气动潜孔锤在地热井钻井中的应用

徐云鹏

(天津地热勘查开发设计院，天津　300250)

气动潜孔锤在地热井钻井中的应用

徐云鹏

(天津地热勘查开发设计院，天津300250)

摘要：：坚硬岩层快速钻进是一项技术难题，而气动潜孔锤钻进技术具备钻进效率高、钻孔质量好等优点，极大地提高了施工水平。本文结合内蒙古ZK-1地热井钻井实例，分析了气动潜孔锤的基本原理及其应用，以期对同类工程的施工产生一定的参考意义。

关键词：潜孔锤；地热井；钻井；坚硬岩层

中图分类号：P634.42

文献标识码：A

文章编号：1009-282X(2015)06-0015-03

收稿日期：2015-09-01

作者简介：徐云鹏(1983-)，男(汉族)，河北唐山人，工程师，钻探专业，从事地热钻探、水文地质等工作，天津市河东区卫国道189号，E-mail：33015396@qq.com。

Abstract：The fast drilling in hard rock is a technical problem. The drilling technology with pneumatic DTH has the advantages of high efficiency、good quality of borehole etc. In this paper, combined with the examples of ZK-1 geothermal well drilling in Inner Mongolia, the author analyzes the basic principle of pneumatic DTH hammer and its application which have a certain reference value for the similar engineering construction.

气动潜孔锤钻进是一种较新的钻进方法，针对坚硬岩石脆性大而抗剪强度较低不耐冲击的弱点，在破碎较坚硬地层中比现有的旋转钻进效率有极大的提高，钻头的使用寿命得到了数倍的提升，降低了钻孔的成本。

1气动潜孔锤钻进岩石破碎原理

气动潜孔锤钻进碎岩，即冲击回转碎岩，由冲击载荷和回转力矩联合完成。冲击载荷引起破碎坑；回转力矩对破碎坑间扇形部分进行有效切削。根据破岩方法的主次，冲击回转钻进可分为冲击回转和回转冲击两个概念。前者破碎岩石主要靠冲击载荷，轴向压力主要克服钻具在冲击时的反弹力，从而改善冲击钻具的工作能力，回转作用剪切已产生裂纹的中间脊部；后者破碎岩石以回转方式为主，冲击作用为辅，因此硬质合金钻进时，轴向压力保证切削具能压入岩石，轴向压力的最小值取决于岩石抗压硬度及切削具本身的横断面积。

与常规回转钻进方法相比，冲击回转钻进只用不大的冲击力，便可以达到高效破碎坚硬岩石的效果。由于冲击力以应力波作用于岩石，出现应力集中，岩石易于实现体积破碎，同时，冲击产生破碎坑穴为回转切削创造条件，地层打滑现象减少，钻进效率提高；由于冲击回转钻进所需钻压低，所以钻头磨损小使用寿命长。冲击回转钻进与常规回转钻进方式比较见图1。

图1　冲击回转钻进与常规回转钻进方式比较

2钻井施工

ZK-1地热井项目位于内蒙古赤峰市喀喇沁旗马鞍山地区，目的层为三叠系花岗岩，岩性为主要浅肉红色细中粒黑云母二长花岗岩，具细中粒花岗结构，块状构造。该井为三开直井，一开采用Φ444.5mm钻头，下入Φ339.7mm表层套管，二开采用Φ311.2mm钻头，下入Φ244.5mm技术套管，三开采用Φ215.9mm钻头，裸眼成井。井身结构示意图见图2。

图2　井身结构示意图

该井施工中发现，飘石10m以下即为片麻岩和花岗岩，岩石结构致密、坚硬、裂隙发育、易打滑、可钻性差、进尺缓慢。由于基岩埋深很浅，用普通的旋转钻进施工时，钻压达不到岩石破碎压力，钻进速度非常慢，仅为2m/天，严重影响施工进度及工程安全。经研究，采用金刚石钻头钻进，但考虑到金刚石钻进成本高，且钻探参数要求很高，未能达到预期的效果。最后，采用气动潜孔锤钻进工艺，克服了进尺缓慢事故多等缺点，极大地提高了钻进效率，保证了工程效益和安全。图3为潜孔锤钻进产生的岩屑。

图3　潜孔锤钻进岩屑

3气动潜孔锤钻进参数

气动潜孔锤钻进技术不同于普通切削研磨原理。它将空气压缩机产生的压缩空气的能量，通过气动潜孔锤，对需要破碎的岩石产生高频冲击，当冲击功达到岩石的临界破碎功时，便产生体积破碎，同时工作后的气体在一定的风速下将岩石碎屑排出孔外，以实现钻进的目的。

