摘要：介紹了空氣潛孔錘鉆井工藝原理，引進(jìn)的目的和意義，鉆井參數(shù)的確定，并結(jié)合韓城桑樹坪礦區(qū)地層的實(shí)際情況，分析了空氣潛孔錘鉆進(jìn)效率、施工注意事項(xiàng)，同時(shí)提出了幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：瓦斯排放井 潛孔錘鉆進(jìn) 鉆進(jìn)參數(shù) 鉆進(jìn)效率

1 概述

空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)起源于上一世紀(jì)五六十年代，它是以壓縮空氣為動(dòng)力介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)孔底潛孔錘沖擊碎巖，同時(shí)又以壓縮空氣作為洗井介質(zhì)沖洗孔底的一種鉆進(jìn)技術(shù)。它具有鉆進(jìn)快、成井質(zhì)量好、鉆具磨損小、事故率低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鉆探施工的許多領(lǐng)域，特別適用于干旱缺水地區(qū)，在高硬度巖層、卵礫石層、破碎漏失地層鉆進(jìn)中鉆進(jìn)效率大幅提高。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，各類鉆探工程市場(chǎng)越來越大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，引進(jìn)空氣潛孔錘鉆井工藝對(duì)提高鉆進(jìn)效率，降低鉆探成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力均具有十分重要的意義。2009年，陜西省煤田地質(zhì)局131隊(duì)在韓城桑樹坪煤礦瓦斯排放井施工中，將TSJ-2000型轉(zhuǎn)盤式水源鉆機(jī)與空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，取得了良好的效果。

2 概況

2.1 工程概況

桑樹坪煤礦瓦斯抽放井項(xiàng)目原設(shè)計(jì)鉆孔2個(gè)，孔深550m，鉆孔結(jié)構(gòu)：0-40m，孔徑φ850mm，下φ850mm表層套管；40-550m，孔徑φ650mm，下φ530mm套管。我隊(duì)于2008年8月開始施工，先導(dǎo)孔（φ215mm孔徑）采用三牙輪泥漿鉆進(jìn)工藝，因地層破碎漏失嚴(yán)重，采取了多種堵漏方法，耗資巨大沒有效果，歷時(shí)5個(gè)月孔深不到200m。

在普通工藝難以完成該項(xiàng)目的情況下，我隊(duì)征得業(yè)主的同意后，修改了施工方案，于2009年元月新購置兩臺(tái)壽力1150型空壓機(jī)投入該項(xiàng)目的施工。共設(shè)計(jì)鉆孔11個(gè)，其中瓦斯抽放孔10個(gè)，注水孔1個(gè)。

瓦斯抽放孔：一開采用φ311mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆至穩(wěn)定基巖后（孔深40m），擴(kuò)孔至φ450mm孔徑，下入φ325mm表層套管，固井；二開采用φ254mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆至終孔位置，下入φ194mm套管。

注水孔：一開采用？350mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆至完整基巖后，下入φ273mm表層套管，固井；二開采用φ215mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆至終井層位，下入φ139.7mm套管。

2.2 位置與地層

韓城桑樹坪煤礦瓦斯排放井項(xiàng)目位于韓城市王峰鄉(xiāng)水草塔村，地層情況復(fù)雜，傾角大、不穩(wěn)定，易坍塌掉塊，破碎漏失嚴(yán)重，地層由上到下概況如下：

①第四系

0-30.00m，上部為黃土、亞砂土和亞黏土，下部為砂質(zhì)黏土和含礫砂質(zhì)黏土。

②石千峰組

30-244.00m，上部為暗紫、紫紅色頁巖，片狀泥巖、粉砂巖夾薄層灰綠色細(xì)粒砂巖，下部以灰綠、黃綠色粗粒砂巖為主，夾紫紅色砂質(zhì)泥巖及粉砂巖。

③上石盒子組

244.00-385.00m，黃綠、紫紅、紫雜色粉砂巖及中粒砂巖；淺灰、灰白色中粗粒砂巖，底部砂巖有棱角狀礫巖。

④下石盒子組

385.00-540.00m，灰色、紫雜色粉砂巖及泥巖為主，夾灰綠色、深灰色中細(xì)粒砂巖；底部為一層灰白色厚層狀中粗粒長石石英砂巖，含燧石質(zhì)砂礫巖，為標(biāo)志層。

⑤山西組

540.00-655.00m，粗～細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖組成，富含云母及菱鐵礦結(jié)核，頂部具鮞狀結(jié)構(gòu)；2#和3#煤層均為可采煤層。

