基于转盘回转水井钻机高风压潜孔锤的应用

高玉才，王殿栋，董孝仁

（解放军65643部队，辽宁 朝阳 122000）

1 引言

气动潜孔锤在基岩地层用于钻凿水井时，具有钻速快、效率高、成本低、成井质量好、操作人员少、劳动强度低、可实时观察涌水量等优点，是逐渐被水文水井钻探行业引进的钻井新技术。但气动潜孔锤钻井工艺一般应基于顶驱回转式钻机，而基于转盘回转式钻机配套使用则存在着：加钻杆需要卸主动钻杆、回转转数固定、不利于事故处理等问题。

我部经过几年的考察和论证，于2008年引进了高风压潜孔锤钻井技术。利用已有的SPC－600T型转盘回转式水文水井钻机，购进两套气动潜孔锤设备，经过3年应用，成井48眼，总进尺9261．79m，最深成井325．18m，最浅为100m。2010年向辽宁某公司推荐山东滨州产BZC－350C型车载式水井钻机，配套高风压气动潜孔锤，7个月成井26眼，总进尺3900m，最深孔281．8m，均取得了良好的效果。除个别辅助设备存在需要改进外，所配套的主要装备器材各项技术参数选择合理，性能可靠。在硬岩中钻进，单位进尺效率是回转泥浆钻进的40～60倍，成井周期缩短7～10倍，换句话说，用牙轮泥浆回转钻进工艺完成一口300m左右的水井所用的时间，改用高风压气动潜孔锤钻进技术可打7～10眼相同结构的水井，而且出水量也比泥浆钻进增大20%。钻井每米直接成本比牙轮钻、合金、钢粒钻进降低30～50%，极具推广价值。

2 潜孔锤钻进设备配套的基本依据

潜孔锤钻进设备配套必须根据钻井深度、钻孔直径、克取破碎岩石的性质设计。我部工作区域主要是辽宁的西部和北部山区，根据水文地质条件，设计水井深度多数在300m以内，岩性以砂岩、页岩、板岩、凝灰岩、砾岩、石灰岩、安山岩、玄武岩、花岗岩、片麻岩等为主。基岩成井直径通常以216、254和311mm为主，最大钻孔直径为381mm，最小为152mm。

3 钻井机

气动潜孔锤钻进所用设备及配套器材造价高，而投资大是引进这一技术的门槛。特别是钻井机，国内外在应用此项技术时，更多考虑的是选用顶驱式动力头钻机。目前我国水文水井施工市场存在着大量的回转式水井钻机，专门用于潜孔锤钻井的水井钻机却较少。如果通过钻机的改进和配备潜孔锤钻井工艺，水井钻进速度和经济效益将有巨大突破。我们所采用的钻机是天津探矿机械厂生产的回转式SPC－600T型水井钻机，该钻机设计钻井深度为600m，只按完成300m钻井能力设计配套设备。回转方式为转盘带动108mm×108mm方钻杆。转盘转速Ⅰ档为27r／min，适合潜孔锤钻进10～30r／min的要求。卸管油缸只能满足Ф89mm钻杆和钻铤拧卸，而不能拧卸潜孔锤，这也是我们当前遇到的难题之一。山东滨州BZC－350C型水井钻机也是车载转盘回转式，钻进深度为300m，Ⅰ档转速21r／min，Ⅱ档转速36r／min。两种钻机其它功能均能满足潜孔锤钻进需要。

4 高风压空气压缩机

空气压缩机是潜孔锤做功破碎岩石、冲孔排碴的关键设备，在选择设备机型时必须考虑钻井深度、孔径、钻具与孔壁的环状间隙等因素。通过对排屑速度的计算及经济性对比来考虑。目前国产空压机能够应用于空气潜孔锤钻进用的型号尚不多，但中外合资的国外产品有较好的适应性，我们选择的是美国寿力公司产品，型号为1150XH－A。柴油发动机为卡特彼勒（Caterpillar）C－15ATAAC，额定功率391kW （525PH），额定排气压：2．41MPa，排气量32．3m3／min。安装形式为撬装式，我们将其改装在解放加长车上。BZC－350C型钻机配备的是寿力1070XH型空压机2台，额定排气压力2．41MPa，排气量：30m3／min。上述两种规格空压机，在使用Ф254mm锤头钻进时，孔深在150m以内，且地层涌水量不大（10～15m3／h）的情况下还能排碴，如果上部口径（钻杆与孔环状间隙）大，且深度较大时，随着钻进深度的增加或涌水量的增大，排碴逐渐困难，孔内岩粉增多，这时需要两台空压机并联使用才能满足钻进风量需要。

