潛孔錘跟管鉆探套管防斷加壓裝置研制與應用

楊光學

摘? 要：為減少潛孔錘跟管鉆探中鉆進到一定深度后套管易斷裂及鉆效低的問題，我們研制了一種套管加壓防斷裝置，該裝置可有效減小套管下沉所需要的潛孔錘對套管的沖擊下拉力，延緩套管疲勞周期，減少跟管到一定孔深以下孔段后套管的斷管現象，同時增加鉆進時套管下沉作用力，提高套管跟進速度，提升鉆進效率。

關鍵詞：套管;防斷;裝置

中圖分類號：P634? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

在目前的鉆探技術中，為提高鉆效，對于一些不需要取芯的鉆孔鉆進時一般都采用潛孔錘鉆進工藝成孔，而對于在第四系松散地層及填方地層中鉆進，為防止坍孔、埋鉆等問題，大多采用套管跟管鉆進，此鉆進工藝在成都平原的第四系砂卵石地層應用較多。我們在長期的鉆探生產實踐中發現，在成都平原第四系砂卵石地層中采用潛孔錘跟管鉆進時，當跟管深度達到40 m以深后套管斷管率很高，且隨著孔深的增加斷管率成幾何倍數的提高，同時鉆進效率急劇下降。為了有效解決此問題，我們研制出了潛孔錘跟管鉆探套管防斷加壓裝置，從而較好地解決了套管斷裂及鉆效低下的問題。

1 斷管及鉆效低下原因分析

1.1 潛孔錘跟管鉆進套管跟進原理

通過潛孔錘鉆進過程中潛孔錘同時沖擊套管底部的管靴，由管靴來帶動套管下沉，從而實現跟管鉆進的目的。

1.2 斷管原因分析

在潛孔錘跟管鉆進中隨著鉆孔深度的增加，套管外所包裹的土體不斷增多，則對套管外壁所作用的摩阻力不斷增大，就需要不斷增大潛孔錘對管靴的作用力，以達到套管跟進的目的，而這個作用力是一個對套管的向下沖擊拉力，鉆孔越深，所需要的這個向下沖擊拉力就越大，則套管越容易疲勞損壞，越容易被拉斷。就目前國內的套管材質而言，生產數據統計表面在砂卵石地層中一般跟管鉆進到40 m以深斷管率就會成幾何倍數增加。

1.3 鉆效低下原因分析

隨著鉆孔的加深，土體對套管的摩阻力會不斷增加，則套管的下沉速度會越來越慢，套管下沉速度慢即導致鉆進效率低，并且斷管則往往造成鉆孔報廢。這2種因素綜合就使隨著鉆孔深度的增加而鉆進效率成幾何倍數降低。

2 解決方案研究

根據以上分析得知：（1）潛孔錘跟管鉆進中套管斷管的原因是不斷增加的沖擊拉力加快了套管疲勞受損造成的;（2）隨著鉆孔加深而鉆效不斷降低的原因是套管下沉速度降低及斷管后鉆孔報廢。

2.1解決思路

通過綜合分析我們得知：對套管施加一個下壓的外力就能有效解決鉆孔達到一定深度后套管易斷裂及鉆效低下的問題，而在套管頂端施加這個力是最簡單易行的方法。為了能獲得這個下壓力，我們對鉆探設備結構進行了全面分析后發現：鉆機的液壓系統及鉆機自重可以提供這個力，即通過液壓系統將鉆機的部分重量施加到套管頂端，從而形成一個對套管的下壓力。

2.2 裝置研制

根據以上思路，我們根據鉆機結構特點及操作需要，研制出了一套通過鉆機液壓系統將鉆機自重轉化成對套管下壓作用力的裝置——潛孔錘跟管鉆探套管防斷加壓裝置。經多次優化、改進，最終定型成了可推廣使用的裝置，該裝置的結構如圖1所示。

2.2.1 裝置主要結構

在鉆機底盤（1）上對稱開2個導向孔（3），每個導向孔（3）處均穿過一根拉桿（4），在底盤（1）上通過螺栓固定與拉桿（4）相對應的液壓缸（2），液壓缸（2）通過液壓動力管（7）與鉆機的液壓系統連接，在液壓缸（2）之間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）焊接于液壓缸（2）頂端，在第一固定板（13）和第二固定板（5）上分別設置供拉桿（4）穿過的導向孔（6）和導向孔（3），在第一固定板（13）朝向第二固定板（5）的一側設置能供拉桿（4）穿過的定位座（8），該定位座（8）位于導向孔（6）的正下方，同時，在定位座（8）的下方設置與卡槽（10）相互卡合的卡瓦（9），卡瓦（9）與定位座（8）之間相互正合，以達到限位的目的，在拉桿（4）的頂端通過螺栓固定壓管座（11），在壓管座（11）相對側壁上均開設供呈T型的壓管蓋（12）嵌入的凹槽，在壓管蓋（12）上開設供銷釘插入的銷釘孔。

2.2.2 該裝置工作機理

首先將底盤（1）固定在鉆機上，再將鉆機液壓給進系統與液壓缸（2）連接，將套管加入至拉桿（4）之間，然后將套管固定裝置固定于拉桿（4）頂部，再使卡瓦（9）與卡槽（10）相互卡合，即完成裝配。工作原理是：在鉆具推進時液壓缸（2）收緊，在保持鉆機平穩的同時由鉆機液壓系統通過拉桿（4）給套管加壓。

3 該裝置的應用效果

該潛孔錘跟管鉆進套管防斷加壓裝置研制成功后即安裝到我單位在成都市溫江區一淺層地溫井施工項目的鉆機上，形成規模生產，該項目設計井深60 m。在施工中我們對部分鉆機采取了在鉆機上堆載的方法增加鉆機自重以達到加大對套管的下壓力作用力。通過該項目的實際施工效果與以往類似項目施工情況數據統計對比發現：1）所施加的下壓力越大（即鉆機自重越大），套管斷管率越低、鉆進效率越高。2）使用該裝置后整個項目的套管斷管率降低81%左右，鉆效提高52%左右。

4 結論

該潛孔錘跟管鉆探套管防斷加壓裝置研制是成功的，能大幅度減小潛孔錘跟管鉆進中套管的斷管率，有效提高鉆進效率，大大降低生產成本，可廣泛地推廣應用。

參考文獻

[1]付兵，邱大寶，成體海.潛孔錘鉆進技術在深厚砂卵石層中的應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）2006（10）：27-29.

[2]張小光，陳一也.潛孔錘跟管鉆進套管斷裂分析及結構改進[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）2011（10）：25-27.