氣動(dòng)潛孔錘在地?zé)峋@井中的應(yīng)用

徐云鵬

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津　300250)

氣動(dòng)潛孔錘在地?zé)峋@井中的應(yīng)用

徐云鵬

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津300250)

摘要：：堅(jiān)硬巖層快速鉆進(jìn)是一項(xiàng)技術(shù)難題，而氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)具備鉆進(jìn)效率高、鉆孔質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了施工水平。本文結(jié)合內(nèi)蒙古ZK-1地?zé)峋@井實(shí)例，分析了氣動(dòng)潛孔錘的基本原理及其應(yīng)用，以期對(duì)同類工程的施工產(chǎn)生一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：潛孔錘；地?zé)峋?；鉆井；堅(jiān)硬巖層

中圖分類號(hào)：P634.42

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-282X(2015)06-0015-03

收稿日期：2015-09-01

作者簡(jiǎn)介：徐云鵬(1983-)，男(漢族)，河北唐山人，工程師，鉆探專業(yè)，從事地?zé)徙@探、水文地質(zhì)等工作，天津市河?xùn)|區(qū)衛(wèi)國道189號(hào)，E-mail：33015396@qq.com。

Abstract：The fast drilling in hard rock is a technical problem. The drilling technology with pneumatic DTH has the advantages of high efficiency、good quality of borehole etc. In this paper, combined with the examples of ZK-1 geothermal well drilling in Inner Mongolia, the author analyzes the basic principle of pneumatic DTH hammer and its application which have a certain reference value for the similar engineering construction.

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)是一種較新的鉆進(jìn)方法，針對(duì)堅(jiān)硬巖石脆性大而抗剪強(qiáng)度較低不耐沖擊的弱點(diǎn)，在破碎較堅(jiān)硬地層中比現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率有極大的提高，鉆頭的使用壽命得到了數(shù)倍的提升，降低了鉆孔的成本。

1氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)巖石破碎原理

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)碎巖，即沖擊回轉(zhuǎn)碎巖，由沖擊載荷和回轉(zhuǎn)力矩聯(lián)合完成。沖擊載荷引起破碎坑；回轉(zhuǎn)力矩對(duì)破碎坑間扇形部分進(jìn)行有效切削。根據(jù)破巖方法的主次，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)可分為沖擊回轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)沖擊兩個(gè)概念。前者破碎巖石主要靠沖擊載荷，軸向壓力主要克服鉆具在沖擊時(shí)的反彈力，從而改善沖擊鉆具的工作能力，回轉(zhuǎn)作用剪切已產(chǎn)生裂紋的中間脊部；后者破碎巖石以回轉(zhuǎn)方式為主，沖擊作用為輔，因此硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，軸向壓力保證切削具能壓入巖石，軸向壓力的最小值取決于巖石抗壓硬度及切削具本身的橫斷面積。

與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法相比，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)只用不大的沖擊力，便可以達(dá)到高效破碎堅(jiān)硬巖石的效果。由于沖擊力以應(yīng)力波作用于巖石，出現(xiàn)應(yīng)力集中，巖石易于實(shí)現(xiàn)體積破碎，同時(shí)，沖擊產(chǎn)生破碎坑穴為回轉(zhuǎn)切削創(chuàng)造條件，地層打滑現(xiàn)象減少，鉆進(jìn)效率提高；由于沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所需鉆壓低，所以鉆頭磨損小使用壽命長。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式比較見圖1。

圖1　沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式比較

2鉆井施工

ZK-1地?zé)峋?xiàng)目位于內(nèi)蒙古赤峰市喀喇沁旗馬鞍山地區(qū)，目的層為三疊系花崗巖，巖性為主要淺肉紅色細(xì)中粒黑云母二長花崗巖，具細(xì)中?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。該井為三開直井，一開采用Φ444.5mm鉆頭，下入Φ339.7mm表層套管，二開采用Φ311.2mm鉆頭，下入Φ244.5mm技術(shù)套管，三開采用Φ215.9mm鉆頭，裸眼成井。井身結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2　井身結(jié)構(gòu)示意圖

該井施工中發(fā)現(xiàn)，飄石10m以下即為片麻巖和花崗巖，巖石結(jié)構(gòu)致密、堅(jiān)硬、裂隙發(fā)育、易打滑、可鉆性差、進(jìn)尺緩慢。由于基巖埋深很淺，用普通的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工時(shí)，鉆壓達(dá)不到巖石破碎壓力，鉆進(jìn)速度非常慢，僅為2m/天，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及工程安全。經(jīng)研究，采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)，但考慮到金剛石鉆進(jìn)成本高，且鉆探參數(shù)要求很高，未能達(dá)到預(yù)期的效果。最后，采用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝，克服了進(jìn)尺緩慢事故多等缺點(diǎn)，極大地提高了鉆進(jìn)效率，保證了工程效益和安全。圖3為潛孔錘鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑。

圖3　潛孔錘鉆進(jìn)巖屑

3氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)參數(shù)

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)不同于普通切削研磨原理。它將空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣的能量，通過氣動(dòng)潛孔錘，對(duì)需要破碎的巖石產(chǎn)生高頻沖擊，當(dāng)沖擊功達(dá)到巖石的臨界破碎功時(shí)，便產(chǎn)生體積破碎，同時(shí)工作后的氣體在一定的風(fēng)速下將巖石碎屑排出孔外，以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的目的。

鉆進(jìn)參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、風(fēng)壓風(fēng)量。現(xiàn)對(duì)各個(gè)參數(shù)分析如下。