5 潜孔锤（冲击器）及潜孔锤钻头（冲击钻头）

潜孔锤的功用是在压缩空气的作用下，带动冲击钻头做功，破碎岩石，达到钻进目的。在空压机排气量和排气压力固定的前提下，选择气动潜孔锤型号时，必须依据钻井口径、常用锤头直径、气动潜孔锤的外径和气动潜孔锤的内部结构来确定。大多数情况下，气动潜孔锤外径与钻孔尺寸最接近时，钻进效率最高，更容易排碴和清洁孔底，同时也能大大降低孔内的事故率。但有一点必须考虑的是在气动潜孔锤的四周应有足够的环形空间，以保证排除岩屑，这一点在岩石硬度不大，产生岩屑颗粒较粗的地层尤为重要。另外也要充分考虑到地层的岩性和地下水涌量等因素。国产潜孔锤原是用于露天矿打爆破孔用，我国主要生产厂有浙江嘉兴、河北宣化、沈阳、吉林通化及山西太原等风动机械设备制造企业生产。我们选择了美国录码（NUMA）6吋（P60型，冲击频率为1800次／min，缸径114mm）、8吋（C80型，冲击频率为1850次／min，缸径102mm）和韩国突破12吋（TD112型，冲击频率为1150次／min，缸径216mm）三种规格。配4种规格的潜孔锤钻头，分别是Ф152mm钻头（安装于6吋潜孔锤）、Ф216mm和Ф254mm潜孔锤钻头（安装于8吋潜孔锤）、Ф311m潜孔锤钻头（安装于12吋高压潜孔锤），通过使用，录码钻头耐磨，寿命长，但价格昂贵。BZC－350C型钻机选用的是国产冲击器及锤头，价格便宜，使用效果也较好。

6 空气管汇

空气管汇是连接空压机进入钻杆的压缩空气通道，包括空压机并联管线，软管、硬管、由壬、单向阀、压力表等。选择规格要满足压缩空气压力需要，本机配套的金属管径规格为ND50标准管件，单向阀和球阀以及三通直角阀承受压力≥4MPa。2吋高压胶管额定压力为8MPa，数量根据需要确定。

7 潜孔锤注油器

注油器与管汇连接，是在钻进过程中，随着空气的流动不断向工作中的潜孔锤活动部件注入机油润滑，同时还要降低潜孔锤内部活塞与气缸高频运行所产生的高温，保持有效的高速冲击频率，达到快速进尺。我们配备的是香港产品，容量为20L。

8 孔口排渣头

孔口排渣头的作用是密封孔口及排除粉尘。采用空气潜孔锤钻进，一般情况下上返风速达15m／s以上，故在破碎岩石时产生的岩屑和岩粉被吹出孔口时，四处飞扬，施工现场受到严重污染。为此，必须将吹出孔口的岩粉排送到施工现场以外指定地点或将其捕捉，使其不致对现场操作人员和设备造成不良影响和污染环境。我们配备了一台国产108A型排碴头，该产品适应于动力头钻机在圆钻杆驱动下使用，在SPC－600T型钻机的方钻杆转盘驱动下，起不到密封作用。钻进无含水层时，干粉在现场飞扬，只有采取喷水消尘等措施降低粉尘的危害。在钻到含水层时，水流上喷，也只能采取临时措施把部分水堵档在转盘以下，减轻对操作手的冲击。用转盘回转式水井钻机实施潜孔锤钻进，孔口密封和捕捉粉碴，也是必须解决的主要问题之一。

