大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進方法先導性試驗

趙江鵬

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進方法先導性試驗

趙江鵬

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

依托某煤礦區(qū)大直徑鉆井工程項目展開了大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進方法的先導性試驗。在試驗過程中,采用φ710/311 mm擴孔用集束式反循環(huán)潛孔錘和φ127/70 mm雙壁鉆具，通過優(yōu)化風量、風壓、轉速等反循環(huán)鉆進工藝參數(shù)，取得了良好的反循環(huán)效果，最高機械鉆速達到了4 m/h，平均機械鉆速2.1 m/h，與同條件下常規(guī)牙輪鉆頭擴孔鉆進方法相比提高了2.6倍以上。試驗結果表明：大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進方法是解決大直徑鉆孔硬巖鉆進難題的一種行之有效、值得深入研究與推廣應用的高效鉆進方法。

空氣潛孔錘 集束式潛孔錘 大直徑潛孔錘 反循環(huán)鉆進 潛孔錘鉆進

大直徑(≥400 mm)反循環(huán)潛孔錘有單體式和集束式(或捆綁式)2種型式，據(jù)公開資料顯示，國內(nèi)設計生產(chǎn)的大直徑反循環(huán)潛孔錘主要有以下幾種產(chǎn)品[1-7]：單頭大直徑濕式反循環(huán)潛孔錘(FGC-15型、FGC-15B型)、大直徑組合捆綁式風動潛孔錘(FC-312型)、大直徑環(huán)式取心潛孔錘(HC-15型)、大直徑貫通式潛孔錘(2種規(guī)格：φ445 mm、φ660 mm)、φ660 mm集束式反循環(huán)潛孔錘以及φ710/311mm集束式反循環(huán)潛孔錘。目前，F(xiàn)GC-15型以及改進后的FGC-15B型單頭大直徑濕式反循環(huán)潛孔錘得到了較好的推廣應用[2-3]，其他產(chǎn)品基本還處于室內(nèi)或野外試驗階段。在表1中，統(tǒng)計了國內(nèi)外大直徑反循環(huán)潛孔錘產(chǎn)品在我國的推廣應用情況[2-3,6-7]。

本研究依托山西晉城某礦的大直徑鉆井工程項目，采用ZMK5530TZJ60(A)車載鉆機、XRXSA1275雙工況空壓機、φ710/311 mm集束式反循環(huán)潛孔錘、φ127/70 mm雙壁鉆具以及其他配套設備等實施了大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進工藝的先導性試驗。

1 鉆遇地層與水文地質(zhì)條件

該鉆孔一開土層段孔徑φ950 mm，鉆進至深度32 m，下入φ830 mm×12 mm無縫鋼管至25 m；二開巖石段φ311 mm導向孔鉆進至265 m。見圖1。

表1 大直徑反循環(huán)潛孔錘在國內(nèi)應用狀況統(tǒng)計

圖1 試驗前鉆孔孔身結構示意

本次試驗是在二開巖石段導向孔完成后進行的，試驗孔段為32～83 m，計51 m。鉆遇地層為二疊系上統(tǒng)上石盒子組，巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖及細粒砂巖、粉砂巖；實測靜水位22 m。

2 大直徑集束式反循環(huán)潛孔錘簡介

φ710/311 mm擴孔用集束式反循環(huán)潛孔錘(見圖2)是由3個常規(guī)φ181 mm沖擊器均布在同一圓周面上組合而成，主要結構有雙壁接頭、配氣室、空氣潛孔錘單體、排渣管、孔底密封盤以及導向頭等，在孔底密封盤外圓柱面上設置有耐磨帶，可修復孔壁起保徑作用，主要參數(shù)見表2。

