潜孔锤反循环钻进技术综述

廖 军，赵 倩

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)



潜孔锤反循环钻进技术综述

廖 军，赵 倩

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)

介绍潜孔锤反循环钻进技术的技术特点和工作原理。采用计算机仿真电算和模拟技术辅助钻具设计，潜孔锤性能稳定，钻头具备良好的反循环能力。潜孔锤反循环钻进技术，已在复杂地层地质岩心勘探、水文水井钻凿、大直径硬岩嵌岩桩钻进等领域全面应用，取得了良好的经济效益和社会效益。

贯通式潜孔锤 反循环 连续取芯 仿真电算 流场模拟

1 概述

潜孔锤反循环钻进技术是多工艺空气钻进技术的重要组成部分，也是空气钻进技术在碎岩方法上的一次重大突破。它集潜孔锤高效碎岩、流体介质全孔反循环、钻进中不停钻连续取芯三大先进钻探工艺于一身，是一种集成化的高新钻探技术。它利用贯通式潜孔锤、反循环钻头、双壁钻具，使流体介质沿中心通道构成反循环，实现钻进过程中岩芯的输运，并有效解决孔口粉尘污染问题。

应用该项技术，可大幅度提高硬岩中的钻进效率，降低钻探成本，成孔质量好；反循环排渣有效地保护孔壁完整，减少粉尘飞逸，利于环境保护；以气代水，适用于干旱缺水和高寒地区。潜孔锤反循环钻进技术，已成为具有强大生命力的钻探方法，具有广阔的发展空间和应用领域。目前，该钻进技术发展迅速，应用领域逐渐拓宽，在地质岩芯勘探、水文水井钻凿、基础工程施工等钻孔工程领域，取得了良好的应用效果。

2 潜孔锤反循环钻进的技术关键

2.1 贯通式潜孔锤的结构设计

贯通式潜孔锤结构设计关键是中空孔道的设计。潜孔锤心部的全部零件均是贯通的筒状结构，在保证强度的同时，又要结构简单，便于加工，并具有较长的工作寿命。

潜孔锤的中心贯通孔与前后气室完全封闭，构成贯通孔的心管穿越所有零件，上部与钻杆心管连接，下部与钻头插接并密封，构成反循环通道，同时心管兼有配气功能。

2.2 潜孔锤的计算机模拟仿真电算

运用基础理论及计算公式建立数学模型，依据有限差分理论开发了计算机软件，对潜孔锤内部动力过程、活塞往复运动规律及潜孔锤性能参数机型模拟仿真电算，实现了潜孔锤的计算机辅助优化设计，使潜孔锤的实际测试参数与计算机理想电算参数高度吻合，工作性能优良，有效热功效率高，从而使潜孔锤设计科学化。计算机模拟改变了传统设计方法，缩短研制周期，节省了研究成本，优化了潜孔锤性能。

2.3 反循环钻进机理及反循环钻头设计

贯通式潜孔锤为反循环提供了通道，但流体介质实现稳定的反循环流动是关键。为了深入研究反循环机理，建立了反循环钻进模拟试验台，对反循环的形成机理、压缩空气参数与岩芯携带能力关系、钻头结构参数对反循环影响因素等进行了深入研究，揭示了流体介质的反循环规律，创新性地设计了基于多喷嘴引射器原理的反循环钻头。同时，引入CFD理论，应用CFD软件对钻头底部流场进行仿真模拟和参数计算，并优化设计钻头结构参数。计算机仿真模拟研究，缩短了研制周期，以虚拟现实技术代替样机试制和实物实验，从而降低研制成本。

研发不同规格的反循环钻头，反循环形成稳定可靠，在大的外环间隙条件下，无需增设任何密封装置亦能形成反循环。在理论研究的基础上，开展了实验室实验和野外生产性试验研究，针对不同的复杂地层开展大量的生产应用，丰富了反循环钻头类型。如反循环取芯型钻头，凸块防堵型钻头，内喷孔防漏型钻头等，扩大了潜孔锤反循环钻进技术的应用领域和对复杂地层条件的适应能力。