9 泡沫泵

泡沫泵是水文钻井空气钻进实现雾化钻进和泡沫钻进的重要配套设备。在无水干燥稳定地层钻进时被称作粉尘钻进，这时注入空气压力低，粉尘上返速度快，有利于孔底岩石的破碎和清洗，获得最高的钻进速度。如果孔内有漏水时，为防止岩粉的粘附，提高钻进速度，就应采取雾化钻进和泡沫钻进。泡沫泵与管汇连接，使水和泡沫剂混合并混入压缩空气中，使之成为雾状进行钻进，从而可以防止岩粉（岩屑）粘附，顺利排出井外。另外随着钻进深度的增加和井内涌水量的增大，钻进时由于水柱压力高，压缩空气很大一部分用于排水做功，严重影响排碴能力和钻进速度。为了降低能耗，减少空气损失，可以采取向井内注入泡沫的办法降低水的比重，以减少风量损失。我们配备的PMB－50型泥浆泵，是一种卧式三缸单作用往复式活塞泵。

10 其它钻探器材

10．1 钻杆

利用现有钻机配套的Φ89mm钻杆，丝扣要好，保证密封性能良好。

10．2 钻铤

为了保证潜孔锤钻头有足够的孔底轴心压力，必须在潜孔锤上部按规定施加一定的压力。为防止加压造成孔斜，不可以通过钻机的给进加压油缸加压，而是用钻铤加压。同时加注钻铤有利于缓冲冲击器高速振动对钻机和钻具造成的破坏。钻铤采用石油行业管材系列，选用直径159mm和178mm两种（联接形式前者为114内平，后者为140贯眼），其单位重量分别为121．2kg／m和164．3kg／m，长度8～8．5m，数量可根据钻进所需压力确定。钻铤加压，对于提高钻进速度十分重要。如在石灰岩地层，某公司应用BZC－350C型钻机，没有使用钻铤加压，仅靠钻杆自重加压，单纯钻速为0．22m／min，其进尺速度明显低于我部按钻头面积实施标准加压，单纯钻速则达到0．7m／min左右的水平。

10．3 变径接手

由于使用的潜孔锤接头和钻铤需要用变径接手联接，至少应配备以下几种变径接手：（1）钻杆锁接手／钻铤；（2）钻杆锁接手／扶正器；（3）钻铤／扶正器；（4）钻杆锁接手／12吋潜孔锤；（5）钻铤／12吋潜孔锤；（6）钻铤／8吋潜孔锤；（7）钻杆锁接手／8吋潜孔锤；（8）钻杆锁接手／6吋潜孔锤 。具体规格尺寸可在有关管材规范标准中查找。数量根据需要确定。

10．4 潜孔锤拆卸钳

潜孔锤在使用过程中，应经常进行维修和保养。由于钻进时扭矩很大，在拆卸保养和更换钻头时，人工拧卸十分困难，在顶驱钻机上可以安装专用拧卸设备，而转盘回转式水井钻机结构不利于安装现有拧卸设备。我们曾使用石油钻井B型拧卸管钳，而该管钳也无法与转盘回转式水井钻机配合使用。由于B型钳十分笨重，用人工也无法实现拧卸作业，因此我们用千斤顶自制了简易拧卸工具，配合多种办法拆卸潜孔锤，效果也不理想。

11 存在的问题及解决途径

11．1 安全隐患

基于转盘回转式水井钻机，应用潜孔锤钻井工艺存在着最大的井内安全隐患是埋钻事故。在处理埋钻事故时，由于主动钻杆驱动，加减钻杆必须缷下主动钻杆，在锁接手提出转盘以上的情况下，如钻具上下无法窜动，还要切焊钻杆，往往加重埋钻程度。因此，钻进中必须保证孔底清洁。在软岩层要严格控制进尺速度，每进尺2～3m应彻底清碴。如果能尽量避免井内事故，转盘回转式水井钻机完全能适应气动潜孔锤钻井工艺。如果能利用现有转盘回转式水井钻改装成具有转盘回转和顶驱回转两用钻机，一方面能够在有第四系覆盖地层的水井中发挥牙轮、合金及钢粒钻进的优势，同时又能满足潜孔锤钻进动力头式顶驱的需要。

11．2 环境危害

现场粉尘和喷水对操作手的危害很大。目前国内尚没有为转盘钻机配套的排碴设备，应自行研制适用方钻杆回转密封的孔口集尘和排水溢流装置。

11．3 潜孔锤保养难

当前维修保养潜孔锤的拆卸方法简单，不但劳动强度大，时间长，如采取方法不当，对潜孔锤内部元件有损害，是亟待解决的问题。拆卸工具应以单独的动力、液压驱动，具有大扭矩的专用工具为好。