气动潜孔锤钻进技术若干问题

刘家荣,王建华,王文斌,许刘万

(1.中国地质大学〈北京〉,北京 100083;2.中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊065000;3.河北省地矿局石家庄综合地质大队,河北石家庄 050081）

气动潜孔锤钻进技术若干问题

刘家荣1,2,王建华2,王文斌3,许刘万2

(1.中国地质大学〈北京〉,北京 100083;2.中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊065000;3.河北省地矿局石家庄综合地质大队,河北石家庄 050081）

气动潜孔锤钻进技术以其钻进效率高、钻孔质量好等一系列优点已被广泛应用,但在日常应用中也存在着诸如钻进效果不尽如人意,所选设备性能和施工条件不匹配、不适应其主要参数,基本操作守则掌握不好等问题。以工程实践为依据,参考有关文献,对气动潜孔锤钻进中的若干技术问题进行了论述,以期促进该技术的推广应用。

气动潜孔锤;钻进;钻进参数;设备;泡沫剂

0 前言

气动潜孔锤钻进是当代多工艺空气钻进技术方法之一,由于它具有钻进效率高、钻孔质量好等一系列优点已被广泛应用,而且得到了大家的认可。我国于20世纪80年代初期,在基岩水井施工中开始应用这一技术。经过几十年的科研开发和推广应用,现已取得了非常显著的成效,从根本上改变了长期存在的钻进效率低、成本高、成井质量差、出水量小、使用寿命短等问题。从目前情况看,虽然推广面逐步扩大,技术领域不断拓宽,有的钻进效率比钢丝绳冲击钻进、牙轮回转钻进提高几倍到十几倍,成井率提高80%左右、成本降低50%,取得了显著的经济效益和社会效益。但在日常应用中也存在一些问题和不足,诸如:(1）钻具组合形式单一,应用效果不尽如人意;(2）工艺方法简单,钻进效果不佳;(3）对泡沫剂的使用还不甚了解;(4）选用设备性能和施工条件不匹配、不适应;(5）进行气动潜孔锤钻进时,主要参数的选取和基本操作守则对钻进效率的提高影响等。必须在原有基础上不断加以完善,有针对性地予以解决,以便达到加深对潜孔锤钻进工艺的理解并合理运用,以利于此种技术的横向拓宽和纵向发展。

1 气动潜孔锤钻进技术参数问题

1.1 风量、风速和风压

一般认为所用压缩空气的压力高,则潜孔锤钻进的效率也高,而且钻头的使用寿命也长。供风量不仅是保证冲击器工作的基本条件,也是保证钻孔是否能正常排粉的重要因素,因为在干空气的钻进情况下,排粉效果的好坏,主要是和上返风速有关,而风速就和供风量发生直接关系。

风量根据所用冲击器的性能以及要满足洗井所需的上返风速而确定。因为岩屑在气流介质中由于本身的粘度、密度和形状的不同而具有不同的悬浮速度,因此要使岩屑有效地排出孔外,达到孔底干净,就必须采用大于岩屑悬浮速度的上返风速。对于反循环气动潜孔锤钻进来说不存在此类问题,对于一般正循环钻进,压缩空气在钻杆与孔壁环状间隙中的上返流速,不少文献推荐宜在15～30 m/s。有的文献推荐排除岩屑所需风量往往还超过潜孔锤工作风量。在钻杆直径与钻头直径相差较大时,潜孔锤在低气压下运转,因气量不足,不能产生足够的气流速度,岩屑不能及时排出孔外而堆积在孔底,这样最容易出现埋钻,导致孔内事故发生。

因此,在进行大口径潜孔锤钻进时,钻孔直径和所用钻杆直径的级差比大时,就出现了潜孔锤供风量不能满足排渣所需风量的问题,所以携带孔底岩屑钻杆直径与井壁之间的环状间隙就显得尤为重要。供风量的选择与确定,主要是要保证一定的环空上返风速,依下列公式推算(正循环要大于15 m/s）:

