潜孔锤在大口径深井钻探中的应用

张秋冬，吴青松，孟江，申云飞，王俊杰，吴福政

（河南省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队，河南 郑州 450053）

1 前言

施工供水井丼位位于山西省太原市万柏林区某山上，井深设计800m，下部为煤矿采空区，开孔即见二叠系基岩地层。使用常规正循环泥浆方法施工，一则由于山区缺水，且施工周期长，成本较高；二则由于下部为煤矿采空区，且裂隙发育，可能造成泥浆的大规模漏失甚至全部漏失，无法正常钻进。

该孔钻遇地层自上而下分别为：二叠系下石盒子组，主要成分为细砂岩、粗砂岩夹泥岩及页岩；石炭系地层，上部为太原组，由砂岩、泥岩夹不均厚煤层、页岩及石灰岩组成，下部为黄铁矿、铝土矿；奥陶系灰岩，分上马家沟组和下马家沟组，上部为厚层灰岩、角砾状泥灰岩夹石膏，下部为白云质灰岩、石灰岩夹角砾状泥灰岩、薄层灰岩。该区为煤矿采空区，静水位埋深500m左右。

根据钻遇地层的实际情况，经过综合分析采用潜孔锤钻探工艺。

2 钻孔结构设计

此处静水位埋深较深，500m左右，考虑大扬程抽水泵的尺寸及下深，设计大口径开孔，下泵段预留较充余的套管直径。具体为：0～150m下入Φ377mm套管，隔开上部砂岩及页岩；150～500m孔段地层无水且不稳定，下Φ325套管，并水泥固井；500m以深储水段，下入过滤器。钻孔结构及套管程序见表1。

表1 钻孔及套管结构表

3 钻探设备及主要机具

根据地层特点，地下水位埋深情况，设计采用潜孔锤钻进技术施工，当空压机能力不够且水量满足不了要求后采用泥浆常规钻探技术继续施工。采用的主要设备见表2。

理论上，使用该型号空压机在200m左右仍能驱动潜孔锤。

主要机具如下：

WD350潜孔锤一套（图1），配备：WD350－350－2钎尾3只、WD350－400锤头一个、WD350－350锤头2个；JND200－0（11B）潜孔锤一套，配备：JND200－300－0A钎头一件；Φ377取粉管一条；Φ325取粉管一条；Φ273取粉管一条。

图1 潜孔锤

图2 取粉管出渣

4 钻进工艺

潜孔锤钻探中将岩粉及时、完全的排出孔外是实现快速、安全钻探的前提条件。钻孔直径越小，空压机的风量、风压越大，对排粉就越有利，施工钻孔就会越深。但此时消耗的功率也越大，施工成本就越高。完全靠空压机的大风量和高风压直接将孔底锤头破碎的岩屑及时、全部的排出孔外，当钻孔深度达到某一深度或孔径较大时就不现实也不经济了。

4.1 取粉管技术应用

潜孔锤钻进时，钻孔环状空间内上返风速必须大于岩屑的悬浮速度，要求空压机的供风量计算公式如下：

式中：Q－空压机的供风量，m3／min；

V－上返风速，一般取15～25m／s；

D－钻孔实际直径，m；

d－钻杆外径，m；

K1－孔深修正系数，一般孔深在100～200m时，K1＝1.05－1.1，孔深在500m 时，K1＝1.25－1.3；

K2－孔内有涌水时的风量增加系数，与涌水量有关，中小涌水量时，K2＝1.5。

根据钻孔结构计算得出，若实现正常钻进，150m孔深时，需Q≥112m3／min；500m时，Q≥150 m3／min；700m时Q≥185m3／min。

可以看出，满足正常钻进时，理论上需要较大的供风量，现有条件也不允许多台空压机并联，鉴于此种情况，设计了取粉管（见图2）。

根据上述公式计算，当供风量为23.5m3／min且能够满足上返风速15m／s时，150m以浅孔段，d（取粉管外径）≥358mm；500m 以浅孔段，d≥281mm；700m以浅孔段，d≥270mm，即在这三种取粉管与孔壁形成的环隙中，上返风速能够达到潜孔锤正常钻进的理论风速。故在设计的三种不同口径孔段中分别安装Φ377、Φ325及Φ273三种型号的取粉管，保证了孔底岩屑能够正常的返到取粉管之上，一部分装入取粉管，由取粉管带出孔外（见图3），一部分吹出孔外或者裂隙，保证孔底清洁。

