，提高了刀具的使用效果。二是隨著切割空間增大，切割腔水流速度降低，泥漿攜帶能力變差，導(dǎo)致塑料片返渣不暢?？稍黾忧蹇追翟@具清孔時的泵量，清渣鉆具上加裝撈渣筒撈渣，采用Φ108 mm 巖心管加工制作，撈渣效果較好。

5 結(jié)論

本文通過梳理開窗式切割鉆孔施工工藝流程，總結(jié)切割鉆探設(shè)備選擇、沖洗液配制與開窗切割施工的方法，分析施工過程中面臨的主要問題，提出相關(guān)應(yīng)對措施。研究表明，鉆孔開窗切割施工適宜選擇XY-5 型巖心立軸式鉆機(jī)，搭配NBB260/7 型或NBB390 型泥漿泵，配制無固相沖洗液；開窗切割宜采用復(fù)合切割方式，該切割方法通過加裝扶正器控制井管損壞程度，切割效率較高；改進(jìn)切割刀片，加快了UPVC 井管開窗速度，縮短了開窗時間，降低了切削柱的磨損，提高了刀具使用效果。自制撈渣筒簡單方便，撈渣效果較好，能滿足切割鉆孔撈渣要求。