潜孔锤及牙轮扩孔组合钻进在排水井工程中的研究与应用

李国余

(大同煤矿集团有限责任公司，山西省大同市，037003)



潜孔锤及牙轮扩孔组合钻进在排水井工程中的研究与应用

李国余

(大同煤矿集团有限责任公司，山西省大同市，037003)

针对传统方法采用多级套管封堵采空区具有的工期长、劳动强度大、成本高以及不能满足钻探工作的需要等问题，研究采用了潜孔锤及牙轮扩孔组合钻进方法，分析了组合钻进技术参数，介绍了组合钻进技术难点，在同煤集团同忻矿进行的现场施工实践表明, 采用潜孔锤及牙轮扩孔钻进相结合的方法可以成功避免卡钻、埋钻、断钻杆等不利情况，为类似钻井施工提供了借鉴。

潜孔锤 牙轮钻进 排水井 采空区排水

1 工程概况及地质情况

1.1 工程概况

同煤集团同忻矿为千万吨矿井，现开采石炭系3#～5#特厚煤层, 煤层埋深500 m左右，矿井一、二盘区上覆侏罗系3#、9#、11#、14#等多层采空区，含有大量采空积水，积水量预计超过100万m3，这给石炭系3#～5#煤层的安全生产带来严重隐患。为了保证矿井正常接替，需尽快排放采空积水，经多次论证，决定采取地面排水井进行排放，共设计排水井2个, 一、二盘区各1个，直径为550 mm，终孔深度为370 m。

1.2 地质情况

同煤集团同忻矿一、二盘区上覆为第四系全新统Q4，侏罗系中统云冈组J2y,侏罗系中统大同组J2d沉积地层，K22、K21为标志层。钻孔主要涉及岩性为第四纪马兰期黄土、松散砂砾、碎石和卵石层； 云冈组和大同组岩性多为砂岩、砾岩、碳质泥岩和部分煌斑岩。上覆侏罗系3#、9#、11#、14#煤层为上世纪70年代开采的采空区,施工区域为向斜轴部，断层发育，构造复杂，采空区区域岩层破碎。

2 钻进方法及排水井井深结构

2.1 钻进方法优选

由于钻孔要穿越多层采空区及其附近岩层形成的大量裂隙带和破碎带，常规泥浆钻进工艺不能满足施工要求，经优化, 采用空气潜孔锤结合牙轮扩孔组合钻进方式。一开先导孔孔径为215.9 mm，采用正循环空气潜孔锤钻进工艺，以压缩空气为动力驱动潜孔冲击器冲击碎岩，孔底岩屑随压缩空气的循环携带至地表或采空区内，达到清除孔内沉渣的目的；二开孔径为550 mm，由于要穿过多层采空区，空气潜孔锤钻进已经不能在扩孔中使用，因此采用以压缩空气为冲洗介质的牙轮扩孔钻进，岩石碎屑通过一开导流孔流入底部采空区内，达到排屑目的，风冷牙轮扩孔直至终孔，风冷组合牙轮钻进是本工程成井的关键。

钻具组合情况为：一开先导孔为215.9 mm潜孔锤(型号IADC550 )+159 mm钻铤+127 mm钻杆+主动钻杆；二开扩孔为550 mm牙轮扩孔钻头(型号spm380-216 )+177.8 mm钻铤+127 mm钻杆+主动钻杆。潜孔锤钻具组合示意图如图1所示。

图1 潜孔锤钻具组合示意图

2.2 排水井井深结构

为了满足地面抽水需要，开孔钻头直径为820 mm，下入750 mm孔口管20 m，终孔直径为550 mm，终孔位置-370 m，下入426 mm套管。排水井井深结构如图2所示。

图2 排水井井深结构图

3 组合钻进技术参数

3.1 潜孔锤钻进参数

潜孔锤钻进技术参数的选择是否合理直接影响钻进效率和经济效益。它主要包括供风量、风压、钻压、转速和冲击频率等，各个参数的选取方法如下：

(1)供风量。根据所选用的空压机、潜孔锤的性能和钻孔深度及直径，合理确定风量，达到潜孔锤既能正常工作，又能排出孔底岩粉的作用。根据《水文地质钻探规程》，潜孔锤正循环全面钻进排渣通道上的上返风速不应低于16 m/s。根据式(1)计算供风量Q：

Q≥47.1K1K2(D2一d2)v

(1)