式中:V——上返风速,m/s;Q——供风量,m3/min; D——钻孔直径,mm;d——钻杆直径,mm。

选择好风量、风速和风压的技术关键在于如何掌握好3个关系:空气能量和循环阻力的关系;上返速度和清孔效果的关系;介质密度和钻井条件的关系。在解决好上述关系的同时,还要采取相应的技术措施,如:增加供风量和供风压力;减小环流断面;有条件时选择反循环气动潜孔锤钻进;合理选用冲击器型号;调整介质密度,采用气液两相介质循环,如采用泡沫剂、雾化以及其他充气介质等。通常规律是其相同条件下风压愈高钻速愈快。随孔深的增加所需压力也增大,如钻“120 mm的钻孔,深150 m时需消耗风压1.4MPa,深200 m时需消耗风压1.7 MPa。另外用空气泡沫钻进消耗风压约比纯空气增大0.18 MPa,同样条件下,如孔深200 m时用空气泡沫其冲孔风压为2.21 MPa,而纯空气钻进风压仅为1.7MPa不同冲孔方法对配备空压机能力要求也不同。此外,在有水的情况下钻进,背压对潜孔锤风压每10 m增加0.1 MPa。

为减少岩屑堆积,还可在潜孔锤上部安装沉淀管的办法,能取得效果,并使风量消耗减轻。

1.2 轴向压力

从冲击碎岩原理来看,岩石主要是靠冲击动载作用下破碎的,因此潜孔锤钻进效率的高低,主要是取决于冲击功的大小和冲击频率的多少,而轴压是保证冲击功充分发挥作用的辅助力,过大过小都会影响钻进正常进行,大则会引起钻具的振动、钻头过早的磨损、硬质合金齿掉落、回转困难;过小将会影响冲击功的有效传递。

表1列出了几种规格潜孔锤钻进时推荐选用的轴向压力范围,如果孔内钻柱自身重力超出其范围时应采取减压钻进。

表1 气动潜孔锤钻进推荐的轴向压力

潜孔锤钻进主要靠冲击器活塞来冲击钻头,而不是靠钻杆柱加压提高钻速,这一点不同于牙轮钻头回转钻进。因此,为防止钻杆剧烈震动,尽可能选用下限值,钻压过高会损坏冲击器和钻头,使钻速下降。

1.3 转速

潜孔锤钻进是属于慢回转的一种钻进方法,合理的转速选择,对钻头寿命乃至钻进成本至关重要。它主要与冲击器所产生的冲击功的大小、冲击频率的高低、钻头的形式以及所钻岩石的物理机械性质有关。潜孔锤钻进以冲击碎岩为主,所以无需过快的线速度。转速太快,对钻头的寿命不利,特别在研磨性强的岩层,转速过快将使钻头外围的刃齿很快磨损和碎裂。

如果转速太慢,则将使柱齿冲击时与已有冲击破碎点(凹坑）重复,导致钻速下降。常规是岩石愈硬或钻头直径愈大,愈要求用较低之转速。

在某些严重裂隙性岩层中钻进,有时为防止卡钻而采用增加转速的办法。但也要注意有时卡钻是因为钻头已过度磨损,而增加转速会使问题复杂化。

对潜孔锤钻进,最优钻头回转速度,应以获得有效的钻速、平稳的操作和经济的钻头寿命作为一般要求,现提出下列经验数据供选择:覆盖层为40～60 r/min;软岩层为30～50 r/min;中硬岩层为20～40 r/min;硬岩层为10～30 r/min。

2 气动潜孔锤钻进

2.1 气动冲击器

冲击器是潜孔锤钻进的主要钻具,其性能优劣直接影响钻进效率。国外十分注重对冲击器性能的研究,解决了许多技术关键问题,使冲击器的性能有了很大的提高。如阿特拉斯、美国寿力开发的系列产品就很多,有适合深孔的,低耗、低气量的中高风压的等。大部分为无阀结构,内部零件少,结构简单,坚固而好用。从发展趋势看是向高风压和大孔径发展。国内一些厂家也很重视对冲击器的研究,产品的性能已接近国际先进水平。从近年来的生产应用看,基本满足了工程需要,而且价格还比国外的便宜。另外,提高风压就可提高钻进效率,这也是国内外致力于发展高风压冲击器的原因。对施工单位来说选购高压还是低压冲击器要因实际情况而定,条件许可时尽可能选配高压的,但同规格的冲击器高压和低压的价格差异较大,选配时一定要注意。国内外有关厂家气动冲击器见表2。

