空氣潛孔錘鉆進在瓦斯排放井施工中的應用

摘要：介紹了空氣潛孔錘鉆井工藝原理，引進的目的和意義，鉆井參數的確定，并結合韓城桑樹坪礦區地層的實際情況，分析了空氣潛孔錘鉆進效率、施工注意事項，同時提出了幾點認識。

關鍵詞：瓦斯排放井 潛孔錘鉆進 鉆進參數 鉆進效率

1 概述

空氣潛孔錘鉆進技術起源于上一世紀五六十年代，它是以壓縮空氣為動力介質，驅動孔底潛孔錘沖擊碎巖，同時又以壓縮空氣作為洗井介質沖洗孔底的一種鉆進技術。它具有鉆進快、成井質量好、鉆具磨損小、事故率低等特點，廣泛應用于鉆探施工的許多領域，特別適用于干旱缺水地區，在高硬度巖層、卵礫石層、破碎漏失地層鉆進中鉆進效率大幅提高。近年來，隨著我國經濟建設的不斷發展，各類鉆探工程市場越來越大，市場競爭越來越激烈，引進空氣潛孔錘鉆井工藝對提高鉆進效率，降低鉆探成本，增強市場競爭力均具有十分重要的意義。2009年，陜西省煤田地質局131隊在韓城桑樹坪煤礦瓦斯排放井施工中，將TSJ-2000型轉盤式水源鉆機與空氣潛孔錘鉆進技術有機結合，取得了良好的效果。

2 概況

2.1 工程概況

桑樹坪煤礦瓦斯抽放井項目原設計鉆孔2個，孔深550m，鉆孔結構：0-40m，孔徑φ850mm，下φ850mm表層套管；40-550m，孔徑φ650mm，下φ530mm套管。我隊于2008年8月開始施工，先導孔（φ215mm孔徑）采用三牙輪泥漿鉆進工藝，因地層破碎漏失嚴重，采取了多種堵漏方法，耗資巨大沒有效果，歷時5個月孔深不到200m。

在普通工藝難以完成該項目的情況下，我隊征得業主的同意后，修改了施工方案，于2009年元月新購置兩臺壽力1150型空壓機投入該項目的施工。共設計鉆孔11個，其中瓦斯抽放孔10個，注水孔1個。

瓦斯抽放孔：一開采用φ311mm鉆頭鉆進，鉆至穩定基巖后（孔深40m），擴孔至φ450mm孔徑，下入φ325mm表層套管，固井；二開采用φ254mm鉆頭鉆進，鉆至終孔位置，下入φ194mm套管。

注水孔：一開采用？350mm鉆頭鉆進，鉆至完整基巖后，下入φ273mm表層套管，固井；二開采用φ215mm鉆頭鉆進，鉆至終井層位，下入φ139.7mm套管。

2.2 位置與地層

韓城桑樹坪煤礦瓦斯排放井項目位于韓城市王峰鄉水草塔村，地層情況復雜，傾角大、不穩定，易坍塌掉塊，破碎漏失嚴重，地層由上到下概況如下：

①第四系

0-30.00m，上部為黃土、亞砂土和亞黏土，下部為砂質黏土和含礫砂質黏土。

②石千峰組

30-244.00m，上部為暗紫、紫紅色頁巖，片狀泥巖、粉砂巖夾薄層灰綠色細粒砂巖，下部以灰綠、黃綠色粗粒砂巖為主，夾紫紅色砂質泥巖及粉砂巖。

③上石盒子組

244.00-385.00m，黃綠、紫紅、紫雜色粉砂巖及中粒砂巖；淺灰、灰白色中粗粒砂巖，底部砂巖有棱角狀礫巖。

④下石盒子組

385.00-540.00m，灰色、紫雜色粉砂巖及泥巖為主，夾灰綠色、深灰色中細粒砂巖；底部為一層灰白色厚層狀中粗粒長石石英砂巖，含燧石質砂礫巖，為標志層。

⑤山西組

540.00-655.00m，粗～細粒砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質泥巖組成，富含云母及菱鐵礦結核，頂部具鮞狀結構；2#和3#煤層均為可采煤層。