图3 取粉管带出的岩粉

潜孔锤钻探受自身限制，所钻井孔圆整度不是很高，且钻进过程中，不稳定孔段有掉块，实际在施工中最大掉块直径可达20cm（见图4），极大威胁着正常施工。这时，取粉管肩负着修正孔壁、携带岩粉、截留孔内掉块等的三重作用。取粉管长度一般9m左右，保证导正效果和多装岩屑。取粉管管壁要厚，保证孔内安全。取粉管上、下要焊合金，保证圆孔质量。

图4 取粉管带出的孔内掉块

4.2 钻进参数

根据潜孔锤钻探的特点，钻进参数为：钻压10～20kN，转速10～20rpm。采用钻机一档钻进。

钻压过大和过小都会影响潜孔锤钻进的正常工作。大则会引起钻头的过早磨损，球齿掉落，回转困难；过小将影响冲击功的有效传递。如回转速度低，不仅会产生重复破碎，影响效率的提高，而且钻头球齿也易发生凿入碎岩坑穴中，造成回转困难和钻头的损坏。如果回转速度过高，则不仅会使冲击碎岩的作用减弱，而且会造成钻头的强烈磨损，使冲击碎岩转化为切削碎岩，造成效率低、钻头磨损严重。

4.3 泡沫剂的使用

当岩粉上返困难（主要是孔内潮湿岩屑形成泥饼阻塞上返通道），钻进效率降低时利用高压管线上的三通，通过高压泵向孔内泵入一定量的泡沫（图5），消除泥饼阻哽。制造泡沫使用的泡沫剂为十二烷基硫酸钠。一般在正常钻进几米后上提活动钻具并同时泵入泡沫，保证孔底干净。泡沫剂的浓度一般为0.1～0.3%，加量视地层及孔内情况确定，一般为15～30L／min。

图5 钻井泡沫

图6 储气包

4.4 设备连接方式（图7）

图7 连接方式示意图

4.5 钻头的使用

该地层钻进，研磨性较强，要两只钻头交替使用，防止钻头变小，第二只钻头入井困难。

钻头柱齿磨损后，使钻头齿与岩石的接触面积逐渐增大，而潜孔锤的单次冲击功是一定的。这样，作用在单位接触面积上的冲击功将逐渐减少，钻进效率逐渐降低。当钻速下降20%左右时，就要及时的修复钻头柱齿，否则，柱齿很快磨平、磨低，失去修复价值，并且经济效益较差。经过修磨的钻头柱齿，恢复了齿的球形形状，保持原有的钻井效率。

修复钻头柱齿的砂轮，要采用颜色发绿的合金砂轮。这种砂轮硬度较大，修复效果较好。修复时应磨去平面部分，恢复球形。但球齿的高度以不低于8.5～9.5mm为好。

4.6 操作要点

（1）冲击器下入应先探底，有超过0.5m的沉渣时，要清孔。钻进时冲击器下入距孔底0.3m处应先送风。停钻时稍微提离孔底，排净岩屑，将立轴提离孔口后，方可停止送风，防止埋钻。

（2）遇潮湿、微渗水地层和粘土地层时，要少钻勤吹，防止泥饼阻哽。提钻遇阻，不可强提，可通过以下方法解决：

① 从钻杆内灌入泡沫剂，0.3～0.5m3／次；

②从孔口灌入清水；

③ 上下窜动钻具，坚持回转钻进；

④多回次强力送风清孔。

（3）回次进尺量视取粉管内沉淀的岩屑量而定。第一个回次起钻后，若取粉管不满，下个回次可适当增加进尺量，若满，适当减少进尺量。孔内沉渣不能超过2m，要勤起钻总结合理的回次进尺，谨防贪快，少起钻，造成孔内事故。

