空氣潛孔錘孔底局部反循環(huán)封堵工具研究與應(yīng)用

王 劍，李 勇，李奇龍，趙華宣，王 虎*

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局111 地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽(yáng)550081；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局114 地質(zhì)大隊(duì)，貴州 遵義563000）

0 引言

貴州省是我國(guó)南方礦產(chǎn)資源大省之一［1］。據(jù)調(diào)查，貴州省廣泛分布有大量的水熱型地?zé)豳Y源［2］和煤層氣、頁(yè)巖氣資源［3］。鉆探技術(shù)是各種礦產(chǎn)資源勘查與開(kāi)發(fā)必需的也是最直接的手段，鉆探技術(shù)水平的提高直接關(guān)系著各種礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用的效率。貴州省地礦局自2014 年起即展開(kāi)了“貴州省深井鉆探技術(shù)攻關(guān)”項(xiàng)目，內(nèi)容涵蓋了螺桿鉆井工藝、空氣鉆井工藝、多工藝轉(zhuǎn)換接力鉆進(jìn)技術(shù)、鉆井液技術(shù)等［4］。實(shí)踐表明，空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)工藝在碎屑巖地層鉆進(jìn)效率可達(dá)常規(guī)鉆進(jìn)工藝的20.4～35 倍［5］，在碳酸鹽巖地層鉆進(jìn)效率可達(dá)常規(guī)鉆進(jìn)工藝的17.6～31.5 倍［6］，在鉆進(jìn)效率方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

1 雙壁鉆桿空氣潛孔錘局部反循環(huán)鉆進(jìn)工藝原理

空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)工藝在具有較高的鉆進(jìn)效率的同時(shí)，也存在著明顯的缺陷［7］，即在鉆遇溶洞、溶隙和裂隙等發(fā)育的地層時(shí)，攜帶鉆渣的空氣會(huì)有部分進(jìn)入溶洞、溶隙或裂隙內(nèi)［8］，致使上返的空氣不足以將鉆渣攜帶至地表，從而導(dǎo)致鉆進(jìn)效率下降，甚至?xí)锌ㄣ@、埋鉆等事故風(fēng)險(xiǎn)［9］（見(jiàn)圖1a）。

雙壁鉆桿空氣潛孔錘局部反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在施工時(shí)，壓縮空氣從雙壁鉆桿外管進(jìn)入井下，通過(guò)正反工藝轉(zhuǎn)換接頭的空氣流通通道進(jìn)入空氣潛孔錘，驅(qū)動(dòng)潛孔錘沖擊碎巖［10］；空氣從空氣潛孔錘底部進(jìn)入孔內(nèi)，攜帶鉆渣上返，在封堵工具的阻擋下，從正反工藝轉(zhuǎn)換接頭的返渣孔進(jìn)入雙壁鉆桿內(nèi)管，從內(nèi)管返回地表［11-12］（見(jiàn)圖2）。該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)鉆遇溶洞、溶隙、裂隙等發(fā)育的地層時(shí)，只需封堵工具穿過(guò)溶洞、溶隙或裂隙發(fā)育井段，即可重新建立循環(huán)，恢復(fù)正常鉆進(jìn)［13-14］（見(jiàn)圖1b）。因此，雙壁鉆桿空氣潛孔錘局部反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在貴州巖溶地區(qū)具有更大的優(yōu)勢(shì)。

圖1 空氣潛孔錘正、反循環(huán)鉆進(jìn)工藝鉆遇溶洞情況對(duì)比Fig.1 Comparison of direct and reverse circulation drilling with the air DTH hammer through karst caves

2 環(huán)空封堵工具現(xiàn)狀分析

環(huán)空封堵工具是一種用于封堵井筒與雙壁鉆具之間環(huán)形空間的工具［15］，根據(jù)需要配置在鉆具上，隨鉆具一起下入，在正常鉆進(jìn)時(shí)其雙壁本體只起一個(gè)配合接頭的作用，其橡膠密封單元起封隔環(huán)空作用。目前國(guó)內(nèi)井下環(huán)空封堵工具有2 種，一種由多層環(huán)狀鐵板夾持多層橡膠，將其固定在鉆具上，環(huán)狀鐵板主要起固定橡膠環(huán)的作用，寬度不大，而橡膠環(huán)直徑與孔徑相等或略大于孔徑，起封堵作用［16］（見(jiàn)圖3）；另一種則為直接將接近孔徑的環(huán)形金屬板固定在鉆具上，直接起封堵作用（見(jiàn)圖4）。由于在地層中采用沖擊鉆進(jìn)形成的鉆孔孔壁較難形成規(guī)整的圓孔，采用金屬板做封隔器封堵效果難以達(dá)到施工要求，而多層橡膠有一定的彈性，且直徑可略大于孔徑，即使孔徑不規(guī)整，仍然可以起到較好的封堵效果。因封堵工具直徑大于上下鉆具的直徑，在井內(nèi)形成了突出點(diǎn)，當(dāng)封堵工具上部有落物時(shí)，容易在封堵工具處形成堆積，從而有卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)生卡鉆時(shí)，橡膠封堵工具因具有一定的柔韌性，處理難度小，鉆進(jìn)安全性高，但橡膠強(qiáng)度小，耐磨性差，使用壽命短；金屬板封堵工具抗磨損能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，但發(fā)生卡鉆時(shí)處理難度大，鉆進(jìn)安全性低。由此可見(jiàn)，兩種封堵工具各有優(yōu)勢(shì)，也都存在著明顯的缺陷，從而影響了其在深井鉆探中的應(yīng)用。