目前，贯通式潜孔锤产品已形成系列化。其中包括：11种规格的GQ系列潜孔锤(见表1)、适用于不同地层条件和岩芯采取需求的反循环钻头多种，并有配套的双壁钻杆、双通道水龙头、各种类型接头等，基本能够满足各钻孔领域的需求。

1-卸风槽；2-卡槽；3-花键；4-贯通孔；5-内喷孔；6-底喷孔；7-环槽；8-扩压槽；9-凸块；10、11、12-球齿合金

图1 反循环钻头结构图

表1 GQ系列潜孔锤主要技术参数

3 潜孔锤反循环连续取芯钻进

3.1 反循环钻进基本原理

贯通式潜孔锤工作原理图见图2。压缩空气经双通道气水龙头2，由双壁钻杆5进入贯通式潜孔锤的上接头环状间隙，推开逆止阀6，充满外缸和内缸8之间的环状通道，由内缸8上的径向进气孔进入前后气室，推动活塞9往复运动产生冲击能量。前后气室内做功后的废气分别排入活塞9与心管7之间的环状通道，进入钻头上部环槽，经钻头花键槽底部留出的通道，由钻头排气孔排出。经扩压槽和孔底岩石的反射作用，并在钻头抽吸孔的强力抽吸作用下，气体携带岩样直接进入钻头中心，经潜孔锤的贯通孔和双壁钻杆的中心通道，通过双通道气水龙头的鹅颈弯管3、排渣管1，最后排到地表收集岩样设备中，实现不停钻连续取芯钻进高新工艺。

3.2 复杂地层地质岩芯勘探潜孔锤反循环钻进

复杂地层地质岩芯勘探，特别是极复杂地层中的岩芯勘探，一直是钻探界的施工难题。采用小口径贯通式潜孔锤及配套双壁钻杆，实施反循环连续取芯钻探，解决了复杂地层地质勘探过程中钻进效率低、岩芯采取率低、岩芯质量差、孔内事故频发、钻具寿命短、施工成本高、工期长等一系列钻探技术难题，取得了良好的应用效果。

1-排渣管；2-双通道气水龙头；3-鹅颈弯道；4-进气胶管；5-双壁钻杆；6-逆止阀；7-心管；8-内缸；9-活塞；10-衬套；11-反扦环专用钻头

图2 贯通式潜孔锤结构原理图

该项技术在不同的复杂地层矿区进行了大量的生产性试验，完成了大量的试验工作量，各项钻探指标优良，解决了复杂地层矿区勘探技术难题。钻进效率较常规金刚石钻进提高3～10倍，纯钻进时间利用率是金刚石钻进的2～3倍。反循环形成稳定，岩芯采取率达98%以上。根据取芯要求不同，可获取岩芯和岩样，岩芯品位误差小，真实可信。采用双壁钻具，孔壁无介质扰动有效地保护孔壁，孔内事故少，施工周期大为缩短，综合钻探成本降低为金刚石钻进的1/3～1/2。

3.3 潜孔锤反循环水文水井钻凿

采用贯通式潜孔锤及反循环钻头，配套双壁钻具实施反循环钻进，有效地解决了基岩水井钻凿施工中许多亟待解决的技术难题。生产应用证明，潜孔锤反循环钻进与潜孔锤正循环钻进相比，平均钻进效率提高64%，每米钻进成本降低30%～40%，岩芯采取率达98%以上。