式中：Q——供风量，m3/min；

K1——孔深修正系数，K1=1～1.1，此处取1.05；

K2——孔内涌水系数，K2=1～1.5，此处取1.1；

D——钻孔直径，D=0.216m；

d——钻杆外径，d=0.127m；

v——上返风速，一般取15～25m/s,此处取16m/s。

(2)风压。潜孔锤的冲击频率和冲击功都与风压有着密切的关系，鉴于本排水井孔斜要求较高，转速不宜太快，故风压宜保持在0.8～1.5MPa。潜孔锤钻进时，除正常工作所需风压外，还要加上孔深时沿程压降及克服水位以下的水柱压力，在施工过程中应及时根据孔内情况调节风压。钻孔较深时，当单台空压机提供风压不能满足钻进需要时，需采用多台并联或利用增压机提供更高的风压。

(3)钻压。空气潜孔锤钻进主要靠冲击作用破碎岩石，钻压的主要作用是为保证钻头齿能与岩石紧密接触，克服冲击器及钻具的反弹力，以便有效地传递来自冲击器的冲击功。如果钻压过小，则难以克服冲击器工作时的背压和反弹力，直接影响冲击功的有效传递；如果钻压过大，则扭矩也会增大，结果会导致钻具和钻头的快速磨损和损坏。根据地层硬度、钻头类型和规格尺寸选择钻压，使钻头与孔底岩石紧密接触，禁止钻头在孔底空转。一般钻进软岩石时钻压控制在40～60kN，钻进硬岩石时钻压控制在60～80kN。

(4)转速。主要根据岩石的性质、钻头直径、冲击功和冲击频率来确定,转速仅是为了改变钻头破岩的位置，避免重复破碎，合理的回转速度应保证在最优的冲击间隔范围内破碎岩石，一般转速范围为：覆盖层40～60r/min，软岩层30～50r/min，中硬岩层20～40r/min，硬岩层10～30r/min。

(5)冲击频率。当潜孔锤额定风量和额定风压均达到规定要求时，都能达到额定冲击频率。潜孔锤一般的额定冲击频率为750～1100 次/min。

由以上方法确定的潜孔锤钻进(ø215.9mm)技术参数见表1。

表1 潜孔锤钻进(ø215.9 mm)技术参数

3.2 牙轮扩孔钻进参数

(1)供风量。牙轮扩孔钻进孔径550mm，所需风量一般为潜孔锤钻进风量的2倍。

(2)风压。风冷牙轮钻进中，风量使用量很大，工作风压一般保持在0.3～0.6MPa之间，如果风压突然上升，有可能是钻头周围岩渣过多，先导孔堵塞，要及时起钻进行捞渣透孔。

(3)钻压。风冷组合牙轮钻进，压力要根据地层、转速、钻进速度等数据有效的结合来定，一般控制在50～60kN。

(4)转速。根据不同地层，转速适当增减，一般控制在40～60r/min。

由以上方法确定的牙轮扩孔(ø550mm)技术参数见表2。

表2 牙轮扩孔(ø550 mm)技术参数

4 组合钻进技术难点

4.1 潜孔锤钻进防斜技术

(1)潜孔锤钻进时，钻孔的孔位必须满足设计的要求精度，钻机安装必须做到稳固、周正、水平，开孔角度必须控制良好。为了保证孔斜率，钻进过程中每隔50m测量一次倾角和方位，并要使用高精度的立轴钻杆和防斜钻杆，严格按照规定的钻进技术参数进行施工。

(2)下钻过程中，潜孔锤接触地面时，待钻头在地面冲击出小孔，再采用轻压回转钻进。开孔钻进3～5m后，提出钻杆,用倒垂法定出孔底中心位置，然后调整钻机位置，使立轴回转中心和孔底中心在一条铅直线上。随着钻孔深度的增大，增加粗径钻具长度，0～50m时加接159mm钻铤，50～370m时加钻杆扶正器，扶正器长度不小于6m。

(3)钻进过程中，钻压不能过大，防止钻杆弯曲而造成孔斜;钻进风化层、破碎带、松散堆积层时，降低钻压，钻压控制在45kN以内，确保钻孔垂直度。钻进时应保持环状间隙畅通无阻，遇坍塌掉块时，反复提动钻具强行吹风冲击，把掉块挤碎吹出孔外。

4.2 遇采空区施工技术

(1)遇见采空区时，风量损失加大，孔底岩屑已无法顺利经环状间隙上返至地面，大量岩屑会在风力作用下被吹入采空区内；钻孔轴线边缘采空位置堆积岩粉过量时，将影响岩粉继续被吹入采空区内的效果，因此需在采空区位置下入花眼风管，加大风量吹送岩粉至距离钻孔轴线更远的空间内，为下部钻进孔底岩屑上返至采空区内提供空间，以增大孔底岩粉继续被吹入采空区的空间。继续钻进，孔底岩屑堆积过多无法上返自由进入采空区，此时进尺缓慢，需制作捞渣管及时清理孔底岩屑，每回次进尺3～5m即起钻下入捞渣管除渣，保持孔内干净，避免重复破碎。

