趙江鵬

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077)

0 引言

近幾年，隨著瓦斯抽采孔、通風孔、強排水孔、下電纜孔、救援孔以及其它用途的大直徑鉆孔的施工量快速增大，氣舉反循環(huán)鉆進、大直徑PDC鉆頭鉆進以及大直徑潛孔錘鉆進等高效鉆進技術的應用也得到進一步推廣與發(fā)展。其中，大直徑潛孔錘鉆進技術以其高效的鉆進速度受到較大的關注，已有多家相關單位對該技術進行了不同程度的研究與試驗［1－7］。

大直徑潛孔錘鉆進技術按照排渣方式的不同可分為正循環(huán)、反循環(huán)和下排渣等3種工藝方法。與大直徑正循環(huán)潛孔錘相比，大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進時，在保證潛孔錘正常工作所需要注入的空氣量外，由于反循環(huán)通道要小，其返渣需要的空氣量將會有很大的減少，降低了對鉆機、空壓機、增壓機以及鉆具系統(tǒng)等的要求，是大直徑鉆孔(≥400 mm)硬巖快速鉆進的優(yōu)選技術方案［2］。

大直徑反循環(huán)潛孔錘按照鉆頭結構不同可分為單體式和集束式(或捆綁式)2種主要型式，目前國內大直徑反循環(huán)潛孔錘主要有［2，5－10］:單頭大直徑濕式反循環(huán)潛孔錘(FGC－15型、FGC－15B型)、大直徑貫通式潛孔錘(最大直徑為660 mm)、大直徑組合捆綁式風動潛孔錘(FC－312型)、集束式反循環(huán)潛孔錘(公開報道最大直徑為660 mm)。

密封結構是大直徑反循環(huán)潛孔錘的重要結構，是其能夠形成反循環(huán)的關鍵所在。目前反循環(huán)潛孔錘的密封結構均設置在孔底鉆具本體上，它是利用鉆具本體密封盤外徑與鉆孔直徑間狹窄的空間形成對上返空氣的阻尼，促使攜渣空氣流從排渣管中上行?？赡艽嬖诘膯栴}是:由于密封結構比鉆頭旋轉所形成的鉆孔直徑要小，密封結構外徑與鉆孔壁的間隙面積會隨著鉆進時間的延長而越來越大;且鉆頭成孔過程中有一定的鉆孔直徑擴大率，因此從密封結構與鉆孔形成的環(huán)狀間隙上返壓縮氣體量變大，將會影響反循環(huán)排渣效果，嚴重者甚至不能形成反循環(huán)。為此，研究提出一種孔底與孔口聯(lián)合密封的方法以克服上述缺陷，基于該方法設計了710/311 mm集束式反循環(huán)潛孔錘與孔口密封裝置，配套127/70 mm雙壁鉆具后進行了現(xiàn)場試驗。

1 孔底與孔口聯(lián)合密封方法

孔底與孔口聯(lián)合密封方法是針對目前大直徑潛孔錘孔底密封結構存在的問題而提出的，見圖1。當孔底密封結構不能完全滿足建立反循環(huán)需要，即大量氣體從大直徑潛孔錘與鉆孔形成的環(huán)狀間隙上返時，在孔口密封裝置的作用下，由于鉆孔與雙壁鉆桿形成的大環(huán)空間隙為一密閉有限空間，當該空間氣體壓力達到一定程度時，迫使孔底壓縮空氣進入大直徑潛孔錘排渣通道沿雙壁鉆桿內管排至泥漿池，從而重新建立反循環(huán)通道。

孔底與孔口聯(lián)合密封方法對孔底密封結構設計及其密封效果的要求大大降低，即孔底密封結構與鉆孔間隙可適當增大，因此可降低孔底密封結構的設計難度，提高反循環(huán)潛孔錘應對孔內復雜情況的能力，從而實現(xiàn)安全高效鉆進目的。

