正循環(huán)潛孔錘實(shí)現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)雙壁鉆具配套研制

李艷麗，王振志，李曉暉，程 林，滿國(guó)祥，孔令滬，王克虎，楊宏偉

(河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心石家莊探礦機(jī)械廠，河北 石家莊 050080)

1 研制背景

空氣潛孔錘鉆進(jìn)是利用高壓空氣驅(qū)動(dòng)潛孔錘破碎巖石，同時(shí)兼做沖洗介質(zhì)的鉆進(jìn)方法，是一種高效的鉆進(jìn)方式，被越來(lái)越多的應(yīng)用于施工中?？諝鉂摽族N鉆進(jìn)按沖洗介質(zhì)的循環(huán)方式可以分為正循環(huán)鉆進(jìn)和反循環(huán)鉆進(jìn)。正循環(huán)鉆進(jìn)是高壓空氣經(jīng)由鉆柱內(nèi)孔輸送入井底，攜帶巖屑經(jīng)由鉆柱和鉆孔壁之間的環(huán)空上返，這種工藝的優(yōu)勢(shì)是鉆具配置簡(jiǎn)單，使用正循環(huán)潛孔錘配套相關(guān)單壁鉆具即可實(shí)現(xiàn)，耐用性好、使用維護(hù)成本低，但劣勢(shì)也很明顯，就是沖洗介質(zhì)從鉆孔直接上返，其上返速度受鉆孔口徑的影響，一般成孔直徑較小，上返介質(zhì)不能有效收集、施工環(huán)境較差，而且遇破碎、坍塌地層或者環(huán)空有大的裂隙，無(wú)法順利實(shí)現(xiàn)正循環(huán)鉆進(jìn)；反循環(huán)鉆進(jìn)是高壓空氣從雙壁鉆桿的環(huán)空通道輸送入井底，攜帶巖屑鉆渣后沖洗介質(zhì)從雙壁鉆桿的中心通道上返，這種工藝沖洗介質(zhì)的上返速度與鉆孔的口徑是沒(méi)有關(guān)系的，另外孔壁不受到上返介質(zhì)的沖刷，即使遇到破碎和坍塌地層，也可以順利實(shí)施鉆進(jìn)，所以在施工大口徑鉆孔、搶險(xiǎn)救援孔時(shí)具備高效安全的特性，是首選方案。鉆具選配的常規(guī)思路是要使用雙壁鉆桿、反循環(huán)潛孔錘及其他相關(guān)鉆具組合實(shí)現(xiàn)，雙壁鉆桿攜帶巖屑鉆渣的沖洗介質(zhì)直接由反循環(huán)潛孔錘導(dǎo)入鉆具的中心通道上返，經(jīng)雙通道氣水龍頭鵝頸管進(jìn)入除塵器，集中排放，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保干凈，但是由于目前反循環(huán)潛孔錘技術(shù)還不夠成熟，制造成本高，使用壽命短，制約了這種工藝的推廣?；诖耍瑸榱思扔行Ю梅囱h(huán)鉆進(jìn)工藝的優(yōu)勢(shì)，又降低潛孔錘利用的成本，本文結(jié)合案例闡述了用正循環(huán)潛孔錘實(shí)現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)的工藝方法，并著重介紹這種工藝配套鉆具的研制。

2 配套鉆具的研制

為了用正循環(huán)潛孔錘實(shí)現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，就要確保配套的雙壁鉆具的可靠性，既能使用雙壁鉆具環(huán)空通道向下輸送沖洗介質(zhì)，又能利用鉆具中心通道向上攜帶巖屑。其鉆具主要包括雙通道氣水龍頭、大口徑雙壁鉆桿、雙壁穩(wěn)定器、阻風(fēng)環(huán)、正反接頭、減震器、正循環(huán)潛孔錘和錘頭。本文著重對(duì)大口徑雙壁鉆桿、雙壁穩(wěn)定器、阻風(fēng)環(huán)和正反接頭的研制情況進(jìn)行介紹。

2.1 大口徑雙壁鉆桿的研制

大口徑雙壁鉆桿是進(jìn)行反循環(huán)鉆進(jìn)必備的鉆具，它由內(nèi)管、外管和定位裝置三部分組成；外管由管體和焊接在管體兩端的內(nèi)外螺紋接頭組成；內(nèi)管由管體和焊接在管體兩端的密封接頭組成，內(nèi)管懸掛于外管內(nèi)，通過(guò)定位裝置與外管裝配為一支完整的鉆桿。

鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)工作時(shí)，外管的內(nèi)外螺紋互相配合旋緊，內(nèi)管的密封接頭插接、密封圈密封，形成具有獨(dú)立雙通道的鉆桿柱，內(nèi)外管環(huán)空用來(lái)向孔底輸送高壓空氣，內(nèi)管內(nèi)孔向地表上返攜帶巖屑鉆渣的沖洗介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)。

2.1.1 規(guī)格參數(shù)

SG219/152鉆桿是我廠研制的大口徑雙壁鉆桿(見(jiàn)圖1、圖2)，主要用于施工大口徑鉆孔以及搶險(xiǎn)救援孔，參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 SG219/152雙壁鉆桿局部剖開(kāi)圖

圖2 SG219/152雙壁鉆桿實(shí)物圖

表1 SG219/152大口徑雙壁鉆桿技術(shù)參數(shù)

2.1.2 性能參數(shù)

鉆桿外管及接頭選用符合API SPEC 5DP《鉆桿規(guī)范》的G105鋼級(jí)管體和4137H材質(zhì)的接頭原材料，內(nèi)管選用符合《地質(zhì)巖心鉆探鉆具》(GB/T 16950—2014)中的ZT520鋼級(jí)管體。內(nèi)外管性能參數(shù)見(jiàn)表2，外管接頭性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 內(nèi)外管性能參數(shù)

表3 外管接頭性能參數(shù)

依據(jù)《鉆柱設(shè)計(jì)和操作限度的推薦做法》(SY/T 6427—1999)進(jìn)行計(jì)算，SG219/152鉆桿整體性能參數(shù)如下：鉆桿采用G105+4137H鋼級(jí)/材質(zhì)；接頭螺紋拉伸屈服7386 kN，扭轉(zhuǎn)屈服176459 N·m；雙壁外管焊縫拉伸屈服3682 kN，扭轉(zhuǎn)屈服215266 N·m；雙壁外管拉伸屈服4070 kN，扭轉(zhuǎn)屈服237943 N·m；新接頭旋接扭矩105881 N·m。

2.1.3 關(guān)鍵技術(shù)

確保雙壁鉆桿內(nèi)管密封可靠、內(nèi)管與外管不發(fā)生相互轉(zhuǎn)動(dòng)和相互竄動(dòng)是確保鉆桿性能和使用壽命的關(guān)鍵所在，如果鉆桿在鉆進(jìn)時(shí)內(nèi)管密封不可靠，會(huì)產(chǎn)生漏氣泄壓，高壓空氣從內(nèi)外管環(huán)空直接進(jìn)入內(nèi)管，這樣內(nèi)外通道就會(huì)聯(lián)通，無(wú)法形成獨(dú)立的雙通道，進(jìn)而形不成反循環(huán)；另外，如果內(nèi)外管發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)或者竄動(dòng)，內(nèi)外管相互碰撞和摩擦，很容易導(dǎo)致內(nèi)管損壞、密封失效，從而減少鉆桿的使用壽命。為此，我們對(duì)大口徑雙壁鉆桿做了以下改進(jìn)。

(1)在內(nèi)外管接頭上設(shè)置了防轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸，并安裝防竄動(dòng)擋圈，有效防止了內(nèi)外管之間的相互轉(zhuǎn)動(dòng)和竄動(dòng)，降低密封圈的磨損速度，提高鉆桿的工作性能，增加使用壽命。

(2)改進(jìn)密封圈的結(jié)構(gòu)，定制方形密封圈，增加接觸面積，使密封可靠性增加。

(3)將內(nèi)管的密封結(jié)構(gòu)置于內(nèi)管母接頭內(nèi)，方便檢查密封圈的損壞與否及磨損程度。

2.2 雙壁穩(wěn)定器的研制

雙壁穩(wěn)定器由外管(性能參數(shù)見(jiàn)表4)、內(nèi)管和穩(wěn)定翅片板組成(如圖3所示)。它具備雙通道，其中外管與穩(wěn)定翅片板焊接為一體，內(nèi)管裝配懸掛于其中，外管為兩端車制螺紋的厚壁管，內(nèi)管結(jié)構(gòu)同雙壁鉆桿的內(nèi)管，穩(wěn)定翅片板外部直徑依據(jù)鉆孔的大小確定，通常比孔徑略小，既起到鉆孔扶正、保直作用，又可作為鉆柱配重鉆鋌。穩(wěn)定翅片板呈豎直狀或螺旋狀分布焊接于外管外圓周面上，穩(wěn)定翅片板外端面上均勻分布若干合金頭，為了保證翅片板的穩(wěn)定度，相鄰的穩(wěn)定翅片板之間設(shè)有加強(qiáng)板。

