潛孔跟管鉆進最大深度的應用分析

摘 要：潛孔跟管鉆進技術作為一種逐漸發展成熟起來的新興技術，在鉆遇深厚的第四系覆蓋層或復雜地層時，鉆速快、干式鉆進、使用方便，成為一種可靠的護壁鉆進方式。文章介紹了各種潛孔跟管鉆具的構造原理、使用特點；在具體生產實踐中根據地層條件加以選型；通過分析影響潛孔錘跟管深度的關鍵因素，對潛孔跟管設備進行技術改造，使潛孔跟管鉆進能力得到優化，提高了跟管鉆進的最大深度及可靠性。

關鍵詞：潛孔跟管鉆進；深厚覆蓋層；鉆進技術；施工工藝

1 前言

潛孔錘又稱風動沖擊器，是以壓縮空氣作為動力介質完成沖擊回轉鉆進，具有空氣洗井鉆進的特點。較之以高壓的水或泥漿為動力介質的沖擊回轉鉆進，風動潛孔錘回轉鉆進有成倍的高效[1]。本文論述了在工程實踐中的具體經驗，對關鍵的施工工藝問題進行詳細闡釋，并制定了解決方案，在生產實踐中進行了驗證，并對一些技術思路進行了簡要分析。

2 地層情況

水井施工的地點地表多為第四系覆蓋層，厚度一般約5～20m，也有厚30～40m，地層多為粉質粘土、中粗砂、礫砂等。下伏地層一般為第三系泥巖或奧陶系灰巖，二者不整合接觸。當鉆進過程中由第四系穿過時經常會有碰到角度不整合的斜面[2]。

3 跟管設備選型及施工流程

3.1 跟管形式

環式對心跟管設備是最有利于大口徑深孔跟管的，其克服礫石層的能力強。但該區域地層第四系無明顯礫石塊石，環式對心方式的外鉆頭相當于擴孔鉆頭，其直徑較跟進的套管大10～15mm，會給套管的起拔帶來較大的阻力。相對之下，三瓣式對心跟管鉆頭亦能適應較大的口徑，對中能力好。根據井徑設計要求，結合空氣壓縮機排量，選用了跟進φ245套管的三瓣式對心跟管鉆頭。

3.2 設備情況

空壓機：阿特拉斯XRVS976

鉆 機：宣化正遠SL400

鉆 桿：φ89、外平、接首摩擦焊

鉆 具：蘇普曼360沖擊器

鉆 頭：廣漢集團φ254跟管鉆頭

套管靴：φ245

套 管：標準地質管材，外徑φ245壁厚8毫米，每根1.5米，反螺紋連接，螺紋尺寸符合規范要求。

3.3 鉆進參數的選擇

風量：為確保砂與破碎的巖屑能被沖出孔外，選擇了較大的風量。一般情況為15～20m3/min，最大時達25m3/min。

風壓：本工程風壓一般情況為1.60～2.20Mpa最大時達2.50Mpa。

鉆壓：本工程鉆壓一般情況為0.50～0.60Mpa。

轉速：為了使空氣潛孔錘的沖擊功率有效的傳到孔底，鉆具轉數應按潛孔錘的沖擊頻率和所鉆巖石的性質確定。轉數與最優轉角、沖擊頻率之間的關系：

N=A·f/360

式中：N-轉數，r/min；A-最優轉角11度；f-沖擊頻率，840次/min；可以求得N=25.67r/min

鉆孔施工過程中，隨著鉆孔深度的變化和地層情況的變化需要隨時改變空氣潛孔錘鉆進參數，特別是要注意風量和風壓的控制，以確保空氣潛孔錘發揮出最優性能，同時確保砂礫及被擊碎的顆粒被沖出井外。

3.4 跟管鉆進施工工藝

使用跟管鉆具的鉆孔施工流程圖（見圖1）。

4 分析與措施

潛孔錘同心跟管鉆進技術在一定的鉆進條件下，氣動潛孔錘跟管護壁鉆進深度是有限的，跟管鉆進最大深度直接關系到工程的成本、安全性、經濟效益，因此，研究氣動潛孔錘跟管鉆進最大深度的影響因素具有較大的意義。