3.1　鉆壓

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)效率的高低取決于沖擊功和沖擊頻率。鉆壓的作用是為了克服氣動(dòng)潛孔錘在促使活塞下行時(shí)氣缸內(nèi)所產(chǎn)生的向上的推舉力，保證鉆頭齒和工作面巖石緊密接觸以有效傳遞來自沖擊器的沖擊功，從而保證沖擊功有效的傳遞給鉆頭，進(jìn)行碎巖。因此鉆壓大小主要由氣動(dòng)潛孔錘在氣缸內(nèi)所產(chǎn)生的壓力大小決定的。過大或者過小都會(huì)影響潛孔錘的正常工作。

(1)鉆壓過小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氣動(dòng)潛孔錘鉆頭沖擊反彈，從而直接影響沖擊功傳遞，浪費(fèi)沖擊能，降低碎巖效果，并且反彈會(huì)使沖擊能消耗在潛孔錘的零部件上，加重了零部件損壞程度，影響潛孔錘的使用壽命。

(2)鉆壓過大時(shí)，潛孔錘鉆頭齒與巖石接觸過于緊密，不便于旋轉(zhuǎn)，從而增加了鉆具扭矩，增大了回旋阻力，使得鉆頭早期磨損、回轉(zhuǎn)困難、球齒掉落，影響鉆頭使用壽命。

在實(shí)際應(yīng)用中鉆壓的計(jì)算一般采用下式：

F=aD

式中：F——鉆壓，kN；

a——鉆壓系數(shù)，kN/mm。對(duì)于潛孔錘全面鉆進(jìn)，一般認(rèn)為單位直徑的壓力值在0.03～0.09kN/mm；

D——鉆頭直徑，mm。

經(jīng)計(jì)算本次施工過程中選用的鉆壓為30kN。

3.2　轉(zhuǎn)速

為了達(dá)到最佳鉆進(jìn)效率，應(yīng)合理選擇回轉(zhuǎn)速度，根據(jù)所鉆地層的不同，選擇下列轉(zhuǎn)速：

軟巖層30～50r/min;中硬巖層20～40r/min;硬巖層10～30r/min。

由于潛孔錘較高的風(fēng)壓會(huì)產(chǎn)生較高的沖擊頻率，因此可以適當(dāng)?shù)奶岣咿D(zhuǎn)速。為便于實(shí)際操作，合理轉(zhuǎn)速可以參考下式：

n=1.6×ROP

式中：n——轉(zhuǎn)速，r/min；

ROP——機(jī)械鉆速，m/h。氣動(dòng)潛孔錘機(jī)械鉆速為30m/h，推薦轉(zhuǎn)速為48r/min。

轉(zhuǎn)速的高低主要和沖擊器的沖擊頻率、規(guī)格大小以及巖石的物理機(jī)械性質(zhì)有關(guān)，一般轉(zhuǎn)速先用20r/min左右最好。

3.3　風(fēng)速風(fēng)量

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，送入的壓縮空氣有兩個(gè)作用，其一是提供潛孔錘活塞涌動(dòng)的能量；其二是攜帶巖屑，冷卻鉆頭。因此，供風(fēng)量多少的確定，一方面是根據(jù)所用到的潛孔錘所需耗風(fēng)量的大小，另一方面也應(yīng)考慮鉆桿環(huán)空的上返風(fēng)速，即保證將鉆頭破碎地層的殘?jiān)樌卮党龅乇怼?/p>

空壓機(jī)的供風(fēng)量可以按照下式計(jì)算：

Q≥15vK1K2π(D2-d2)

式中：Q——壓風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量，m3/min；

v——上返風(fēng)速，一般取10～25m/s。取心鉆進(jìn)時(shí)，上返速度v=10～15m/s，全面鉆進(jìn)時(shí)v=20～25m/s；

D——鉆孔實(shí)際直徑，m；

d——鉆桿外徑，m；

K1——孔深修正系數(shù)。由于孔深環(huán)狀間隙壓力損失增大，導(dǎo)致流量減小，一般孔深100～200m時(shí)K1=1.05～1.1,孔深500m時(shí)K1=1.25～1.3,孔深1000m時(shí)K1=1.35～1.5；

K2——孔內(nèi)有涌水時(shí)風(fēng)量增加系數(shù)，與涌水量有關(guān)，中小涌水時(shí)K2=1.5。

ZK-1井于2014年6月11日鉆具組裝完畢，采用兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)提供動(dòng)力，開始鉆進(jìn)。每鉆進(jìn)1m上提鉆具0.3m排渣一次。鉆進(jìn)速度為8.6m/h。鉆進(jìn)速度明顯提高。通過施工對(duì)同類地層進(jìn)尺進(jìn)行比較，如表1所示。

表1　同類地層進(jìn)尺對(duì)照表

4結(jié)語

綜上所述，通過本文的分析可知，氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)能夠在比較堅(jiān)硬的基巖地區(qū)投入施工，該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，施工速度快，縮短了施工周期，節(jié)約了打井成本，減少了鉆進(jìn)事故，提高了成井效率及質(zhì)量，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。且排渣能力增強(qiáng)，減少了巖石的重復(fù)破碎，延長了鉆頭的使用壽命。不堵塞含水層，孔壁穩(wěn)定，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，氣動(dòng)潛孔錘技術(shù)在鉆井施工中具有廣闊前景，可在我國類似生產(chǎn)中廣泛推行應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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The Application of Pneumatic DHT hammer in Geothermal Well Drilling

XU Yunpeng

(Tianjin Development and Design Institute of Geothermal Exploration, Tianjin 300250, China)

Key Words：DTH; geothermal well; drilling; hard rock

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