3 試驗情況

3.1 設備連接與反循環(huán)通道建立過程

本次試驗投入的主要設備見表3，圖3所示為試驗現(xiàn)場設備的連接示意圖。

圖2 φ710/311 mm擴孔用集束式反循環(huán)潛孔錘

參數(shù)名參數(shù)值孔徑/mm710長度/mm3100質(zhì)量/t185工作壓力/MPa103～241耗氣量/(m3/min)36～102

結合圖2與圖3，該集束式反循環(huán)潛孔錘的通道建立具體過程如下：空壓機產(chǎn)生的壓縮空氣由地面注氣管路進入氣盒子，沿雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)狀間隙下行，經(jīng)雙壁接頭內(nèi)外管環(huán)狀間隙及外管下端設置的小孔進入配氣室，然后進入單體潛孔錘沖擊器做功，廢氣從鉆頭中心孔噴出，在孔底密封盤與孔口密封裝置的共同封隔作用下，廢氣攜帶鉆頭沖擊破碎下的巖屑、巖粉進入排渣管，經(jīng)中心管進入雙壁接頭內(nèi)管，沿雙壁鉆桿內(nèi)管上行，由氣盒子、動力頭中心通孔、地面排渣管路排至排渣池。

表3 集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進試驗投入的主要設備

圖3 設備現(xiàn)場連接示意

3.2 鉆進工藝參數(shù)及機械鉆速統(tǒng)計

由于一開無縫鋼管未下至設計深度，不能將地下潛水層封隔，因此，本次鉆進試驗均是在靜水位以下進行的。

在試驗過程中，每進尺1 m記錄1次反循環(huán)鉆進工藝參數(shù)，通過調(diào)節(jié)轉速、鉆壓、注入風量等主要鉆進工藝參數(shù)，以期取得較好的鉆進效率，在表4中列出了鉆進工藝參數(shù)與機械鉆速的試驗數(shù)據(jù)。在試驗期間，鉆機鉆壓表出現(xiàn)故障未能及時更換，由于其顯示的數(shù)據(jù)嚴重失實，在該表中并未列出鉆壓值，鉆進時由司鉆與現(xiàn)場技術人員共同憑經(jīng)驗完成對孔底鉆頭的加壓。

3.3 試驗結果

(1)在淺孔段試驗時，孔口密封裝置在反循環(huán)的建立過程中起主要作用，隨著孔深的增加和孔內(nèi)水柱的增高，孔口密封裝置的作用逐漸減弱，孔底密封盤與孔內(nèi)水柱起主要密封作用，此時完全打開密封裝置排氣口也能夠建立和維持良好的反循環(huán)。

表4 主要鉆進工藝參數(shù)與機械鉆速統(tǒng)計

(2)采用φ710/311 mm集束式潛孔錘與φ127/70 mm雙壁鉆具進行反循環(huán)鉆進工藝試驗，其較為合理的鉆進工藝參數(shù)：注氣量為35 m3/min，轉速為13～24 r/min，注氣壓力1.0～2.0 MPa。機械鉆速1.0～4.0 m/h，平均機械鉆速2.1 m/h。在正常鉆進期間，可形成良好的反循環(huán)排渣效果。

(3)在該鉆孔硬巖段其余孔段采用的是φ550/311 mm、φ780/550 mm兩種規(guī)格的牙輪擴孔鉆頭、以常規(guī)泥漿回轉擴孔工藝完成施工，其平均機械鉆速為0.8 m/h。集束式反循環(huán)鉆進擴孔方法與常規(guī)擴孔方法相比，前者機械鉆速是后者的2.6倍以上。

(4)在現(xiàn)場試驗過程中，發(fā)現(xiàn)φ710/311 mm集束式潛孔錘配套φ127/70 mm雙壁鉆具進行反循環(huán)鉆進工藝存在幾個問題。主要表現(xiàn)在：①在一定轉速條件下，當加壓時，機械鉆速會提高，即單位時間內(nèi)破碎下的巖屑增多，但是隨著加壓時間的推移，孔口排渣量逐漸減小，這時需要停止鉆進，將鉆頭提離孔底進行專門的排渣，否則就會造成堵塞；②隨著孔深與孔內(nèi)液注的增大，孔底壓力增大，由于空氣的高壓縮性，此時潛孔錘沖擊頻率減小、沖擊功減小，當加大注氣量時，發(fā)現(xiàn)孔口周圍地面上多處開始冒泡，打開孔口密封裝置排氣口后，大量氣體從環(huán)空溢出地面，同時反循環(huán)起初也能夠形成，只是隨著時間的增長，排渣口排渣量快速減小，停止鉆進專門排渣后發(fā)現(xiàn)循環(huán)通道堵塞。經(jīng)現(xiàn)場分析研究，認為造成這2種現(xiàn)象的原因主要是φ127/70 mm雙壁鉆具內(nèi)管內(nèi)徑小、上返通道小，不能及時將注入孔底的壓縮空氣以及在孔底攜帶的巖粉屑、水等排出孔外，需要配套更大規(guī)格的雙壁鉆具進行試驗。

