潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)綜述

廖 軍，趙 倩

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都，611130)

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潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)綜述

廖 軍，趙 倩

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都，611130)

介紹潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和工作原理。采用計算機(jī)仿真電算和模擬技術(shù)輔助鉆具設(shè)計，潛孔錘性能穩(wěn)定，鉆頭具備良好的反循環(huán)能力。潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，已在復(fù)雜地層地質(zhì)巖心勘探、水文水井鉆鑿、大直徑硬巖嵌巖樁鉆進(jìn)等領(lǐng)域全面應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

貫通式潛孔錘 反循環(huán) 連續(xù)取芯 仿真電算 流場模擬

1 概述

潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)是多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)的重要組成部分，也是空氣鉆進(jìn)技術(shù)在碎巖方法上的一次重大突破。它集潛孔錘高效碎巖、流體介質(zhì)全孔反循環(huán)、鉆進(jìn)中不停鉆連續(xù)取芯三大先進(jìn)鉆探工藝于一身，是一種集成化的高新鉆探技術(shù)。它利用貫通式潛孔錘、反循環(huán)鉆頭、雙壁鉆具，使流體介質(zhì)沿中心通道構(gòu)成反循環(huán)，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程中巖芯的輸運(yùn)，并有效解決孔口粉塵污染問題。

應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，可大幅度提高硬巖中的鉆進(jìn)效率，降低鉆探成本，成孔質(zhì)量好；反循環(huán)排渣有效地保護(hù)孔壁完整，減少粉塵飛逸，利于環(huán)境保護(hù)；以氣代水，適用于干旱缺水和高寒地區(qū)。潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，已成為具有強(qiáng)大生命力的鉆探方法，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用領(lǐng)域。目前，該鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬，在地質(zhì)巖芯勘探、水文水井鉆鑿、基礎(chǔ)工程施工等鉆孔工程領(lǐng)域，取得了良好的應(yīng)用效果。

2 潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)的技術(shù)關(guān)鍵

2.1 貫通式潛孔錘的結(jié)構(gòu)設(shè)計

貫通式潛孔錘結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵是中空孔道的設(shè)計。潛孔錘心部的全部零件均是貫通的筒狀結(jié)構(gòu)，在保證強(qiáng)度的同時，又要結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，并具有較長的工作壽命。

潛孔錘的中心貫通孔與前后氣室完全封閉，構(gòu)成貫通孔的心管穿越所有零件，上部與鉆桿心管連接，下部與鉆頭插接并密封，構(gòu)成反循環(huán)通道，同時心管兼有配氣功能。

2.2 潛孔錘的計算機(jī)模擬仿真電算

運(yùn)用基礎(chǔ)理論及計算公式建立數(shù)學(xué)模型，依據(jù)有限差分理論開發(fā)了計算機(jī)軟件，對潛孔錘內(nèi)部動力過程、活塞往復(fù)運(yùn)動規(guī)律及潛孔錘性能參數(shù)機(jī)型模擬仿真電算，實(shí)現(xiàn)了潛孔錘的計算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計，使?jié)摽族N的實(shí)際測試參數(shù)與計算機(jī)理想電算參數(shù)高度吻合，工作性能優(yōu)良，有效熱功效率高，從而使?jié)摽族N設(shè)計科學(xué)化。計算機(jī)模擬改變了傳統(tǒng)設(shè)計方法，縮短研制周期，節(jié)省了研究成本，優(yōu)化了潛孔錘性能。