⑥太原組

655.00-725.00m，灰色、灰黑色鋁質(zhì)泥巖及砂質(zhì)泥巖，上部夾1-2灰白色中粒石英砂巖，為標(biāo)志層K3；中部含灰?guī)r一層，為標(biāo)志層K2；底部富含鋁質(zhì)，為標(biāo)志層K1。K3之上為5#煤層，K1之上為11#煤層。

3 施工技術(shù)

3.1 主要設(shè)備

空氣壓縮機(jī)：900XHH/1150XH雙工況空壓機(jī)，最大風(fēng)量32.6m3/min，最大風(fēng)壓3.45Mpa。

鉆機(jī)：TSJ-2000型，最大扭矩18KN.m，最小轉(zhuǎn)速18r/min。

鉆塔：27m A型鉆塔。

泥漿泵：BW-1200，最大泵量20L/S。

鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)：12V135柴油機(jī)，最大負(fù)荷150HP。

鉆桿：φ127mm鉆桿。

空氣潛孔錘：韓國產(chǎn)TD100CAT氣動(dòng)潛孔錘，錘頭φ311mm、φ254mm和φ215mm。

3.2 鉆具組合

一開：0-40m，φ311mm潛孔錘+φ159mm鉆鋌2根+φ127mm鉆桿+φ108mm方鉆桿。

二開：40-550m，φ254mm潛孔錘+φ159mm鉆鋌4根+φ127mm鉆桿+φ108mm方鉆桿。

3.3 鉆進(jìn)參數(shù)

設(shè)定潛孔錘鉆進(jìn)參數(shù)時(shí)，除了應(yīng)該充分考慮巖石的機(jī)械性能、沖擊器的性能，還要兼顧鉆井的溫度、深度、水柱壓力、井眼尺寸和巖屑濃度等因素，最佳鉆速的設(shè)計(jì)要考慮更多的動(dòng)力及成本消耗，主要包括風(fēng)壓、鉆壓、轉(zhuǎn)速、氣量。

①鉆壓

潛孔錘鉆井過程，是在鉆壓、高壓氣流沖擊力、旋轉(zhuǎn)力三種合力的作用下使井底巖石破碎。其中，鉆壓的作用是保證鉆頭齒能與井底地層緊密接觸，克服沖擊器及鉆具的反彈作用力，以便實(shí)時(shí)傳遞來自潛孔錘沖擊器的反沖擊力。若鉆壓過小，難以克服沖擊器工作時(shí)的反作用力，直接影響沖擊功的快速傳遞；若鉆壓過大，旋轉(zhuǎn)阻力會(huì)相應(yīng)增加，繼而加劇鉆頭的早期磨損。對(duì)于φ254mm潛孔錘全面鉆井，鉆壓一般在8-20kN之間，一般15kN左右最為適宜。

②轉(zhuǎn)速

一般轉(zhuǎn)速選擇在15～25r/min為宜，轉(zhuǎn)速過高會(huì)造成鉆頭先期磨損和鉆井機(jī)械鉆速的降低，由于潛孔錘是以沖擊破巖的方式鉆井，轉(zhuǎn)速大小會(huì)改變鉆頭合金齒的沖擊破巖相對(duì)接觸位置，避免已破碎巖屑重復(fù)破碎。因此，合理的轉(zhuǎn)速應(yīng)在最優(yōu)的沖擊間隔范圍之內(nèi)。最優(yōu)沖擊頻率的確定，可用兩次沖擊間隔的轉(zhuǎn)角表示，轉(zhuǎn)速和鉆頭的沖擊頻率與最優(yōu)轉(zhuǎn)角的關(guān)系式如下：

A=360N/F

A——最優(yōu)轉(zhuǎn)角，度/次；

N——鉆具轉(zhuǎn)速，r/，min；

F——沖擊頻率，次/min。

為確保硬質(zhì)合金均勻點(diǎn)擊所在圓周，一般在中-硬巖性地層中鉆進(jìn)，宜將最優(yōu)轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)成11度/次，鉆頭轉(zhuǎn)速最好設(shè)定為18-30r/min；軟巖層鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速可適當(dāng)調(diào)高，硬巖層鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)速要適度放低。

③空氣壓力

空氣壓力是影響潛孔錘沖擊器沖擊力及沖擊頻率的主要因素。沖擊力大小主要取決于空氣壓力的大小。同時(shí)，機(jī)械鉆速相關(guān)參數(shù)的設(shè)定也在很大程度上受空氣壓力的影響，空氣壓力越大，機(jī)械鉆速越快。空氣壓力除滿足潛孔錘工作壓力外，還須克服井內(nèi)鉆具水眼壓力降、環(huán)空壓力降、潛孔錘壓力降等損耗，如遇含水地層，還須克服水柱靜壓力才能保證正常鉆進(jìn)。