表4 穩(wěn)定器外管的性能參數(shù)

圖3 雙壁穩(wěn)定器實(shí)物圖

2.3 阻風(fēng)環(huán)的研制

阻風(fēng)環(huán)包括阻隔內(nèi)管、阻隔外管和安裝在阻隔外管外部的阻風(fēng)盤組成，具備雙通道。阻風(fēng)盤由法蘭板和阻隔墊疊加形成，相鄰阻隔墊之間有間隔墊，間隔墊直徑小于阻隔墊，使疊加后的阻隔墊外邊呈凹凸齒狀(如圖4所示)；法蘭盤與阻隔墊、間隔墊通過(guò)螺栓連接為一體，并將阻隔墊和間隔墊固定在阻隔外管外部；阻隔墊要具備耐磨性和柔韌性，它的直徑與鉆孔直徑相同或略大于鉆孔直徑，用于阻擋高壓介質(zhì)和鉆渣巖屑沿正循環(huán)潛孔錘和鉆孔的環(huán)隙上返，保持高壓介質(zhì)壓力，使高壓介質(zhì)和鉆渣巖屑由下述正反接頭的導(dǎo)流孔鉆柱中心通道上返，從而實(shí)現(xiàn)用正循環(huán)潛孔錘實(shí)施反循環(huán)鉆進(jìn)。

圖4 阻風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)圖

2.4 正反接頭的研制

正反接頭(見(jiàn)圖5)在本套鉆具中起非常重要的作用，不僅是承上啟下，還是正反循環(huán)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。它的作用一是將高壓空氣通過(guò)介質(zhì)輸送孔向下輸送至潛孔錘，二是和阻風(fēng)環(huán)配合使用將攜帶巖屑鉆渣的高壓介質(zhì)向上通過(guò)導(dǎo)流孔導(dǎo)入中心通道，介質(zhì)輸送孔和導(dǎo)流孔是相互獨(dú)立、互不聯(lián)通的,介質(zhì)輸送孔的大小和數(shù)量要與輸入高壓空氣氣量相匹配,導(dǎo)流孔的直徑要與上返通道的直徑相匹配。

圖5 正反接頭結(jié)構(gòu)圖

3 應(yīng)用實(shí)例

2015年12月25日山東省臨沂市平邑縣保太鎮(zhèn)玉榮商貿(mào)有限公司石膏礦發(fā)生坍塌事故，致使29名作業(yè)人員被困井下，在井下坍塌十分嚴(yán)重、地層應(yīng)力持續(xù)釋放的情況下，無(wú)法開(kāi)展井下救援工作，最終從地面施工大口徑垂直救升井成為救援的唯一可選方案。在這種情況下用正循環(huán)鉆進(jìn)工藝顯然是行不通的，原因有兩方面。

一方面井下坍塌嚴(yán)重，正循環(huán)沖洗介質(zhì)遭遇坍塌層無(wú)法順利上返，而且對(duì)坍塌的地層會(huì)形成沖刷，導(dǎo)致重復(fù)坍塌，后果更是不堪設(shè)想。

另一方面使用正循環(huán)工藝時(shí)，大口徑的救生孔需要的氣量是非常大的，如果要施工?711 mm口徑的鉆孔，需要的氣量如下：

Q=47.1K(D2-d2)V

式中：Q——空氣壓縮機(jī)供氣量，m3/min；D——鉆頭直徑，m，取0.711 m；d——鉆桿直徑，m，取0.219 m；V——空氣鉆進(jìn)排渣通道的空氣上返速度，一般取值范圍為15～25 m/s，取20 m/s；K——考慮漏失及涌水情況的系數(shù)，取值范圍為1.0～2.5，取1.0。