⑥太原組

655.00-725.00m，灰色、灰黑色鋁質泥巖及砂質泥巖，上部夾1-2灰白色中粒石英砂巖，為標志層K3；中部含灰巖一層，為標志層K2；底部富含鋁質，為標志層K1。K3之上為5#煤層，K1之上為11#煤層。

3 施工技術

3.1 主要設備

空氣壓縮機：900XHH/1150XH雙工況空壓機，最大風量32.6m3/min，最大風壓3.45Mpa。

鉆機：TSJ-2000型，最大扭矩18KN.m，最小轉速18r/min。

鉆塔：27m A型鉆塔。

泥漿泵：BW-1200，最大泵量20L/S。

鉆機動力機：12V135柴油機，最大負荷150HP。

鉆桿：φ127mm鉆桿。

空氣潛孔錘：韓國產TD100CAT氣動潛孔錘，錘頭φ311mm、φ254mm和φ215mm。

3.2 鉆具組合

一開：0-40m，φ311mm潛孔錘+φ159mm鉆鋌2根+φ127mm鉆桿+φ108mm方鉆桿。

二開：40-550m，φ254mm潛孔錘+φ159mm鉆鋌4根+φ127mm鉆桿+φ108mm方鉆桿。

3.3 鉆進參數

設定潛孔錘鉆進參數時，除了應該充分考慮巖石的機械性能、沖擊器的性能，還要兼顧鉆井的溫度、深度、水柱壓力、井眼尺寸和巖屑濃度等因素，最佳鉆速的設計要考慮更多的動力及成本消耗，主要包括風壓、鉆壓、轉速、氣量。

①鉆壓

潛孔錘鉆井過程，是在鉆壓、高壓氣流沖擊力、旋轉力三種合力的作用下使井底巖石破碎。其中，鉆壓的作用是保證鉆頭齒能與井底地層緊密接觸，克服沖擊器及鉆具的反彈作用力，以便實時傳遞來自潛孔錘沖擊器的反沖擊力。若鉆壓過小，難以克服沖擊器工作時的反作用力，直接影響沖擊功的快速傳遞；若鉆壓過大，旋轉阻力會相應增加，繼而加劇鉆頭的早期磨損。對于φ254mm潛孔錘全面鉆井，鉆壓一般在8-20kN之間，一般15kN左右最為適宜。

②轉速

一般轉速選擇在15～25r/min為宜，轉速過高會造成鉆頭先期磨損和鉆井機械鉆速的降低，由于潛孔錘是以沖擊破巖的方式鉆井，轉速大小會改變鉆頭合金齒的沖擊破巖相對接觸位置，避免已破碎巖屑重復破碎。因此，合理的轉速應在最優的沖擊間隔范圍之內。最優沖擊頻率的確定，可用兩次沖擊間隔的轉角表示，轉速和鉆頭的沖擊頻率與最優轉角的關系式如下：

A=360N/F

A——最優轉角，度/次；

N——鉆具轉速，r/，min；

F——沖擊頻率，次/min。

為確保硬質合金均勻點擊所在圓周，一般在中-硬巖性地層中鉆進，宜將最優轉角設計成11度/次，鉆頭轉速最好設定為18-30r/min；軟巖層鉆進轉速可適當調高，硬巖層鉆進時轉速要適度放低。

③空氣壓力

空氣壓力是影響潛孔錘沖擊器沖擊力及沖擊頻率的主要因素。沖擊力大小主要取決于空氣壓力的大小。同時，機械鉆速相關參數的設定也在很大程度上受空氣壓力的影響，空氣壓力越大，機械鉆速越快。空氣壓力除滿足潛孔錘工作壓力外，還須克服井內鉆具水眼壓力降、環空壓力降、潛孔錘壓力降等損耗，如遇含水地層，還須克服水柱靜壓力才能保證正常鉆進。