2.3 反循環(huán)鉆進(jìn)機(jī)理及反循環(huán)鉆頭設(shè)計

貫通式潛孔錘為反循環(huán)提供了通道，但流體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的反循環(huán)流動是關(guān)鍵。為了深入研究反循環(huán)機(jī)理，建立了反循環(huán)鉆進(jìn)模擬試驗(yàn)臺，對反循環(huán)的形成機(jī)理、壓縮空氣參數(shù)與巖芯攜帶能力關(guān)系、鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對反循環(huán)影響因素等進(jìn)行了深入研究，揭示了流體介質(zhì)的反循環(huán)規(guī)律，創(chuàng)新性地設(shè)計了基于多噴嘴引射器原理的反循環(huán)鉆頭。同時，引入CFD理論，應(yīng)用CFD軟件對鉆頭底部流場進(jìn)行仿真模擬和參數(shù)計算，并優(yōu)化設(shè)計鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)。計算機(jī)仿真模擬研究，縮短了研制周期，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)代替樣機(jī)試制和實(shí)物實(shí)驗(yàn)，從而降低研制成本。

研發(fā)不同規(guī)格的反循環(huán)鉆頭，反循環(huán)形成穩(wěn)定可靠，在大的外環(huán)間隙條件下，無需增設(shè)任何密封裝置亦能形成反循環(huán)。在理論研究的基礎(chǔ)上，開展了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和野外生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，針對不同的復(fù)雜地層開展大量的生產(chǎn)應(yīng)用，豐富了反循環(huán)鉆頭類型。如反循環(huán)取芯型鉆頭，凸塊防堵型鉆頭，內(nèi)噴孔防漏型鉆頭等，擴(kuò)大了潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和對復(fù)雜地層條件的適應(yīng)能力。

目前，貫通式潛孔錘產(chǎn)品已形成系列化。其中包括：11種規(guī)格的GQ系列潛孔錘(見表1)、適用于不同地層條件和巖芯采取需求的反循環(huán)鉆頭多種，并有配套的雙壁鉆桿、雙通道水龍頭、各種類型接頭等，基本能夠滿足各鉆孔領(lǐng)域的需求。

1-卸風(fēng)槽；2-卡槽；3-花鍵；4-貫通孔；5-內(nèi)噴孔；6-底噴孔；7-環(huán)槽；8-擴(kuò)壓槽；9-凸塊；10、11、12-球齒合金

圖1 反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)圖

表1 GQ系列潛孔錘主要技術(shù)參數(shù)

3 潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取芯鉆進(jìn)

3.1 反循環(huán)鉆進(jìn)基本原理

貫通式潛孔錘工作原理圖見圖2。壓縮空氣經(jīng)雙通道氣水龍頭2，由雙壁鉆桿5進(jìn)入貫通式潛孔錘的上接頭環(huán)狀間隙，推開逆止閥6，充滿外缸和內(nèi)缸8之間的環(huán)狀通道，由內(nèi)缸8上的徑向進(jìn)氣孔進(jìn)入前后氣室，推動活塞9往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生沖擊能量。前后氣室內(nèi)做功后的廢氣分別排入活塞9與心管7之間的環(huán)狀通道，進(jìn)入鉆頭上部環(huán)槽，經(jīng)鉆頭花鍵槽底部留出的通道，由鉆頭排氣孔排出。經(jīng)擴(kuò)壓槽和孔底巖石的反射作用，并在鉆頭抽吸孔的強(qiáng)力抽吸作用下，氣體攜帶巖樣直接進(jìn)入鉆頭中心，經(jīng)潛孔錘的貫通孔和雙壁鉆桿的中心通道，通過雙通道氣水龍頭的鵝頸彎管3、排渣管1，最后排到地表收集巖樣設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)不停鉆連續(xù)取芯鉆進(jìn)高新工藝。

3.2 復(fù)雜地層地質(zhì)巖芯勘探潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)

復(fù)雜地層地質(zhì)巖芯勘探，特別是極復(fù)雜地層中的巖芯勘探，一直是鉆探界的施工難題。采用小口徑貫通式潛孔錘及配套雙壁鉆桿，實(shí)施反循環(huán)連續(xù)取芯鉆探，解決了復(fù)雜地層地質(zhì)勘探過程中鉆進(jìn)效率低、巖芯采取率低、巖芯質(zhì)量差、孔內(nèi)事故頻發(fā)、鉆具壽命短、施工成本高、工期長等一系列鉆探技術(shù)難題，取得了良好的應(yīng)用效果。

