气动潜孔锤钻进技术在大口径水井施工中的应用

李伟锋

(陕西省煤田地质局水文队，陕西 渭南 714000)

气动潜孔锤钻进技术广泛应用于石油、天然气等工程钻井领域，也应用于水源井钻井工程。2009年，为了解决深层地下水开采钻井的施工现状，笔者所在单位引进这一工艺实践，证明其具有钻井速度快，效率和效益高、适应其生产的优点。

1 水井设计及施工概况

1.1 地层结构

施工井位位于陕西省铜川市孟家塬。井口标高956 m，奥灰水位埋深550 m，设计上部150 m，孔径650 m，由于岩石硬度大，常规回转钻进钻效极低，其地层结构如下:

(1)第四系为黄土:即粉质粘土夹砾卵石。黄土呈淡黄色﹑疏松﹑夹有棕红色古土壤层，具空隙和裂隙，厚度100 m。

(2)二叠系山西组:岩性以灰色，灰黑色细﹑中粒沙岩﹑泥岩﹑砂质泥岩为主。底部为富含白云母片中细粒砂岩，中下部夹一层厚度不稳定的石英砂岩。下部含可采煤层，厚度40 m。

(3)石炭系上统太原组厚度14 m，石炭系中统本溪组厚度 3.5 m。

(4)奥陶系中统峰峰组:岩性为深灰色厚层状灰岩、白云岩、角砾状白云岩、白云质灰岩，具中细晶质结构，含燧石团状及不规则的条带，垂直层面的裂隙发育。本层厚度大于700 m。本组为目的层即含水层。

1.2 设计要求

依据地层结构和水位埋深，该井设计深度1 050 m，井径结构为:0～100 m，φ550 mm;100～650 m，φ320 mm;650～1050 m，φ190 mm。套管结构为:表层100 m，下 φ377 mm×8 mm钢管，孔深100 m以下为裸眼。其它均按供水管井标准执行。

1.3 主要设备及材料的选择

(1)空气压缩机:北京三仁宝业公司900×HH/1 150空压机，最大风量 32.6 m3/min，最大风压 3.25 Mpa。数量:4台，连接方式:并联。

(2)钻机:TSJ 2000水源钻机

(3)钻塔:24 mA型钻塔

(4)泥浆泵:BW 1200型泥浆泵

(5)动力机:12V135柴油机

(6)钻杆:φ114钻杆

(7)空气潜孔锤:湖南长沙产TH220，φ320 mm

(8)钻具组合:一开 0.00～101.1 m，?550 mm 钻头 +φ159 mm钻铤6根+φ114 mm钻杆+φ108 mm方钻杆;二开101.1m～650 m，φ320 mm 潜孔锤 +φ159 mm 钻铤 2根 +φ114 mm钻杆 +φ108 mm方钻杆;三开650 m～1 050 m，φ190 mm三牙轮钻头+φ159 mm钻铤6根 +φ114 mm钻杆+φ108 mm方钻杆。

1.4 施工工艺的过程和效果

(1)钻压:1 000 KN(2)转速:30 r/min

(3)空气量:Q=109.484 m3/min

(4)钻进过程中所遇到的情况:钻具接近孔底0.5 m时开动4台风机开始送风，开动钻机慢慢扫到孔底孔口返出泥浆，冲孔10 min后加压钻进，可听到潜孔锤工作的声音，井口返出5～8 mm岩渣，30 min进尺 9.65 m.随即加入单根9.5 m继续钻进，井口正常返岩渣，当钻进到135.6 m时，机余5.2 m孔口突然无岩渣返出，只有少量空气返出，冲孔10 min仍无岩渣返出，无法判断孔内情况，强行钻进完机上余尺，造成埋钻。

(5)该井钻探、下管、洗井、抽水试验、采样化验、含砂量等指标均达到有关规范和设计要求，出水量33.13 m3/h，管井质量综合评定为合格。

2 试验结果及问题对策

2.1 试验总结

(1)空气潜孔锤钻进工艺在奥灰岩大口径施工是可行的，用气动潜孔锤钻进石灰岩钻速可达每小时20～40 m，花岗岩地层可达每小时8～16 m，与常规正循环相比，钻进速度提高几倍到十几倍，钻探成本降低50%以上。

(2)空气潜孔锤钻进工艺在漂、卵、砾石地层中钻进，效率高、钻孔垂直度好，对孔壁水浸老化不太严重，能达到快速钻穿复杂地层的目的

(3)由于空气和泡沫钻进不会在井壁形成泥皮，堵塞含水层，有利于增大出水量。

(4)成孔质量好，由于潜孔锤对井底的高频冲击，减少了对倾斜地层的影响，从而保证了钻孔的垂直度，提高了成孔质量。

(5)该井地层为奥陶系灰岩地层，岩石裂隙发育较好，当钻进到不含水干裂隙时，送到孔底风量漏失，岩渣无法正常返出，悬浮在孔中，无法钻进。

2.2 钻进过程中出现的问题及对策

3.2.1 潜孔锤不工作

潜孔锤钻进突遇软夹层，在确认潜孔锤未发生故障的前提下，切忌采用推荐钻进压力钻进，以防锤头压入岩屑内，将排气孔堵死，导致无法正常钻进。宜将钻具提起一点点再放下去，反复直至潜孔锤持续工作为止。

3.2.2 潜孔锤尾管折断

潜孔锤尾管初次折断后应测量潜孔锤的有关配合间隙，确认其是否大于允许值。如大于允许值，应立即更换有关配件并重新测量，直至间隙符合要求为止。

3.2.3 潜孔锤“返砂”

钻杆在工地堆放及运输工程中，其内壁上的油膜吸附沙粒及其它杂物，钻进过程中，高压缩空气将这些沙粒及其它杂物吹走。被吹走的沙粒等物一方面加重了活塞的磨损。另一方面，如果沙粒等物停风时正好位于逆止阀的位置，且潜孔锤内外压力又不平衡，极易造成潜孔锤“返砂”。因此，加接钻杆前，用高风压、大风量将钻杆内壁吹洗干净。

3.2.4 岩屑不上返或上返量突然锐减

在钻进过程中，正常上返的岩屑突然停止或上返量突然锐减，这是钻入沙层的征兆。一旦发生此种情况，应随风注入泡沫剂。

3 结语

实践证明，应用气动潜孔锤钻进技术是实现高效钻进在工程施工中比较理想的途径，也当代衡量钻探技术水平的重要技术标志之一。气动潜孔锤钻进技术在当前国内还仅仅才开始，所以我们单位能够把这种钻进技术引进并加以推广实施，将会产生较大的经济效益和社会效益，更为水井、煤层气井、油井、煤矿瓦斯排放井等工程施工提供了重要的经验和依据。

［1］刘家荣，王建华，王文斌，许刘万.气动潜孔锤钻进技术若干问题［J］《探矿工程(岩土钻掘工程)》北京:地质出版社.2010年05期

［2］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］《探矿工程(岩土钻掘工程)》北京:地质出版社.2007年第9期

［3］刘建国.用潜孔锤钻进技术施工蒙古国塔木察格水井《黑龙江国土资源》2010年2期