④空氣量

空氣鉆井中空氣消耗量主要以氣動潛孔沖擊器的耗氣量及其攜帶井內環空巖屑的最低上返速度為依據而定。按照鉆進要求，鉆進階段為維持井底清潔、攜帶環空巖屑返出井口，全面鉆進時空氣循環介質上返速度為20～25m/s。因此，應按下列公式計算注入空氣量：

Q=47.1k1k2（D2-d2）v

Q——鉆進時所需空氣量，m3/min；

k1——井深損耗系數（井深100～600m以內取1.0～1.3）；

k2——井內涌水時風量增加系數（k2取值與涌水量有關，中等涌水量k2取1.1～1.5）；

D——環空直徑，m；d——鉆桿外徑，m；

v——環空氣流上返速度，m/s。

3.4 操作注意事項

①鉆具內孔時刻保持清潔，否則容易卡住潛孔錘活塞，同時也能降低內缸套和活塞的磨損程度；

②鉆進至井底0.3m時送風，風返回井口后開鉆掃到井底，帶潛孔錘開始運行后調整參數正常鉆進；

③加鉆桿時鉆具須提離井底，待主動鉆桿出井口后聽風，加鉆桿；

④完成上一部操作后先對井底沉渣進行檢查，若沉渣有半米厚，則須清渣再繼續鉆進；

⑤鉆深百米以上后，孔徑大于200mm，每鉆進6～9m清渣一次，實施觀測巖屑數量，直至送風將巖粉徹底返出再繼續鉆進，以免井壁儲存大量巖屑造成埋鉆事故；

⑥結束一個回次后徹底檢查潛孔錘，尤其要注意鉆頭卡銷、絲扣連接處等關鍵節點，以免鉆進時零件松脫掉入井中；

⑦每回次要從鉆桿口加油機，確保沖擊器和錘頭的潤滑；

⑧鉆遇粉煤層，要加大沖孔時間，一般10-15分鐘，防止煤層倒塌，鉆具遇阻。

4 使用效果

注水井二開采用Φ215mm潛孔錘鉆進，施工中遇薄煤層時比較順利，遇厚煤層則需反復幾次，但整口井的施工總體順利。

6#和10#井采用Φ254mm潛孔錘施工，6#井鉆至516m、10#井鉆至503m時，由于地層漏風嚴重，兩臺空壓機并聯工作，到此井深錘頭接觸井底都無沖擊能力，空壓機風量減小不能正常工作。

此后采用泥漿堵漏后牙輪鉆進，兩井施工時間較長，費用很大。

后來又購置了一臺阿特拉斯XHP1070型空壓機，采用三機并聯進行施工，并聯后風壓不變，風量明顯增加。采用φ254mm空氣潛孔錘可以直接鉆進到550多米的終孔位置，單孔用時30至40天，4#井僅用20多天完井。

根據施工記錄統計，采用空氣潛孔錘鉆進，平均每一單根用時15min，加桿用時20min，一單根長約9.5m，純鉆時效38m/h，由于加桿及沖孔輔助時間的影響，平均實際鉆效約12m/h，比常規三牙輪鉆進時效提高5-10倍。

5 結論

空氣潛孔錘鉆井使機械鉆速成倍提高，大大縮短鉆井周期；沒有鉆井液、堵漏的材料消耗和費用，降低了鉆井的綜合成本；也是干旱缺水地區以及嚴重漏失地層鉆井施工中可采用的有效方法。

參考文獻：

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[2]黃洪春，盧紅.用空氣鉆井開發晉城煤層氣技術研究[J].煤田地質與勘探，2003（04）.

[3]劉景輝，譚效林，路慶海，趙聯忠.空氣潛孔錘鉆進是提高鉆進效率的有效途徑[J].中國煤炭地質，2009（03）.

作者簡介：

陳玉江（1968-），男，陜西山陽人，1989年畢業于陜西煤炭工業學校鉆探工程專業，鉆探工程師，從事鉆探技術管理工作。