1-排渣管；2-雙通道氣水龍頭；3-鵝頸彎道；4-進(jìn)氣膠管；5-雙壁鉆桿；6-逆止閥；7-心管；8-內(nèi)缸；9-活塞；10-襯套；11-反扦環(huán)專用鉆頭

圖2 貫通式潛孔錘結(jié)構(gòu)原理圖

該項(xiàng)技術(shù)在不同的復(fù)雜地層礦區(qū)進(jìn)行了大量的生產(chǎn)性試驗(yàn)，完成了大量的試驗(yàn)工作量，各項(xiàng)鉆探指標(biāo)優(yōu)良，解決了復(fù)雜地層礦區(qū)勘探技術(shù)難題。鉆進(jìn)效率較常規(guī)金剛石鉆進(jìn)提高3～10倍，純鉆進(jìn)時間利用率是金剛石鉆進(jìn)的2～3倍。反循環(huán)形成穩(wěn)定，巖芯采取率達(dá)98%以上。根據(jù)取芯要求不同，可獲取巖芯和巖樣，巖芯品位誤差小，真實(shí)可信。采用雙壁鉆具，孔壁無介質(zhì)擾動有效地保護(hù)孔壁，孔內(nèi)事故少，施工周期大為縮短，綜合鉆探成本降低為金剛石鉆進(jìn)的1/3～1/2。

3.3 潛孔錘反循環(huán)水文水井鉆鑿

采用貫通式潛孔錘及反循環(huán)鉆頭，配套雙壁鉆具實(shí)施反循環(huán)鉆進(jìn)，有效地解決了基巖水井鉆鑿施工中許多亟待解決的技術(shù)難題。生產(chǎn)應(yīng)用證明，潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)與潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)相比，平均鉆進(jìn)效率提高64%，每米鉆進(jìn)成本降低30%～40%，巖芯采取率達(dá)98%以上。

該鉆進(jìn)方法在大口徑水井鉆孔中具有許多突出特點(diǎn)：

(1)鉆進(jìn)過程中流體介質(zhì)在鉆具內(nèi)形成閉式循環(huán)，有利于保護(hù)孔壁，避免含水層堵塞，易于穿過裂隙和破碎地層；

(2)潛孔錘及雙壁鉆桿的中空作為反循環(huán)通道，其斷面積小且直徑不變，在有限的供風(fēng)量條件下，可提高上返風(fēng)速，提高排渣能力，避免孔底重復(fù)破碎，提高潛孔錘碎巖效率；

(3)施工過程中孔口清潔，避免巖粉飛揚(yáng)及水下鉆進(jìn)井噴的污染，利于環(huán)境保護(hù)；

(4)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)簡化了抽水洗井過程，較大幅度提高了水井出水量，對于探采結(jié)合的水井勘探，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)取芯鉆進(jìn)。

4 在油氣井勘探中的應(yīng)用前景

近年來，潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)推廣應(yīng)用于油氣井勘探施工中，并取得了良好的應(yīng)用效果，但實(shí)施時的高能耗、高成本、井場擁擠等不足，限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明，在大井徑鉆井中，潛孔錘反循環(huán)鉆井具有獨(dú)特的優(yōu)勢：

(1)同等口徑下，空氣反循環(huán)鉆井所需空氣量是正循環(huán)空氣鉆井所需氣量的1/5～1/2，可減少昂貴的空壓機(jī)數(shù)以及燃油消耗；

(2)潛孔錘硬巖鉆進(jìn)效率高，其機(jī)械鉆速是常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆井的3～4倍，降低鉆井成本，減少鉆井時間；