表2 部分厂家中高压气动潜孔锤系列选择表

2.2 钻头

冲击器所产生的能量是通过钻头破碎岩石的,所以岩石要受冲击和研磨双重作用。这就要求对钻头进行合理的设计、制造和使用,保证钻头的高效、耐磨和长寿命。这也是提高钻进效率的重要因素之一。

目前国外对潜孔锤钻头除了合理设计选用不同形状硬质合金柱齿外,钻头底唇面造型及合理布齿都至关重要。常规用的大致分为以下4种底面造型,适用于不同岩层和工况条件下选择(如图1所示）。

图1 潜孔锤钻头底唇面造型示意图

2.2.1 平底型

这是一种通用型设计,用于较软或硬的岩层。在破碎和裂隙性以及岩性多变的岩层中钻进有良好的效果。但不宜在特别软的和覆盖层中使用。

2.2.2 凸底型

设计用于钻速比钻孔垂直更重要的硬、研磨性强的岩层钻进。其凸形表面相对克取岩层表面较小,能产生较大的冲击功,并获得高的钻速。但钻孔垂直度比其他钻头要差一些。

2.2.3 凹底型

设计有一个向内凹的锥形面,能起到减少地面设备震动和保持钻孔垂直的作用。为提高碎岩效果,其柱齿呈交错排列,在许多岩层中的钻速较高。此型钻头适用于软和硬的岩层,而且钻头寿命长。

2.2.4 扩孔钻头

专门设计用于特殊情况下扩大孔径。钻头体下部同牙轮扩孔钻头底部,有一与前导孔直径匹配的导正部分,共分两次钻凿,这种方法解决了一次成孔存在的许多不利因素,而且成孔垂直度高,效率也相对较高。

除了上述钻头底面造型外,日常还会碰到有中空式钻头,跟管钻进用的其它形式钻头。

2.3 钻杆柱

气动潜孔锤钻进用钻杆柱与其它回转钻进相比,不承受大的扭矩和高转速,钻具质量轻,所以,实践证明钻杆有较长的寿命。从正循环钻进来说,加大钻杆外径,减小壁厚,钻杆质量增加不大,但截面系数增大了,有利于提高上返速度,又使钻杆刚度增大,对深孔钻进显得尤为重要,既提高了钻速又减少了钻孔的偏差。为减少孔内事故发生,建议用外平钻杆比较适宜。具体钻杆柱的连接,潜孔锤上加扶正器以及钻铤,这必须要因地制宜,根据操作者的习惯和经验而定。

但对反循环气动潜孔锤而言,钻杆柱连接比较简单,小直径钻孔均为外平式双壁钻杆,大直径钻孔常规式双壁钻杆,内外管均采用特殊结构设计加工。与气举反循环钻进用双壁钻杆有明显区别,而且地面配套与正循环气动潜孔锤都不一样。此工艺方法正在推广阶段,用途及范围也在不断扩大。

2.4 空压机

合理选用空压机是保证潜孔锤高效钻进的基础。目前进入中国市场的国外空压机种类也很多,除了向国内销售外,还面向用户租赁。施工单位可按工程实情咨询选配。有关气动潜孔锤钻进常用空压机见表3。

2.5 钻机

钻机作为配合潜孔锤钻进的主要设备,它是驱动潜孔锤钻进回转的动力。选用性能和潜孔锤钻进技术要求适应的钻机,是保证潜孔锤钻进正常进行的又一重要条件。有些钻机性能是不适应的,主要反映在钻机的转速偏高。近年来我国进口的全液压动力头车装钻机剧增,同时国内有些厂家也在研制生产此种类型钻机,而且钻进工艺主要采用气动潜孔锤方法,其最大优越性是机械化程度高和无级变速,现已成为了最适合气动潜孔锤钻进的钻机。目前这方面常用的各种类型钻机见表4。