该钻进方法在大口径水井钻孔中具有许多突出特点：

(1)钻进过程中流体介质在钻具内形成闭式循环，有利于保护孔壁，避免含水层堵塞，易于穿过裂隙和破碎地层；

(2)潜孔锤及双壁钻杆的中空作为反循环通道，其断面积小且直径不变，在有限的供风量条件下，可提高上返风速，提高排渣能力，避免孔底重复破碎，提高潜孔锤碎岩效率；

(3)施工过程中孔口清洁，避免岩粉飞扬及水下钻进井喷的污染，利于环境保护；

(4)潜孔锤反循环钻进简化了抽水洗井过程，较大幅度提高了水井出水量，对于探采结合的水井勘探，可实现连续取芯钻进。

4 在油气井勘探中的应用前景

近年来，潜孔锤正循环钻进技术推广应用于油气井勘探施工中，并取得了良好的应用效果，但实施时的高能耗、高成本、井场拥挤等不足，限制了该技术的广泛应用。实践证明，在大井径钻井中，潜孔锤反循环钻井具有独特的优势：

(1)同等口径下，空气反循环钻井所需空气量是正循环空气钻井所需气量的1/5～1/2，可减少昂贵的空压机数以及燃油消耗；

(2)潜孔锤硬岩钻进效率高，其机械钻速是常规回转钻井的3～4倍，降低钻井成本，减少钻井时间；

(3)流体介质在钻具中为闭式循环，钻遇溶洞或大裂隙也不会因漏气而终止钻井；

(4)克服常规钻井中钻井液、泡沫或高压空气钻井对地层的伤害，有利于单井产量提高。

油气勘探钻进潜孔锤反循环钻进系统原理：

如图3、图4所示，压缩空气经进气胶管10进入双通道气水龙头，再经双壁钻杆和双壁钻铤7的环状通道进入贯通式潜孔锤，活塞19往复冲击做功，做功后的压缩空气由反循环钻头形成反循环，并携带岩渣屑沿双壁钻具中心通道及排渣管5排出。再经地面排渣管线22、取样器24排至储渣池26。岩样可由取样桶23获取，为消除现场粉尘污染，可由注水除尘器25注水除尘。为防止钻孔偏斜，在潜孔锤上下接头设计了导正肋骨，外侧镶合金，起到导正加修复孔壁的作用。潜孔锤上部加接钻铤和稳定器，以保证钻孔的直线性。

图3 潜孔锤反循环气体钻井系统图

1-进气口；2-高压胶管；3-圆钻杆；4-空压机；5-导正器；6-加重块；7-潜孔锤；8-钻头；9-水笼头；10-胶管；11-排气口；12-排气通道；13-主动钻杆；14-进气通道；15-砂石泉；16-泥浆循环池

图4FGC-15型大直径反循环潜孔锤钻具系统

5 大直径湿式潜孔锤反循环钻进技术

大直径硬岩钻进是工程施工中的技术难题，常规钻井方法钻效低，甚至无法进尺。FGC-15型大直径湿式反循环潜孔锤，应用了模拟仿真电算及优化设计，使其工作参数满足了大口径钻孔碎岩需要，动力参数即空压机参数适应国情，并进行多次生产性试验，能够很好的推广应用。

该系统综合了4种先进钻进工艺于一体：

(1)大直径潜孔锤碎岩钻进，潜孔锤产生的巨大能量使岩石充分破碎，大幅度提高钻进效率；

(2)钻进中泥浆介质反循环排渣，压缩空气循环系统与泥浆系统相对独立。泥浆介质采用泵吸反循环或气举反循环，从而保证较高上返流速，确保孔底干净；

(3)泥浆湿式循环保护孔壁，潜孔锤钻进同时，泥浆在孔内护壁和平衡地层压力，保护孔壁的稳定和安全；

(4)压缩空气封闭循环降低风压。压缩空气在钻具内形成封闭循环，孔内阻力及液柱压力不会影响压缩空气的压力，风压只由风管通道中压力降和潜孔锤工作压力降决定。

6 结语

该钻具系统自1990年投入生产试验，在近20个嵌岩灌注桩工程中应用，取得良好的应用效果，硬岩平均钻进效率0.6m～1.3m，较常规方法综合钻进效率提高10～20倍，桩孔质量好，嵌岩可靠，施工周期短，施工成本降低，应用前景广阔。

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2095-1809(2015)05-0038-04