多工藝空氣鉆進鉆具配置研究

程林，滿國祥，孔令滬，解少朋，王士昭，郎坤飛，郭云開

(1.河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081；2.河北石探機械制造有限責任公司，石家莊 050081)

0 概述

多工藝空氣鉆進技術包含：氣動潛孔錘鉆進、氣舉反循環鉆進、空氣反循環鉆進等，它的實質主要是用壓縮空氣或壓縮空氣的氣液混合物作為鉆進時的循環沖洗介質，或者破巖機具之動力，又兼作沖洗介質的一種鉆進方法。 多工藝空氣鉆進對于加速改變我國鉆探長期使用泥漿正循環鉆進落后局面，解決復雜地層正循環無法實現鉆進的難題，提高鉆進效率，降低鉆探成本，減少孔內事故，減輕勞動強度，縮短同國外先進鉆探技術的差距，有著十分重要的意義。 到目前為止多工藝空氣鉆進技術涉及的產業化應用領域有：水井、地熱井、煤層氣井、頁巖氣井、大口徑瓦斯排放井、大口徑礦山搶險救援井、地熱井和石油井修井、大口徑工程井尤其大口徑旋挖鉆機入巖鉆進，地質勘探空氣反循環鉆進等。

1 氣動潛孔錘正循環鉆進

空氣潛孔錘正循環鉆進就是把破碎巖石的鉆頭和一個能產生沖擊作用的氣動裝置潛入孔底進行鉆進的一種工藝方法，這個氣動裝置叫沖擊器，它是以壓縮空氣為動力的一種風動沖擊工具，它所產生的沖擊功和沖擊頻率可以直接傳給鉆頭，然后再通過鉆機和鉆桿的回轉驅動，形成對巖石的破碎能力，同時利用沖擊器排出壓縮空氣，對鉆頭進行冷卻和排粉，從而實現孔底沖擊回轉鉆進的目的。從巖石破碎的角度來看，潛孔錘鉆進是以沖擊碎巖為主，而回轉是改變沖擊碎巖位置同時起輔助碎巖作用。因此鉆進效率的高低，在很大程度上取決于沖擊器的性能和質量。潛孔錘鉆進是屬于空氣鉆進的一個分支，因為它是把壓縮空氣既作為沖洗介質，又作為碎巖能量的一種回轉鉆進方法，其重要特點是鉆進硬巖效率高、鉆頭使用壽命長、回轉速度低、扭矩小、軸心壓力輕。

圖1 空氣正循環鉆具連接簡圖Fig.1 Connection diagram of air positive circulation drilling tools

空氣潛孔錘鉆進的在鉆具選擇上優先選用外平式鉆桿，鉆具連接及配置見圖1、表1。因為排渣的上返空氣流速一般在10～20 m/s，在高流速下，外平式鉆桿與鉆孔可形成穩定的環隙上返截面，上返風速穩定，給大顆粒鉆渣排除提供便利條件，可更好地實現氣動潛孔錘快速鉆進；在鉆機設備允許的前提下應盡可能配置大直徑鉆具，以減小上返截面，提高上返速度，提高鉆進效率。

表1 常用空氣潛孔錘正循環鉆進鉆具配套表Tab.1 Matching of tools normal air down-the-hole hammer for positive circulation drilling

氣量計算見公式(1)。

(1)

式中：Q為所需風量，m3/min；V為空氣上返速度，≈1200 m/min；D為井孔直徑(上部套管直徑)，mm；D為鉆桿直徑，mm；R為井孔半徑(上部套管半徑)，mm；R為鉆桿半徑，mm。

在鉆壓選擇上，潛孔錘鉆進隨屬低壓鉆進，但適當配置鉆鋌可起到提高效率、延長鉆具使用壽命的目的，一般根據鉆孔直徑按每毫米直徑9公斤鉆壓計算選擇鉆壓。STD 500型全液壓履帶鉆機配套114外平鉆桿進行空氣潛孔錘正循環工藝水井施工現場見圖2。

圖2 空氣潛孔錘正循環水井施工現場Fig.2 Construction site of air DTH hammer positive circulation for water well drilling

2 氣動潛孔錘反循環鉆進

氣動潛孔錘反循環鉆進鉆渣通過雙壁鉆具的內孔上返，具有鉆渣上返速度快、鉆渣易收集、耗氣量少等優點。目前實現氣動潛孔錘反循環鉆進的常用方式有兩種，一種是雙壁鉆具+阻風環+正反轉換接頭+正循環潛孔錘的組合方式，此種正反轉換式空氣反循環多用于大口徑鉆孔的快速施工，如礦山應急救援用救生孔的施工；另一種是雙壁鉆具+貫通式反循環潛孔錘的組合反方式，此種空氣反循環鉆進方式多用于小孔徑連續取樣孔的施工，如砂金勘探取樣。