表3 气动潜孔锤钻进常用空压机选择表

表4 气动潜孔锤钻进常用钻机选择表

3 注入泡沫剂的功效

潜孔锤钻进注入泡沫剂是必不可少的一种工艺方法。它是在输送空气的同时通过泡沫泵向空气流中注入一定量的发泡剂,使洗井介质在循环中产生大量的稳定泡沫,因为空气泡沫的密度比水小得多,再加上活性物质的其它性能,对解决潜孔锤钻进过程中排岩屑、扑尘、降低水柱压力、增浮和润滑钻具都有良好的作用。一般进口钻机上基本都配有注入泡沫剂泵,我国一些车装钻机也开始向这方面完善,以利于发挥注入泡沫剂的功效。但对于散装钻机施工,需要自配泡沫剂泵。

3.1 使用范围

(1）干旱缺水地区空气泡沫潜孔锤钻凿基岩水井;

(2）气动潜孔锤施工锚固孔、爆破孔、震源孔除尘处理;

(3）冰冻地层钻进空气泡沫洗井;

(4）干旱缺水地区各种工程孔(市政工程、交通、矿山）空气钻进潮湿层、漏失层、涌水层的泡沫洗井,快速通过复杂地层;

(5）充气泡沫泥浆钻进工程地质、水文地质钻孔的漏失地层;

(6）油田低压油、气层空气泡沫负压钻井;

(7）油田修井作业中漏失井的泡沫冲砂负压洗井;

(8）油田自喷井的泡沫诱喷,延长自喷周期;

(9）油田含水气井泡沫排除井底积液,泡沫化排作业,预防气井水淹停产。

3.2 用法与用量

一般情况下,ADF泡沫剂的使用浓度为011%～014%,也可以根据地层的水质、液、产油量调整泡沫剂使用浓度。当地层液量较大,地层水矿化度较高时,可适当提高使用浓度。现场使用时,用计量泵将稀释后的泡沫剂直接注入井内即可。

4 结语

(1）气动潜孔锤钻进工艺的一系列优点,已在钻探施工许多领域所证实。它和其它方法配合使用,可以有效地推行综合式分层钻进技术,达到全面提高生产效率,降低钻探成本的目的。

(2）该技术不仅适合浅而无水的钻进条件,而且当风压能够克服孔内水柱阻力的情况下,也能在深而有水孔中钻进。

(3）该工艺最适合于干旱缺水、供水困难的甚岩井施工,可大幅度提高钻进效率,减少供水设备和费用,保证施工能正常进行。

(4）对于初次采用的单位来说,一定要先学习掌握此项技术的相关知识,不能急于求成。

[1] 编写组.露天潜孔钻机[M].北京:冶金工业出版社,1974.

[2] 鞍钢矿山研究所.国外潜孔风动冲击器[M].北京:冶金工业出版社,1980.

[3] 耿瑞伦,陈星庆.多工艺空气钻探[M].北京:地质出版社, 1994.

[4] 许刘万,等.多工艺空气钻进技术及其新进展[J].探矿工程(岩土钻掘工程）,2009,36(10）.

[5] 许刘万,史兵言,赵明杰.反循环气动潜孔锤的研制及应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程）,2009,36(4）:31-34.

[6] 许刘万,史兵言,李国栋.大力推广气动潜孔锤及气举反循环组合钻进技术[J].探矿工(岩土钻掘工程）,2007,34(9）:41 -45.

Some Problem s on Pneumatic DTH Drilling

LIU Jia-rong1,2,WANG Jian-hua2,WANG W en-bin3,XU Liu-wan2(1. China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.The Institute of Exploration Techniques,CAGS,LangfangHe-bei 065000,China;3.Shijiazhuang Comprehensive Geological Team of HebeiBureau of Geology andMineral Exploration, Shijiazhuang Hebei 050081,China）

PneumaticDTH drilling technology has beenwidely applied because of its high drilling efficiency and good bore-hole quality,but there are still some problems such as mis match be tween equipment perfor mance and construction condi-tions,unfitting to the main parameters and not-enough mastering of operation rules.Based on the engineering practice and according to the related literature,the paper discussed the technical issues in DTH drilling.

DTH;drilling;drilling parameter;equipment;foam agent

P634.5

:A

:1672-7428(2010）05-0040-05

2010-03-21

刘家荣(1965-）,男(汉族）,吉林白山人,中国地质大学(北京）博士生在读,中国地质科学院勘探技术研究所大口径钻头与钻具研制中心副主任、教授级高级工程师,地质工程专业,从事钻孔设备和钻具的研制工作,河北省廊坊市金光道77号勘探技术研究所。