(3)流體介質(zhì)在鉆具中為閉式循環(huán)，鉆遇溶洞或大裂隙也不會因漏氣而終止鉆井；

(4)克服常規(guī)鉆井中鉆井液、泡沫或高壓空氣鉆井對地層的傷害，有利于單井產(chǎn)量提高。

油氣勘探鉆進(jìn)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)系統(tǒng)原理：

如圖3、圖4所示，壓縮空氣經(jīng)進(jìn)氣膠管10進(jìn)入雙通道氣水龍頭，再經(jīng)雙壁鉆桿和雙壁鉆鋌7的環(huán)狀通道進(jìn)入貫通式潛孔錘，活塞19往復(fù)沖擊做功，做功后的壓縮空氣由反循環(huán)鉆頭形成反循環(huán)，并攜帶巖渣屑沿雙壁鉆具中心通道及排渣管5排出。再經(jīng)地面排渣管線22、取樣器24排至儲渣池26。巖樣可由取樣桶23獲取，為消除現(xiàn)場粉塵污染，可由注水除塵器25注水除塵。為防止鉆孔偏斜，在潛孔錘上下接頭設(shè)計了導(dǎo)正肋骨，外側(cè)鑲合金，起到導(dǎo)正加修復(fù)孔壁的作用。潛孔錘上部加接鉆鋌和穩(wěn)定器，以保證鉆孔的直線性。

圖3 潛孔錘反循環(huán)氣體鉆井系統(tǒng)圖

1-進(jìn)氣口；2-高壓膠管；3-圓鉆桿；4-空壓機(jī)；5-導(dǎo)正器；6-加重塊；7-潛孔錘；8-鉆頭；9-水籠頭；10-膠管；11-排氣口；12-排氣通道；13-主動鉆桿；14-進(jìn)氣通道；15-砂石泉；16-泥漿循環(huán)池

圖4FGC-15型大直徑反循環(huán)潛孔錘鉆具系統(tǒng)

5 大直徑濕式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)

大直徑硬巖鉆進(jìn)是工程施工中的技術(shù)難題，常規(guī)鉆井方法鉆效低，甚至無法進(jìn)尺。FGC-15型大直徑濕式反循環(huán)潛孔錘，應(yīng)用了模擬仿真電算及優(yōu)化設(shè)計，使其工作參數(shù)滿足了大口徑鉆孔碎巖需要，動力參數(shù)即空壓機(jī)參數(shù)適應(yīng)國情，并進(jìn)行多次生產(chǎn)性試驗(yàn)，能夠很好的推廣應(yīng)用。

該系統(tǒng)綜合了4種先進(jìn)鉆進(jìn)工藝于一體：

(1)大直徑潛孔錘碎巖鉆進(jìn)，潛孔錘產(chǎn)生的巨大能量使巖石充分破碎，大幅度提高鉆進(jìn)效率；

(2)鉆進(jìn)中泥漿介質(zhì)反循環(huán)排渣，壓縮空氣循環(huán)系統(tǒng)與泥漿系統(tǒng)相對獨(dú)立。泥漿介質(zhì)采用泵吸反循環(huán)或氣舉反循環(huán)，從而保證較高上返流速，確保孔底干凈；

(3)泥漿濕式循環(huán)保護(hù)孔壁，潛孔錘鉆進(jìn)同時，泥漿在孔內(nèi)護(hù)壁和平衡地層壓力，保護(hù)孔壁的穩(wěn)定和安全；

(4)壓縮空氣封閉循環(huán)降低風(fēng)壓。壓縮空氣在鉆具內(nèi)形成封閉循環(huán)，孔內(nèi)阻力及液柱壓力不會影響壓縮空氣的壓力，風(fēng)壓只由風(fēng)管通道中壓力降和潛孔錘工作壓力降決定。

6 結(jié)語

該鉆具系統(tǒng)自1990年投入生產(chǎn)試驗(yàn)，在近20個嵌巖灌注樁工程中應(yīng)用，取得良好的應(yīng)用效果，硬巖平均鉆進(jìn)效率0.6m～1.3m，較常規(guī)方法綜合鉆進(jìn)效率提高10～20倍，樁孔質(zhì)量好，嵌巖可靠，施工周期短，施工成本降低，應(yīng)用前景廣闊。

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2095-1809(2015)05-0038-04