4.1 分析

在實際工作中發現覆蓋層15～20m的鉆孔跟管鉆進一般一個臺班基本上可以完成，鉆進效率較高，說明技術使用經濟合理。在30～40m左右的覆蓋層或局部裂隙、斷層破碎帶、溶蝕洞的情況下，跟管鉆進速度隨深度增加變慢，且有時隨地層的復雜易發生套管脫扣、折斷的問題。據有關資料，在固定的設備及生產條件下，跟管鉆進的最大深度公式估算，此種條件下跟管深度可達50～60m，但為何在30～40m處跟管時會出現套管折斷的問題呢？究其詳細，出現問題的跟管深度位置大都在剛進入巖石界面時，且套管折脫部位往往在自套管靴向上3～5m處。據此，作出套管受力分析簡圖（圖2）。

圖2套管受力分析簡圖

如圖：F1為套管在鉆進過程中受到的地層阻力。上段最大深度公式也是以F1作為校核套管強度的依據。FG為鉆進時沖擊力。在鉆遇傾斜地層時，套管下端受斜面支撐FN。由于深度不是太大，此時FG較F1要大得多，故FNY較大，所以FN也會較大。FNX受F1斜度影響也會較大。由于地層在剛擴孔鉆進后，土體密實或松散程度不一，難以定量描述套管外側土層的力學性質，為超靜定力學問題，所以在存在FN時近似估計FQ的形狀，并畫出套管的受力矩圖，（圖3右側）。可以看出如果在鉆遇斜面時，由于套管土層剛剛破碎，受側向力較不均勻，產生的最大彎矩在C處，其與套管端部B處仍有一段距離L長度，在不太大的FNX側向力作用下，會使C處產生較大的彎矩內應力。使套管薄弱位置絲扣連接處先折后整個斷開。

4.2 根據以上分析采取技術改進措施

4.2.1 在跟管鉆進過程中做到“一聽、二觀、三摸索”。“一聽”即聽鉆頭敲擊巖石的聲音，潛孔錘在正常鉆進中對不同地層都會有不同的聲音傳遞。“二觀”即觀察孔口上返巖屑和空氣的情況。“三摸索”鉆井時經常會遇到聲音聽似正常、孔口有上返熱氣，這種現象極易讓人誤以為正常，其實不然。這是因為在鉆進過程中因為種種原因孔內得不到及時清理，潮濕的巖粉開始附裹鉆桿造成的。操作中一旦發現上返風量有變，應及時注水清孔或采取其他措施。

4.2.2 常用的套管為T型螺紋連接，參照《YB-235》[3]，在螺紋底部受力截面最小，應力最大，易在此處斷裂，故此將螺紋平扣改為錐扣。

4.2.3 在更深的40～50m施工中，使用二級跟管組件。先用φ273套管跟管至10～20m，再提鉆換用φ245跟管鉆頭繼續跟管鉆進。由于φ245中心鉆頭直徑為φ219，三瓣式鉆頭張開后圓徑約為φ270，據此設計了二級跟管組件。（圖3）

在使用中先將φ273組件安裝于φ245跟管鉆頭之上，卡好卡環，下入φ273套管，整平對中后開孔鉆進。要注意φ273跟管最好終止于非砂地層位置中，以防止二級φ245跟進時，在底部沖入砂礫夾在φ273與φ245套管間，額外地增加了跟進阻力。另外在二級跟進時要將孔口φ245外壁與φ273內壁之間加一膠圈密封，防止泥沙灌入。此最終，二級跟管深度可達50～60m。

5 結束語

潛孔錘跟管鉆進技術是一門新興又比較成熟的技術，在水井鉆進施工中，具有高效率、成本低、使用方便等一系列優點。在實際應用中，應根據地層地質情況及設備條件，合理地選配跟管設備形式，在保證安全生產的基礎上，兼顧經濟效率與時間效率，選擇對應的施工工藝，最大程度地發揮潛孔跟管鉆進技術的優勢。

參考文獻

[1]John Rowley etal.Advanced drilling system for drilling geothermal wells an estimate for cost savings. Proceedings of world geothermal congress， 2000.

[2]施世久.滑坡治理中預應力錨索施工技術[J].西部探礦工程，2001（1）.

[3]Pierce，K.etal.Advanced Drilling Engine.Proceedings of the ASME Energy Sources Technology Conference，1998.

作者簡介：郭文建（1972，12-），男，山東鄆城，本科，項目經理，助理工程師，地質工程。