潜孔锤跟管钻探套管防断加压装置研制与应用

杨光学

摘  要：为减少潜孔锤跟管钻探中钻进到一定深度后套管易断裂及钻效低的问题，我们研制了一种套管加压防断装置，该装置可有效减小套管下沉所需要的潜孔锤对套管的冲击下拉力，延缓套管疲劳周期，减少跟管到一定孔深以下孔段后套管的断管现象，同时增加钻进时套管下沉作用力，提高套管跟进速度，提升钻进效率。

关键词：套管;防断;装置

中图分类号：P634          文献标志码：A

在目前的钻探技术中，为提高钻效，对于一些不需要取芯的钻孔钻进时一般都采用潜孔锤钻进工艺成孔，而对于在第四系松散地层及填方地层中钻进，为防止坍孔、埋钻等问题，大多采用套管跟管钻进，此钻进工艺在成都平原的第四系砂卵石地层应用较多。我们在长期的钻探生产实践中发现，在成都平原第四系砂卵石地层中采用潜孔锤跟管钻进时，当跟管深度达到40 m以深后套管断管率很高，且随着孔深的增加断管率成几何倍数的提高，同时钻进效率急剧下降。为了有效解决此问题，我们研制出了潜孔锤跟管钻探套管防断加压装置，从而较好地解决了套管断裂及钻效低下的问题。

1 断管及钻效低下原因分析

1.1 潜孔锤跟管钻进套管跟进原理

通过潜孔锤钻进过程中潜孔锤同时冲击套管底部的管靴，由管靴来带动套管下沉，从而实现跟管钻进的目的。

1.2 断管原因分析

在潜孔锤跟管钻进中随着钻孔深度的增加，套管外所包裹的土体不断增多，则对套管外壁所作用的摩阻力不断增大，就需要不断增大潜孔锤对管靴的作用力，以达到套管跟进的目的，而这个作用力是一个对套管的向下冲击拉力，钻孔越深，所需要的这个向下冲击拉力就越大，则套管越容易疲劳损坏，越容易被拉断。就目前国内的套管材质而言，生产数据统计表面在砂卵石地层中一般跟管钻进到40 m以深断管率就会成几何倍数增加。

1.3 钻效低下原因分析

随着钻孔的加深，土体对套管的摩阻力会不断增加，则套管的下沉速度会越来越慢，套管下沉速度慢即导致钻进效率低，并且断管则往往造成钻孔报废。这2种因素综合就使随着钻孔深度的增加而钻进效率成几何倍数降低。

2 解决方案研究

根据以上分析得知：（1）潜孔锤跟管钻进中套管断管的原因是不断增加的冲击拉力加快了套管疲劳受损造成的;（2）随着钻孔加深而钻效不断降低的原因是套管下沉速度降低及断管后钻孔报废。

2.1解决思路

通过综合分析我们得知：对套管施加一个下压的外力就能有效解决钻孔达到一定深度后套管易断裂及钻效低下的问题，而在套管顶端施加这个力是最简单易行的方法。为了能获得这个下压力，我们对钻探设备结构进行了全面分析后发现：钻机的液压系统及钻机自重可以提供这个力，即通过液压系统将钻机的部分重量施加到套管顶端，从而形成一个对套管的下压力。

2.2 装置研制

根据以上思路，我们根据钻机结构特点及操作需要，研制出了一套通过钻机液压系统将钻机自重转化成对套管下压作用力的装置——潜孔锤跟管钻探套管防断加压装置。经多次优化、改进，最终定型成了可推广使用的装置，该装置的结构如图1所示。

2.2.1 装置主要结构

在钻机底盘（1）上对称开2个导向孔（3），每个导向孔（3）处均穿过一根拉杆（4），在底盘（1）上通过螺栓固定与拉杆（4）相对应的液压缸（2），液压缸（2）通过液压动力管（7）与钻机的液压系统连接，在液压缸（2）之间由上至下依次焊接第一固定板（13）和第二固定板（5），其中，第一固定板（13）焊接于液压缸（2）顶端，在第一固定板（13）和第二固定板（5）上分别设置供拉杆（4）穿过的导向孔（6）和导向孔（3），在第一固定板（13）朝向第二固定板（5）的一侧设置能供拉杆（4）穿过的定位座（8），该定位座（8）位于导向孔（6）的正下方，同时，在定位座（8）的下方设置与卡槽（10）相互卡合的卡瓦（9），卡瓦（9）与定位座（8）之间相互正合，以达到限位的目的，在拉杆（4）的顶端通过螺栓固定压管座（11），在压管座（11）相对侧壁上均开设供呈T型的压管盖（12）嵌入的凹槽，在压管盖（12）上开设供销钉插入的销钉孔。

2.2.2 该装置工作机理

首先将底盘（1）固定在钻机上，再将钻机液压给进系统与液压缸（2）连接，将套管加入至拉杆（4）之间，然后将套管固定装置固定于拉杆（4）顶部，再使卡瓦（9）与卡槽（10）相互卡合，即完成装配。工作原理是：在钻具推进时液压缸（2）收紧，在保持钻机平稳的同时由钻机液压系统通过拉杆（4）给套管加压。

3 该装置的应用效果

该潜孔锤跟管钻进套管防断加压装置研制成功后即安装到我单位在成都市温江区一浅层地温井施工项目的钻机上，形成规模生产，该项目设计井深60 m。在施工中我们对部分钻机采取了在钻机上堆载的方法增加钻机自重以达到加大对套管的下压力作用力。通过该项目的实际施工效果与以往类似项目施工情况数据统计对比发现：1）所施加的下压力越大（即钻机自重越大），套管断管率越低、钻进效率越高。2）使用该装置后整个项目的套管断管率降低81%左右，钻效提高52%左右。

4 结论

该潜孔锤跟管钻探套管防断加压装置研制是成功的，能大幅度減小潜孔锤跟管钻进中套管的断管率，有效提高钻进效率，大大降低生产成本，可广泛地推广应用。

参考文献

[1]付兵，邱大宝，成体海.潜孔锤钻进技术在深厚砂卵石层中的应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程）2006（10）：27-29.

[2]张小光，陈一也.潜孔锤跟管钻进套管断裂分析及结构改进[J].探矿工程（岩土钻掘工程）2011（10）：25-27.