大直徑反循環(huán)潛孔錘的密封方法與試驗(yàn)研究

趙江鵬

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077)

0 引言

近幾年，隨著瓦斯抽采孔、通風(fēng)孔、強(qiáng)排水孔、下電纜孔、救援孔以及其它用途的大直徑鉆孔的施工量快速增大，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)、大直徑PDC鉆頭鉆進(jìn)以及大直徑潛孔錘鉆進(jìn)等高效鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用也得到進(jìn)一步推廣與發(fā)展。其中，大直徑潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)以其高效的鉆進(jìn)速度受到較大的關(guān)注，已有多家相關(guān)單位對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了不同程度的研究與試驗(yàn)［1－7］。

大直徑潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)按照排渣方式的不同可分為正循環(huán)、反循環(huán)和下排渣等3種工藝方法。與大直徑正循環(huán)潛孔錘相比，大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)，在保證潛孔錘正常工作所需要注入的空氣量外，由于反循環(huán)通道要小，其返渣需要的空氣量將會(huì)有很大的減少，降低了對(duì)鉆機(jī)、空壓機(jī)、增壓機(jī)以及鉆具系統(tǒng)等的要求，是大直徑鉆孔(≥400 mm)硬巖快速鉆進(jìn)的優(yōu)選技術(shù)方案［2］。

大直徑反循環(huán)潛孔錘按照鉆頭結(jié)構(gòu)不同可分為單體式和集束式(或捆綁式)2種主要型式，目前國(guó)內(nèi)大直徑反循環(huán)潛孔錘主要有［2，5－10］:單頭大直徑濕式反循環(huán)潛孔錘(FGC－15型、FGC－15B型)、大直徑貫通式潛孔錘(最大直徑為660 mm)、大直徑組合捆綁式風(fēng)動(dòng)潛孔錘(FC－312型)、集束式反循環(huán)潛孔錘(公開(kāi)報(bào)道最大直徑為660 mm)。

密封結(jié)構(gòu)是大直徑反循環(huán)潛孔錘的重要結(jié)構(gòu)，是其能夠形成反循環(huán)的關(guān)鍵所在。目前反循環(huán)潛孔錘的密封結(jié)構(gòu)均設(shè)置在孔底鉆具本體上，它是利用鉆具本體密封盤(pán)外徑與鉆孔直徑間狹窄的空間形成對(duì)上返空氣的阻尼，促使攜渣空氣流從排渣管中上行?？赡艽嬖诘膯?wèn)題是:由于密封結(jié)構(gòu)比鉆頭旋轉(zhuǎn)所形成的鉆孔直徑要小，密封結(jié)構(gòu)外徑與鉆孔壁的間隙面積會(huì)隨著鉆進(jìn)時(shí)間的延長(zhǎng)而越來(lái)越大;且鉆頭成孔過(guò)程中有一定的鉆孔直徑擴(kuò)大率，因此從密封結(jié)構(gòu)與鉆孔形成的環(huán)狀間隙上返壓縮氣體量變大，將會(huì)影響反循環(huán)排渣效果，嚴(yán)重者甚至不能形成反循環(huán)。為此，研究提出一種孔底與孔口聯(lián)合密封的方法以克服上述缺陷，基于該方法設(shè)計(jì)了710/311 mm集束式反循環(huán)潛孔錘與孔口密封裝置，配套127/70 mm雙壁鉆具后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 孔底與孔口聯(lián)合密封方法

孔底與孔口聯(lián)合密封方法是針對(duì)目前大直徑潛孔錘孔底密封結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題而提出的，見(jiàn)圖1。當(dāng)孔底密封結(jié)構(gòu)不能完全滿足建立反循環(huán)需要，即大量氣體從大直徑潛孔錘與鉆孔形成的環(huán)狀間隙上返時(shí)，在孔口密封裝置的作用下，由于鉆孔與雙壁鉆桿形成的大環(huán)空間隙為一密閉有限空間，當(dāng)該空間氣體壓力達(dá)到一定程度時(shí)，迫使孔底壓縮空氣進(jìn)入大直徑潛孔錘排渣通道沿雙壁鉆桿內(nèi)管排至泥漿池，從而重新建立反循環(huán)通道。