④空氣量

空氣鉆井中空氣消耗量主要以氣動(dòng)潛孔沖擊器的耗氣量及其攜帶井內(nèi)環(huán)空巖屑的最低上返速度為依據(jù)而定。按照鉆進(jìn)要求，鉆進(jìn)階段為維持井底清潔、攜帶環(huán)空巖屑返出井口，全面鉆進(jìn)時(shí)空氣循環(huán)介質(zhì)上返速度為20～25m/s。因此，應(yīng)按下列公式計(jì)算注入空氣量：

Q=47.1k1k2（D2-d2）v

Q——鉆進(jìn)時(shí)所需空氣量，m3/min；

k1——井深損耗系數(shù)（井深100～600m以內(nèi)取1.0～1.3）；

k2——井內(nèi)涌水時(shí)風(fēng)量增加系數(shù)（k2取值與涌水量有關(guān)，中等涌水量k2取1.1～1.5）；

D——環(huán)空直徑，m；d——鉆桿外徑，m；

v——環(huán)空氣流上返速度，m/s。

3.4 操作注意事項(xiàng)

①鉆具內(nèi)孔時(shí)刻保持清潔，否則容易卡住潛孔錘活塞，同時(shí)也能降低內(nèi)缸套和活塞的磨損程度；

②鉆進(jìn)至井底0.3m時(shí)送風(fēng)，風(fēng)返回井口后開鉆掃到井底，帶潛孔錘開始運(yùn)行后調(diào)整參數(shù)正常鉆進(jìn)；

③加鉆桿時(shí)鉆具須提離井底，待主動(dòng)鉆桿出井口后聽風(fēng)，加鉆桿；

④完成上一部操作后先對(duì)井底沉渣進(jìn)行檢查，若沉渣有半米厚，則須清渣再繼續(xù)鉆進(jìn)；

⑤鉆深百米以上后，孔徑大于200mm，每鉆進(jìn)6～9m清渣一次，實(shí)施觀測(cè)巖屑數(shù)量，直至送風(fēng)將巖粉徹底返出再繼續(xù)鉆進(jìn)，以免井壁儲(chǔ)存大量巖屑造成埋鉆事故；

⑥結(jié)束一個(gè)回次后徹底檢查潛孔錘，尤其要注意鉆頭卡銷、絲扣連接處等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，以免鉆進(jìn)時(shí)零件松脫掉入井中；

⑦每回次要從鉆桿口加油機(jī)，確保沖擊器和錘頭的潤滑；

⑧鉆遇粉煤層，要加大沖孔時(shí)間，一般10-15分鐘，防止煤層倒塌，鉆具遇阻。

4 使用效果

注水井二開采用Φ215mm潛孔錘鉆進(jìn)，施工中遇薄煤層時(shí)比較順利，遇厚煤層則需反復(fù)幾次，但整口井的施工總體順利。

6#和10#井采用Φ254mm潛孔錘施工，6#井鉆至516m、10#井鉆至503m時(shí)，由于地層漏風(fēng)嚴(yán)重，兩臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)工作，到此井深錘頭接觸井底都無沖擊能力，空壓機(jī)風(fēng)量減小不能正常工作。

此后采用泥漿堵漏后牙輪鉆進(jìn)，兩井施工時(shí)間較長，費(fèi)用很大。

后來又購置了一臺(tái)阿特拉斯XHP1070型空壓機(jī)，采用三機(jī)并聯(lián)進(jìn)行施工，并聯(lián)后風(fēng)壓不變，風(fēng)量明顯增加。采用φ254mm空氣潛孔錘可以直接鉆進(jìn)到550多米的終孔位置，單孔用時(shí)30至40天，4#井僅用20多天完井。

根據(jù)施工記錄統(tǒng)計(jì)，采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)，平均每一單根用時(shí)15min，加桿用時(shí)20min，一單根長約9.5m，純鉆時(shí)效38m/h，由于加桿及沖孔輔助時(shí)間的影響，平均實(shí)際鉆效約12m/h，比常規(guī)三牙輪鉆進(jìn)時(shí)效提高5-10倍。

5 結(jié)論

空氣潛孔錘鉆井使機(jī)械鉆速成倍提高，大大縮短鉆井周期；沒有鉆井液、堵漏的材料消耗和費(fèi)用，降低了鉆井的綜合成本；也是干旱缺水地區(qū)以及嚴(yán)重漏失地層鉆井施工中可采用的有效方法。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

陳玉江（1968-），男，陜西山陽人，1989年畢業(yè)于陜西煤炭工業(yè)學(xué)校鉆探工程專業(yè)，鉆探工程師，從事鉆探技術(shù)管理工作。