氣動潛孔錘反循環鉆進鉆桿柱連接比較簡單，鉆具連接及配置見圖3、表2，小直徑空氣反循環鉆孔鉆桿均為外平式雙壁鉆桿，外平式雙壁鉆桿可在較小直徑的鉆孔施工中形成較大上返內通道，提高鉆進效率；在大直徑鉆孔中通常采用大直徑常規式雙壁鉆桿，大直徑徑反循環氣動潛孔錘鉆孔直徑大，要求巖屑上返及時，要求巖屑上返通道直徑盡量大，一般要求反循環鉆具通孔100mm以上。另外配套的鉆桿、鉆鋌等大直徑鉆具，整個鉆桿柱重量大，要求鉆機的提升能力大，配套的水龍頭、氣盒子承受的提升力也要大。寶峨PB-T100拖車式全液壓動力頭鉆機配套φ219/152雙壁鉆具，采用正反轉換式空氣反循環工藝進行地熱井一開施工應用見圖4。

圖3 空氣反循環鉆具連接簡圖Fig.3 Connection diagram of air reverse circulation drilling tools

3 氣舉反循環鉆進

氣舉反循環鉆進工作原理同空壓機氣舉抽水工作原理相類似，即將壓縮空氣通過氣水龍頭或氣盒子，經雙壁主動鉆桿、雙壁鉆桿的內管和外管之間的環狀間隙從混合器處噴入內管，形成無數小氣泡，氣泡一面沿內管迅速上升，一面同時膨脹，由于壓縮空氣不斷進入井液，在混合器上部形成低比重的氣水混合液，而井中的液體比重大，根據連通器原理內管的氣水混合液在壓差作用下向上流動，把孔底的巖芯或巖屑連續不斷帶出地表。排入連續取樣裝置進行分離，巖渣到地面可及時清走，凈化后的液體從下部流入泥漿池返回孔中，經孔底進入鉆桿內補充循環液空間，如此不斷循環形成連續鉆進的過程，氣舉反循環鉆進效率主要取決于壓縮空氣的壓力和風量以及混合器沉沒在水中的深度。

氣舉反循環鉆進用鉆具要求內通徑盡可能一致，這樣管路不易堵塞，即使堵塞了，也易于排除，鉆具連接及配置見圖5、表3。氣舉反循環鉆進在深井施工中應用時多采用高鋼級摩擦焊鉆桿作為外管，內管通徑盡可能取大，這樣有利于排渣從而提高鉆進效率。另外，氣舉反循環攜帶上來的三相流在整個上返過程中不流經任何工作機械，設備磨損小。車載ZJ20鉆機配套φ127/70雙壁鉆具，采用氣舉反循環工藝進行地熱井施工應用見圖6。

表2 礦山應急救援空氣反循環鉆進鉆具配套表Tab.2 Matching tools of air reverse circulation drilling for mine emergency rescue

圖4 正反轉換式空氣反循環地熱井施工現場Fig.4 Construction site of positive and negative conversion type air reverse circulation geothermal well

圖5 氣舉反循環鉆具連接簡圖Fig.5 Connection diagram of gas lift reverse circulation drilling tools

4 結語

實踐表明多工藝空氣鉆進技術具有許多優越性，在各種鉆探領域中應用均取得了顯著的經濟效益。該項技術經多年的不斷創新，一系列研究成果推動了我國鉆探技術水平的提高。氣舉反循環鉆進技術應用最大鉆深達到4500 m，洗井、修井深度達到3500 m，不同領域最大孔徑為1.2 m、8.3 m、13 m；大口徑孔深也在300～900 m左右。氣動潛孔錘正循環鉆進我國石油鉆井已達5000 m以上，地質勘探最大鉆深為2540 m，特別是空氣反循環鉆進在12.25山東平邑石膏礦坍塌事故救援中的成功應用更是創造了亞洲首例、世界第三例大口徑垂直救援的成功案例。多工藝空氣鉆進技術隨著工藝的創新、鉆具的優化，其應用范圍勢必會越來越廣，應用效果越來越好。

表3 地熱井用氣舉反循環鉆進鉆具配套表Tab.3 Matching tools of gas lift reverse circulation drilling tools for geothermal wells

圖6 氣舉反循環地熱井施工現場Fig.6 Construction site of gas lift reverse circulation for geothermal well