(5)經(jīng)試驗，φ710/311 mm集束式潛孔錘存在的問題主要表現(xiàn)在：①返出孔外的巖渣呈粉末狀，表明孔內(nèi)有重復破碎現(xiàn)象，不能充分發(fā)揮潛孔錘體積碎巖的優(yōu)勢，需要進一步對該集束式反循環(huán)潛孔錘底部密封盤結構進行優(yōu)化、改進設計；②提鉆后，發(fā)現(xiàn)該集束式反循環(huán)潛孔錘配氣盒處有偏磨現(xiàn)象，需要對該集束式反循環(huán)潛孔錘配氣盒外側增設耐磨帶。

4 結 論

(1)為保障反循環(huán)通道的形成，本次試驗除了在集束式反循環(huán)潛孔錘本體上設計有孔底密封盤結構，且在孔口設置了孔口密封裝置，通過孔底-孔口兩道密封來確保反循環(huán)通道的建立與維持，結果表明該方法取得了預期的效果。

(2)φ710/311 mm擴孔用集束式潛孔錘配套φ127/70 mm雙壁鉆具進行反循環(huán)鉆進，其合理的鉆進工藝參數(shù)：注氣量為35 m3/min，轉速為13～24 r/min，注氣壓力1.0～2.0 MPa。試驗結果表明，可形成良好的反循環(huán)排渣效果，機械鉆速1.0～4.0 m/h,平均機械鉆速2.1 m/h，是同鉆孔常規(guī)泥漿回轉擴孔工藝平均機械鉆速的2.6倍。

(3)試驗表明：大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進工藝可行性高，是解決硬巖鉆進難題的有效工藝方法，可推廣應用于瓦斯抽采孔、通風孔、強排水孔、下電纜孔、救援孔以及其他用途的大直徑鉆孔施工中。

(4)針對現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)的新問題，建議優(yōu)化設計集束式潛孔錘結構，配套大規(guī)格雙壁鉆具，完善鉆進工藝參數(shù)以進一步提高鉆進效率。

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(責任編輯 石海林)

A pilot test for large-diameter cluster DTH reverse circulation drilling technology based on the large diameter drilling project in a coal mine was carried out.During the tests，by adopting theφ710/311mm Reverse circulation cluster DTH andφ127/70mm double wall drill-pipe，a good performance of reverse circulation was achieved by optimizing the parameters of reverse circulation such as air volume，air pressure，and rotary speed etc..The highest ROP was 4m/h，and the average ROP was 2.1m/h，which were increased more than 2.6 times as much as that by the conventional cone bit drilling method under the same condition.The pilot test results showed that large diameter cluster DTH reverse circulation drilling technology was an effective drilling technology to solve the problem of hard rock drilling in large diameter hole，and is worthy to be promoted in application.

DTH，Cluster DTH，Large-diameter DTH，Reverse circulation drilling，DTH drilling

2015-06-05

中煤科工集團西安研究院有限公司自籌重點項目(編號：2014ZD004)。

趙江鵬(1983—)，男，助理研究員，博士。

TD422

A

1001-1250(2015)-10-121-04

A Pilot Test for Large-diameter Cluster DTH Reverse Circulation Drilling Technology

Zhao Jiangpeng

(Xi'anResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCorp，Xi'an710077，China)