圖2 空氣潛孔錘正、反循環(huán)鉆進(jìn)工藝工作原理Fig.2 Working principles of direct and reverse circulation air DTH hammer drilling

施工時(shí)，封堵工具在井內(nèi)進(jìn)行著2 種運(yùn)動(dòng)，一種是軸向的上提和下放運(yùn)動(dòng)，另一種是隨著鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)而進(jìn)行的繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，我們提出如下假說(shuō)：封堵工具在井下與井壁發(fā)生2 種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即軸向的運(yùn)動(dòng)和垂直軸向的運(yùn)動(dòng)，從而也受到2 個(gè)方向的摩擦力影響；因鉆具旋轉(zhuǎn)速度與頻率遠(yuǎn)大于上下活動(dòng)的速度與頻率，因此垂直軸向的摩擦力是磨損封堵工具的主要因素。如果能夠減少或避免橡膠封堵工具的封堵膠環(huán)的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即可極大地提高封堵工具的使用壽命，達(dá)到深井鉆探的使用要求。

本項(xiàng)目研究基于上述假設(shè)，通過(guò)在封堵工具的封堵膠環(huán)處增加旋轉(zhuǎn)裝置和調(diào)整封堵膠環(huán)結(jié)構(gòu)，達(dá)到增加封堵工具壽命和確保封堵效果的目的，最終實(shí)現(xiàn)雙壁鉆桿空氣潛孔錘局部反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在深井鉆探中的應(yīng)用［17］。

圖3 橡膠封堵工具與正、反循環(huán)轉(zhuǎn)換接頭實(shí)物和結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Rubber sealing device and direct to reverse cross-over,and their structures

圖4 金屬封堵工具實(shí)物Fig.4 Metal sealing device

3 環(huán)空封堵工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)空封堵工具由雙壁短節(jié)外管、內(nèi)管、緊定螺釘、扶正接頭和密封環(huán)組成（見(jiàn)圖5）。根據(jù)施工設(shè)計(jì)的要求，隨鉆下入雙壁環(huán)空封堵工具，不僅可以封堵上部地層水，還能阻止巖屑沿環(huán)空上返造成卡鉆事故。鉆進(jìn)時(shí)，雙壁短節(jié)外管與內(nèi)管組成的雙壁本體相當(dāng)于一個(gè)雙壁鉆具短節(jié)，雙壁短節(jié)外管與內(nèi)管之間的環(huán)形空間為空氣流道。密封環(huán)雙壁鉆具之間可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在擠壓力的作用下，密封環(huán)橡膠盤(pán)緊貼井壁，封隔井筒與雙壁鉆具之間環(huán)形空間，封堵上部地層水，阻止巖屑沿環(huán)空上返，從而降低井筒施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 雙壁環(huán)空封堵工具結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure diagram of the dual-wall annulus sealing tool

在不影響工具整體強(qiáng)度下，設(shè)計(jì)了由雙壁短節(jié)外管、內(nèi)管、緊定螺釘、扶正接頭和密封環(huán)組成的雙壁環(huán)空封堵工具。制定了焊接骨架，然后整體裹膠，車削成型的加工工藝。具體流程如下：

（1）加工雙壁短節(jié)內(nèi)、外管（完成工件外形、螺紋、密封槽加工）；

（2）加工密封環(huán)骨架（加工成環(huán)形基體后，線切割成均勻兩瓣）；

（3）焊接密封環(huán)骨架（密封環(huán)骨架焊接后與外管本體間應(yīng)留有徑向及軸向間隙，防止粘磨；密封環(huán)骨架與外管本體間徑向及軸向間隙間加注潤(rùn)滑脂，起到潤(rùn)滑和防止粉塵進(jìn)入間隙導(dǎo)致預(yù)留間隙失效的作用）；