(2)遇见采空区时，由于风量及压力损失较大，需及时调整空压机的参数或增加空压机数量，以便满足需要。在过采空区时，由于钻头压力点失去了支撑层,钻具会产生落空或在冒落带内因重力垂落,应及时从风压、钻速、岩屑、地质资料等方面综合分析，提前判断距采空区的井深，采取及时刹车停钻的措施。

4.3 遇地层出水施工技术

遇地层出水时, 岩屑与水相连粘结成团不易被吹出井眼, 岩屑团越滚越大最后形成钻头泥包及钻杆上的环形泥饼,吸附在孔壁上岩屑增多，造成岩屑排除困难以及钻头和钻杆泥包问题，因此，采用以下措施提高排屑能力：

(1)根据所钻井眼尺寸准备好足够数量的空气压缩机、增压机，以确保能提供满足空气钻井要求的足够空气量。遇到地层出水时，空气钻进不能满足要求的情况下,要及时在注入空气过程中注入浓度0.1%的泡沫胶液，使其转换成雾化钻井以提高携带能力, 随着钻进深度的增加雾化钻进不能满足携带岩粉时, 要将泡沫胶液的浓度提高到0.2%，同时控制地面空气排量，转化为泡沫钻进。

(2)优化泡沫胶液配方, 提高泡沫质量,并在其中加入浓度0.8%的粘土抑制剂, 抑制地层中的泥岩水化膨胀,防止井眼缩径和井壁坍塌。

(3)降低钻速, 降低岩屑产生量，同时增大环空气流速度，在气量不变情况下加大上返速度，从而提高排屑能力。此外及时进行短拉,钻进一段即上下活动钻具，破坏已形成的泥饼环和缩径井眼。

5 现场实施效果

采用本组合钻进方法，在同煤集团同忻矿一、二盘区共施工了2个550mm排水井，平均台月效率为350m，平均钻速为11.66m/d；如使用以往回转钻进施工排水井，平均台月效率仅为87.5m，平均钻速为2.91m/d。通过比较可见，采用本组合钻进方法大大提高了钻进效率，缩短了工期，减小了劳动强度，降低了成本。目前同煤集团同忻矿通过2个排水井已累计排放上覆多层采空区积水120万m3，及时、有效地消除了安全隐患，保证了矿井的正常接替，为安全生产提供了有力保障。

[1] 王达.地质钻探手册[M]. 长沙：中南大学出版社，2014

[2] 张统得，严君凤，房勇等.空气潜孔锤钻进在乌蒙山地下水探采结合工程中的应用[J].探矿工程，2016(10)

[3] 刘炳志， 韩成彬， 王英等.大口径煤矿定向排水井钻探及完井施工技术 [J]. 探矿工程，2007(4)

[4] 赵玉启,朱红青, 贾瑞华等.煤矿排水井快速施工技术实践[J].中州煤炭，2010(2)

[5] 朱正平.改进西南小煤矿抢险排水装备的探讨[J].中国煤炭，2007(12)

(责任编辑 路 强)

Study and application of combined drilling technology of down-hole hammer and roller reamer bit in sump shaft engineering

Li Guoyu

(Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037003, China)

The traditional way adopted stage casing to block off the goaf, but it had some disadvantages, such as longer work-period, higher labor strength and costs, and couldn't meet the need of drilling work. Based on above situation, combined drilling method of down-hole hammer and roller reamer bit was adopted, and its technique parameters and technological difficulties were introduced and analyzed. The site operation in Tongxin Mine of Datong Coal Mine Group showed that the combined drilling method could avoid bit jamming, burying and breaking, which provided references for similar well drilling operation.

down-hole hammer, roller bit drilling, sump shaft, drain off goaf water

李国余. 潜孔锤及牙轮扩孔组合钻进在排水井工程中的研究与应用 [J].中国煤炭，2017，43(6)：93-96. Li Guoyu. Study and application of combined drilling technology of down-hole hammer and roller reamer bit in sump shaft engineering[J].China Coal，2017，43(6)：93-96.

TD744

A

李国余(1966-)，男，山西应县人，硕士，高级工程师，现任职于同煤集团地质勘测处，主要从事地质勘测方面的工作。