2．2 孔口密封裝置

孔口密封裝置是孔底與孔口聯(lián)合密封方法中的重要裝置。該孔口密封裝置的結構設計應綜合考慮施工所使用的鉆機孔口工作臺結構特征、所配套的127/70 mm雙壁鉆桿外形特征、大直徑潛孔錘及其鉆速、空氣壓力等工藝參數(shù)、以及裝卸操作環(huán)境條件等多方面因素，主要由錐形密封膠芯和外殼體組成，與鉆孔套管以法蘭方式連接，見圖3與圖4。

圖1 孔底孔口聯(lián)合密封方法示意

圖2 集束式潛孔錘

圖3 孔口密封裝置

圖4 密封膠芯體

3 集束式反循環(huán)潛孔錘孔內反循環(huán)通道的建立

4 現(xiàn)場試驗

4．1 主要設備

本次集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進工藝現(xiàn)場試驗投入的主要設備見表1。

表1 集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進試驗所需主要設備

4．2 鉆遇地層與水文地質條件

鉆遇地層為二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)，巖性主要為泥巖、砂質泥巖及細粒砂巖、粉砂巖;實測靜水位22 m。

4．3 試驗結果

本次現(xiàn)場試驗孔段為:32～83 m，計51 m。在試驗過程中，注氣量為35～70 m3/min，轉速為13～24 r/min，注氣壓力1.0～2.0 MPa，正常鉆進期間，形成了良好的反循環(huán)排渣效果(見圖5)，機械鉆速1.0～4.0 m/h，平均機械鉆速2.1 m/h。

圖5 反循環(huán)排渣效果

5 結論與建議

針對大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進特點，本文提出一種孔底與孔口聯(lián)合密封方法，其特點在于:當孔底密封機構不能完全滿足建立反循環(huán)需要時，將有大量孔底壓縮空氣進入大環(huán)空間隙，在孔口密封裝置的作用下，可迫使孔底壓縮空氣進入大直徑潛孔錘排渣管沿雙壁鉆桿內管排至地面。該方法可降低孔底密封結構的設計難度，提高反循環(huán)潛孔錘應對孔內復雜情況的能力。

［1］ 馮起增，秦如雷，許本沖，等．全液壓車裝鉆機在集束式潛孔錘反井施工中的應用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(6):23－26．

［2］ 王清巖，呂紅權，高翼，等．旋挖鉆機嵌巖樁施工用反循環(huán)潛孔錘鉆具研究［J］．工程機械，2013，44(10):14 －18．

［3］ 楊凡．大孔徑逃生井在礦山搶險中的可行性研究［D］．北京:中國地質大學(北京)，2010．

［4］ 劉振東．大孔徑集束式潛孔錘結構與動力特性的研究［D］．黑龍江大慶:東北石油大學，2013．

［5］ 劉廷政，鄭喜彥．大直徑貫通式潛孔錘局部氣舉反循環(huán)鉆進工藝研究［C］//中國水利學會地基與基礎工程專業(yè)委員會第十一次全國學術技術研討會議論文集，2011．

［6］ 支躍．大孔徑氣舉反循環(huán)潛孔錘動力學研究［D］．黑龍江大慶:東北石油大學，2014．

［7］ 王茂森，殷琨．大直徑環(huán)式組合潛孔錘及鉆進工藝研究［J］．地質與勘探，2006，(2):90 －92，96．

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［9］ 蔣榮慶，殷琨，王茂森．FGC－15型大直徑單頭潛孔錘鉆具系統(tǒng)研制［J］．探礦工程，1995，(5):17 －19．

［10］ 王茂森．全孔反循環(huán)潛孔錘參數(shù)優(yōu)化及其鉆進工藝研究［D］．吉林長春:吉林大學，2007．

［11］ 范黎明，殷琨，張曉光，等．潛孔錘鉆進孔口密封器流場數(shù)值模擬及優(yōu)化設計［J］．吉林大學學報(地球科學版)，2011，(2):511－517．