（4）裹膠（使橡膠纏繞、固定在骨架上）；

（5）車削膠盤(pán)（采用車削工藝，完成密封膠盤(pán)加工）。

密封環(huán)成型（見(jiàn)圖6）后安裝特制扶正接頭，扶正接頭與外管通過(guò)螺紋連接（圖7），并用緊定螺釘固定，最后通過(guò)焊接工藝加強(qiáng)固定。扶正接頭不僅可以提高密封環(huán)的居中度，同時(shí)可以防止焊接骨架在外力作用下脫落，造成卡鉆。

圖6 密封環(huán)成型樣機(jī)Fig.6 Sealing ring prototype

圖7 扶正接頭安裝位置Fig.7 Installation position of the centralizer ring

此外，密封環(huán)骨架與外管配合區(qū)域均采用滲氮處理工藝，可以提高耐磨能力。

4 密封環(huán)橡膠材料的選擇

雙壁環(huán)空封堵工具核心部件為密封環(huán)，其隨鉆具入井時(shí)受上返巖屑沖擊、井壁摩阻，需要具備很好的抗撕裂、磨損、耐熱等性能。氫化丁腈橡膠是用于航空的一種橡膠，具有良好的耐油、耐氧、耐老化、耐磨、耐化學(xué)腐蝕等性能，因此被選為封堵工具密封環(huán)橡膠材料。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2018 年6 月，在貴州省榕江縣忠誠(chéng)鎮(zhèn)地?zé)峋┕ぶ虚_(kāi)展了反循環(huán)環(huán)空封堵工具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)使用鉆機(jī)為RB-T100 型全液壓多功能車載鉆機(jī)，使用2 臺(tái)壽力1400XH 型空壓機(jī)提供動(dòng)力，試驗(yàn)井段為30～600 m，試驗(yàn)地層為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r，鉆進(jìn)組合為：?311 mm錘頭+沖擊器+正反循環(huán)轉(zhuǎn)換接頭+環(huán)空封堵工具+?273 mm 雙壁鉆鋌+?219 mm 雙壁鉆桿。試驗(yàn)中鉆進(jìn)參數(shù)為風(fēng)量35～70 m3/min，風(fēng)壓15～50 kPa，鉆壓10～25 kN，轉(zhuǎn)速35～55 r/min。

入井前仔細(xì)檢查了工具外包裝及工具密封環(huán)（見(jiàn)圖8）、內(nèi)管無(wú)明顯損壞。工具與現(xiàn)場(chǎng)鉆具連接良好，入井前密封環(huán)涂抹潤(rùn)滑脂降低工具入井摩阻。本次試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)尺570 m，平均機(jī)械鉆速為53.64 m/h，相對(duì)同地區(qū)同地層鉆探經(jīng)驗(yàn)，使用螺桿鉆進(jìn)工藝平均機(jī)械鉆速3～6 m/h，機(jī)械鉆速提高達(dá)到10 倍左右。鉆具起出后，4 片封堵環(huán)中中間2 片封堵環(huán)橡膠基本無(wú)磨損（見(jiàn)圖9），可以繼續(xù)正常使用，上下兩片封堵環(huán)出現(xiàn)缺損為工具進(jìn)出孔口套管時(shí)的機(jī)械損傷。試驗(yàn)過(guò)程中，封堵工具工作正常，封堵效果良好，氣體返出連續(xù)，巖屑全部從內(nèi)管返出，使用效果較好。

圖8 工具入井Fig.8 RIH of the device

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

（1）通過(guò)增加旋轉(zhuǎn)功能，新型環(huán)空封堵工具有效降低了工具在鉆進(jìn)過(guò)程中與井壁的摩擦，提高了工具使用壽命，為解決雙壁鉆桿空氣潛孔錘局部反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在地?zé)峋┕ぶ械摹捌款i”問(wèn)題提供了較好的思路。

圖9 使用后的封堵工具Fig.9 Sealing device after use

（2）組合式膠盤(pán)密封有效提高了環(huán)空密封的可靠性。

（3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，為解決大直徑雙壁鉆具設(shè)計(jì)無(wú)法采用整體式結(jié)構(gòu)的問(wèn)題而采用的兩瓣式焊接技術(shù)，通過(guò)裹膠、車削膠盤(pán)形成密封機(jī)構(gòu)。這種工藝加工的環(huán)空封堵工具使用效果良好。

（4）工具起出井筒時(shí)，上下封堵橡膠環(huán)出現(xiàn)破損，但其他膠盤(pán)仍然具備密封效果，該工具膠盤(pán)還需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

6.2 建議

（1）工具入井前膠盤(pán)涂抹潤(rùn)滑脂，減小與井壁的摩擦。

（2）優(yōu)選性能更加優(yōu)異的橡膠材質(zhì)，提高抗磨性能。

（3）螺栓緊固的防松問(wèn)題、膠盤(pán)密封承壓能力與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系問(wèn)題，需要進(jìn)一步試驗(yàn)測(cè)試。