則：

Q=47.1×1.0×(0.7112-0.2192)×20=431 m3/min

而一臺(tái)壽力900XHH-1150XH型雙工況空壓機(jī)最大氣量32.6 m3/min，相比于正循環(huán)施工所需要的氣量過(guò)于懸殊，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

使用反循環(huán)工藝時(shí)，供氣量只需滿足潛孔錘所需工作風(fēng)量和巖樣上返所需風(fēng)量即可。由于阻風(fēng)環(huán)以下仍為正循環(huán)鉆進(jìn)，所以要滿足阻風(fēng)環(huán)以下正循環(huán)鉆進(jìn)所需風(fēng)量，同樣施工?711 mm口徑的鉆孔，需要的氣量：

Q1=47.1K(D2-d12)V

式中：Q1——空氣壓縮機(jī)供氣量，m3/min；K——考慮漏失及涌水情況的系數(shù)，取值范圍為1.0～2.5，取1.0；D——鉆頭直徑，m，取0.711 m；d1——24 in空氣潛孔錘直徑，m，取0.610 m；V——空氣鉆進(jìn)排渣通道的空氣上返速度，一般取值范圍為15～25 m/s，取20 m/s。

則：

Q1=47.1×1.0×(0.7112-0.6102)×20=126 m3/min

使用4臺(tái)壽力900XHH-1150XH型雙工況空壓機(jī)即可滿足要求。

基于此，本次救援工藝中在三開(kāi)階段選擇了用正循環(huán)潛孔錘實(shí)施反循環(huán)鉆進(jìn)的工藝。施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。一開(kāi)二開(kāi)均使用旋挖鉆機(jī)配套旋挖鉆頭，分級(jí)下入套管，三開(kāi)采用寶峨RB-T 90型鉆機(jī)配套我廠生產(chǎn)的SG219/152型雙壁鉆具，4臺(tái)壽力900XHH-1150XH型雙工況空壓機(jī)進(jìn)行潛孔錘空氣反循環(huán)鉆進(jìn)。鉆具組合見(jiàn)圖7，鉆具組合為：?711 mm錘頭+24 in空氣潛孔錘+減震器+正反接頭+?711 mm阻風(fēng)環(huán)+2支?680 mm扶正器+2支?650 mm扶正器+SG219/152雙壁鉆桿。成功鉆進(jìn)至170 m。四開(kāi)采用寶峨RB-T 90型鉆機(jī)配套SG219/152型雙壁鉆具，4臺(tái)壽力900XHH-1150XH型雙工況空壓機(jī)進(jìn)行牙輪鉆頭空氣反循環(huán)鉆進(jìn)。鉆具組合為：?565 mm組合牙輪鉆頭+正反接頭+?565 mm阻風(fēng)環(huán)+2支?540 mm扶正器+2根?279 mm雙壁鉆鋌+SG219/152雙壁鉆桿。最終成功營(yíng)救出被困井下220 m深處長(zhǎng)達(dá)850 h的4名礦工，成為世界第三例、亞洲首例地面大孔徑鉆井成功救援的實(shí)例，創(chuàng)造了我國(guó)礦山事故救援的新奇跡。

圖6 施工現(xiàn)場(chǎng)圖

圖7 鉆具組合示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本套鉆具的研制在設(shè)計(jì)和強(qiáng)度上都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算，性能可靠、結(jié)構(gòu)合理，能夠充分發(fā)揮出反循環(huán)鉆探工藝的優(yōu)勢(shì)。

(2)在合理的鉆具配置條件下，用正循環(huán)潛孔錘實(shí)施反循環(huán)鉆進(jìn)既經(jīng)濟(jì)環(huán)保，又安全高效，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，完全能夠滿足施工要求。

[1] DZ/T 0304—2017，多工藝空氣鉆探技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB/T 16950—2014，地質(zhì)巖心鉆探鉆具[S].

[3] SY/T 6427—1999，鉆柱設(shè)計(jì)和操作限度的推薦做法[S].

[4] 周全興.鉆采工具手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[5] 程林.平邑石膏礦坍塌事故5號(hào)孔救生孔施工工藝與鉆具配置[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016，43(5)：13-16.

[6] 孫明光.鉆井、完井工程[M].北京：中國(guó)石化出版社，2002.

[7] 趙金洲，張桂林.鉆井工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2004.

[8] 秦庚.礦井施工組織設(shè)計(jì)指南[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002.