孔底與孔口聯(lián)合密封方法對(duì)孔底密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其密封效果的要求大大降低，即孔底密封結(jié)構(gòu)與鉆孔間隙可適當(dāng)增大，因此可降低孔底密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，提高反循環(huán)潛孔錘應(yīng)對(duì)孔內(nèi)復(fù)雜情況的能力，從而實(shí)現(xiàn)安全高效鉆進(jìn)目的。

2．2 孔口密封裝置

孔口密封裝置是孔底與孔口聯(lián)合密封方法中的重要裝置。該孔口密封裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮施工所使用的鉆機(jī)孔口工作臺(tái)結(jié)構(gòu)特征、所配套的127/70 mm雙壁鉆桿外形特征、大直徑潛孔錘及其鉆速、空氣壓力等工藝參數(shù)、以及裝卸操作環(huán)境條件等多方面因素，主要由錐形密封膠芯和外殼體組成，與鉆孔套管以法蘭方式連接，見(jiàn)圖3與圖4。

圖1 孔底孔口聯(lián)合密封方法示意

圖2 集束式潛孔錘

圖3 孔口密封裝置

圖4 密封膠芯體

3 集束式反循環(huán)潛孔錘孔內(nèi)反循環(huán)通道的建立

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4．1 主要設(shè)備

本次集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)投入的主要設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)試驗(yàn)所需主要設(shè)備

4．2 鉆遇地層與水文地質(zhì)條件

鉆遇地層為二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)，巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖及細(xì)粒砂巖、粉砂巖;實(shí)測(cè)靜水位22 m。

4．3 試驗(yàn)結(jié)果

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)孔段為:32～83 m，計(jì)51 m。在試驗(yàn)過(guò)程中，注氣量為35～70 m3/min，轉(zhuǎn)速為13～24 r/min，注氣壓力1.0～2.0 MPa，正常鉆進(jìn)期間，形成了良好的反循環(huán)排渣效果(見(jiàn)圖5)，機(jī)械鉆速1.0～4.0 m/h，平均機(jī)械鉆速2.1 m/h。

圖5 反循環(huán)排渣效果

5 結(jié)論與建議

針對(duì)大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)特點(diǎn)，本文提出一種孔底與孔口聯(lián)合密封方法，其特點(diǎn)在于:當(dāng)孔底密封機(jī)構(gòu)不能完全滿足建立反循環(huán)需要時(shí)，將有大量孔底壓縮空氣進(jìn)入大環(huán)空間隙，在孔口密封裝置的作用下，可迫使孔底壓縮空氣進(jìn)入大直徑潛孔錘排渣管沿雙壁鉆桿內(nèi)管排至地面。該方法可降低孔底密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，提高反循環(huán)潛孔錘應(yīng)對(duì)孔內(nèi)復(fù)雜情況的能力。

［1］ 馮起增，秦如雷，許本沖，等．全液壓車(chē)裝鉆機(jī)在集束式潛孔錘反井施工中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(6):23－26．

［2］ 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．

［3］ 楊凡．大孔徑逃生井在礦山搶險(xiǎn)中的可行性研究［D］．北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2010．

［4］ 劉振東．大孔徑集束式潛孔錘結(jié)構(gòu)與動(dòng)力特性的研究［D］．黑龍江大慶:東北石油大學(xué)，2013．

［5］ 劉廷政，鄭喜彥．大直徑貫通式潛孔錘局部氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝研究［C］//中國(guó)水利學(xué)會(huì)地基與基礎(chǔ)工程專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第十一次全國(guó)學(xué)術(shù)技術(shù)研討會(huì)議論文集，2011．

［6］ 支躍．大孔徑氣舉反循環(huán)潛孔錘動(dòng)力學(xué)研究［D］．黑龍江大慶:東北石油大學(xué)，2014．

［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 －92，96．

［8］ 蔣榮慶，殷琨，王茂森，等．HC型環(huán)狀取芯潛孔錘芯方法實(shí)驗(yàn)研究［J］．探礦工程，2003，(3):26 －29．

［9］ 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．

［10］ 王茂森．全孔反循環(huán)潛孔錘參數(shù)優(yōu)化及其鉆進(jìn)工藝研究［D］．吉林長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2007．

［11］ 范黎明，殷琨，張曉光，等．潛孔錘鉆進(jìn)孔口密封器流場(chǎng)數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2011，(2):511－517．