5 套管技术

套管技术是水井钻井成井中的重要工序。它起到隔开非取水层和稳定孔壁的作用。由于要安装抽水设备，要求套管直径较大；受地下水位的影响，下置较深位置。

该孔480m以浅钻孔直径350mm，套管直径325mm，环空间隙12.5mm；480～700m孔段，钻孔直径300mm，套管直径273mm，环空13.5mm。两级套管与各自孔壁之间的间隙均较小。如果采用常规接箍焊接的方式连接，套管无法下入。只有直接对焊连接下管。要求每根套管连接的直度都很高，否则也无法下入，特别是长丼段连续下管。

为了保证每根套管连接的垂直度，将入井套管两端上车床重新修正，保证两个断面水平。修正的同时，为了保证焊接强度，均打坡口。

套管提吊采用在套管上割孔穿杠子的方法。焊接完成抽出杠子，再将孔焊堵牢固。

两级套管重叠10m以上，重叠部分用止水材料封闭。第二级套管通过正反丝接头用钻杆下放到位。到位后倒出钻杆和接头。

6 钻探效率与效益分析

6.1 效率分析

一开孔径为Φ400mm，0～48m平均时效3m／h。岩屑直接吹出孔外。由于没有跟进Φ377mm取粉管，致使钻孔不圆整，当加Φ377mm取粉管时出现下不去。随改用Φ350mm锤头＋Φ325mm取粉管钻进（该孔段下入Φ325mm套管），即提前二开。48～300m时效一般2.5～3m／h。偶尔不到1m／h，分析原因发现：有时为钻头磨损，这时用合金砂轮对锤头合金修复后，钻探效率回复到正常；有时是孔底重复破碎造成的，这时活动钻具并泵入泡沫可恢复正常钻进。300～480m时效一般1～1.5m／h。有时可达4～5m／h，分析原因为该段有裂隙，岩屑吹入裂隙，孔底干净。三开480～700m孔段孔径为Φ300mm。采用Φ300mm锤＋Φ273mm取粉管钻进（该段下入Φ273mm套管）。480～600m孔段钻探效率一般2～2.5m／h，有裂隙段可达3～4m／h。600～630m时效为1～1.5m／h，630～700m时效急剧下降，接近700m时一般0.3～0.5m／h。降低的原因是孔内水头压力过大造成的。由于静水位埋深500m，虽然不停的泵入泡沫，但还是极大的影响了潜孔锤的正常工作。这一孔深也基本达到了该型号空压机驱动潜孔锤的工作极限。

随孔深变化钻进速度变化见图8。

6.2 效益分析

图8 钻进速度曲线图

此井位于煤矿采空区半山坡上，地层较为复杂，缺水、泥浆漏失、掉块等客观存在，且交通不便，若用常规正循环泥浆方法施工，难度非常大，施工周期长（一般3～4个月），成本较高（堵漏、护壁、拉水等）。且泥浆还污染地层，造成洗井困难，影响出水量。

而该井采用潜孔锤方法施工，共28天的纯钻时间即完工，洗井只用了一个小时即水清砂净，出水量50m3／h，单涌达到2.5。出水量也反映了本区地层的真实赋水情况。

6 结论

（1）潜孔锤方法钻进速度高，施工周期短，不用水或用水极少，是在缺水山区水井施工的首选方法；

（2）在大口径潜孔锤施工时，加入取粉管，可较好地解决风量不足引起的排渣难题，同时兼顾修正孔壁的作用；

（3）取粉管上部要有“马蹄”口，防止孔内探头石等的影响造成起钻困难；

（4）钻进中遇到岩屑上返困难，可从钻杆向井内打入泡沫剂，一般为15～30L／min为宜；

（5）每层套管都要安放到稳定岩面上，预防套管事故，并预留一级套管程序；

（6）锤头合金要及时修复，锤头要交替使用，防止孔径变小，更换锤头后无法正常下钻。

（7）长丼段下管时，入井套管两端要上车床修正。保证套管串的垂直度。

［1］耿瑞伦，陈星庆等.多工艺空气钻探［M］.北京：地质出版社，1995.

［2］河南省地质工程公司.山西省太原狼坡生态园区供水井工程竣工报告［R］.河南郑州，2011.