钻进参数包括钻压、转速、风压风量。现对各个参数分析如下。

3.1　钻压

气动潜孔锤钻进效率的高低取决于冲击功和冲击频率。钻压的作用是为了克服气动潜孔锤在促使活塞下行时气缸内所产生的向上的推举力，保证钻头齿和工作面岩石紧密接触以有效传递来自冲击器的冲击功，从而保证冲击功有效的传递给钻头，进行碎岩。因此钻压大小主要由气动潜孔锤在气缸内所产生的压力大小决定的。过大或者过小都会影响潜孔锤的正常工作。

(1)钻压过小时，会出现气动潜孔锤钻头冲击反弹，从而直接影响冲击功传递，浪费冲击能，降低碎岩效果，并且反弹会使冲击能消耗在潜孔锤的零部件上，加重了零部件损坏程度，影响潜孔锤的使用寿命。

(2)钻压过大时，潜孔锤钻头齿与岩石接触过于紧密，不便于旋转，从而增加了钻具扭矩，增大了回旋阻力，使得钻头早期磨损、回转困难、球齿掉落，影响钻头使用寿命。

在实际应用中钻压的计算一般采用下式：

F=aD

式中：F——钻压，kN；

a——钻压系数，kN/mm。对于潜孔锤全面钻进，一般认为单位直径的压力值在0.03～0.09kN/mm；

D——钻头直径，mm。

经计算本次施工过程中选用的钻压为30kN。

3.2　转速

为了达到最佳钻进效率，应合理选择回转速度，根据所钻地层的不同，选择下列转速：

软岩层30～50r/min;中硬岩层20～40r/min;硬岩层10～30r/min。

由于潜孔锤较高的风压会产生较高的冲击频率，因此可以适当的提高转速。为便于实际操作，合理转速可以参考下式：

n=1.6×ROP

式中：n——转速，r/min；

ROP——机械钻速，m/h。气动潜孔锤机械钻速为30m/h，推荐转速为48r/min。

转速的高低主要和冲击器的冲击频率、规格大小以及岩石的物理机械性质有关，一般转速先用20r/min左右最好。

3.3　风速风量

气动潜孔锤钻进时，送入的压缩空气有两个作用，其一是提供潜孔锤活塞涌动的能量；其二是携带岩屑，冷却钻头。因此，供风量多少的确定，一方面是根据所用到的潜孔锤所需耗风量的大小，另一方面也应考虑钻杆环空的上返风速，即保证将钻头破碎地层的残渣顺利地吹出地表。

空压机的供风量可以按照下式计算：

Q≥15vK1K2π(D2-d2)

式中：Q——压风机的供风量，m3/min；

v——上返风速，一般取10～25m/s。取心钻进时，上返速度v=10～15m/s，全面钻进时v=20～25m/s；

D——钻孔实际直径，m；

d——钻杆外径，m；

K1——孔深修正系数。由于孔深环状间隙压力损失增大，导致流量减小，一般孔深100～200m时K1=1.05～1.1,孔深500m时K1=1.25～1.3,孔深1000m时K1=1.35～1.5；

K2——孔内有涌水时风量增加系数，与涌水量有关，中小涌水时K2=1.5。

ZK-1井于2014年6月11日钻具组装完毕，采用两台空气压缩机提供动力，开始钻进。每钻进1m上提钻具0.3m排渣一次。钻进速度为8.6m/h。钻进速度明显提高。通过施工对同类地层进尺进行比较，如表1所示。

表1　同类地层进尺对照表

4结语

综上所述，通过本文的分析可知，气动潜孔锤钻进技术能够在比较坚硬的基岩地区投入施工，该技术工艺简单，施工速度快，缩短了施工周期，节约了打井成本，减少了钻进事故，提高了成井效率及质量，取得了一定的经济效益和社会效益。且排渣能力增强，减少了岩石的重复破碎，延长了钻头的使用寿命。不堵塞含水层，孔壁稳定，降低施工风险。因此，气动潜孔锤技术在钻井施工中具有广阔前景，可在我国类似生产中广泛推行应用。

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[6]袁新民. 潜孔锤钻进工艺及技术问题探讨[J]. 中国煤田地质，2007(6).

The Application of Pneumatic DHT hammer in Geothermal Well Drilling

XU Yunpeng

(Tianjin Development and Design Institute of Geothermal Exploration, Tianjin 300250, China)

Key Words：DTH; geothermal well; drilling; hard rock

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