貴州復雜地層深井空氣潛孔錘鉆進設備機具配置的探討

趙華宣，王玉軍，張　平，曾遠明，陳　浩，蘇　寧

（貴州省地礦局114地質大隊，貴州遵義563000）

貴州復雜地層深井空氣潛孔錘鉆進設備機具配置的探討

趙華宣*，王玉軍，張平，曾遠明，陳浩，蘇寧

（貴州省地礦局114地質大隊，貴州遵義563000）

結合空氣潛孔錘鉆進技術在貴州復雜地層深井應用，介紹了深井空氣潛孔錘鉆進設備機具的組合配置及鉆進效率，分析總結了復雜地層、大井徑深井空氣潛孔錘鉆進對設備機具配置的要求，認為合理的設備機具配置可有效提高井效率、是實現復雜地層深井空氣潛孔錘高速、安全鉆井必備條件。

復雜地層；深井；潛孔錘鉆進；設備機具；合理配置

貴州省地熱資源十分豐富，埋藏深度多在2000m左右，但地熱資源勘探起步較晚，新工藝應用研究不足，鉆井技術主要以牙輪正循環回轉鉆進，鉆井周期長、效率和效益偏低，制約了地熱鉆井業的發展和地熱資源的開發利用。為加快開發地下資源利用進程，貴州省提出了“246”找礦計劃和“5個100工程”及建溫泉省、公園省的戰略目標，亟需加快深井鉆井新技術、新工藝的應用研究，以此，進行了復雜地層深井空氣潛孔錘鉆進技術的應用研究，以提高深井鉆井能力和鉆井效率。

貴州省屬典型的喀斯特地區、地層復雜，深井鉆遇地層結構為碳酸巖與碎屑巖相互重疊。碳酸巖地層溶蝕裂隙發育、軟弱夾層多、鉆進中漏風、涌水大（淺表層尤為嚴重），加桿時氣壓力大、排余氣時間長；碎屑巖的泥頁巖穩定性欠佳、鉆進中多見超徑、井壁掉塊、垮塌等不良現象。不同地層、井徑、深度對設備機具的配置要求不一，為探索復雜地層深井空氣潛孔錘鉆進對設備機具配置要求及規律，在3口地熱深井的不同地層、井徑、深度進行了空氣潛孔錘鉆進設備機具配置研究。

1　試驗井設備機具配置組合情況

試驗井設備配置組合：試驗井地層有溶蝕裂隙發育、涌水的碳酸巖地層和穩定性欠佳的碎屑巖層，試驗井段?216mm～?406mm，最大試驗深度1193.26m，試驗設備組合為2～3臺空壓機及增壓機。試驗井設備配置組合及鉆進情況見表1。

存在的問題：從表1數據分析，試驗中因設備調配數量、損壞等設備因素，在不計復雜井況耗損時大井徑段供風量不足，加上地層涌水、超徑、溶蝕裂隙漏風等影響，井內實際上返風速較計算值小，致鉆速偏低影響鉆進效果，但鉆速較常規工藝（統計鉆速為0.8～1.2m/h）明顯提高，實現鉆井效率的提升。

2　試驗井機具配置組合情況

2.1試驗井特殊機具

試驗井空氣潛孔錘鉆進施工中，無水地層鉆進灰塵大影響周邊環境和作業人員健康；涌水的碳酸巖層、井深和增壓機增壓，鉆具內空氣量大、壓力大，加桿排余氣時間長致輔助時間增加，同時巖溶裂隙漏風影響排渣效果及碎屑巖地層隨井深增大的供風量加大了井壁的沖刷而影響穩定和超徑段影響排渣效果。試驗井中使用特殊機具如下：

（1）井口密封除塵裝置：鉆進無水的碳酸巖地層、碎屑巖層，鉆進中灰塵大，影響周邊環境和人員健康，鉆井設備底座（操作平臺）高度多在3m以內，在井管上連接簡易井口密封除塵裝置（圖1），除塵時連接抽水泵注水除塵，注水量根據鉆進速度將鉆進產生的灰塵完全除去，一般8～10m3/h。

（2）單向閥：防止鉆具內空氣逆向流動，加在鉆具上可有效防井底余屑上返堵塞潛孔錘及減少加桿排氣降壓、起壓時間，縮減輔助工作時間和潛孔錘堵塞故障的發生。

表1　試驗井設備配置及空氣潛孔錘鉆進情況

（3）旁通閥：空氣潛孔錘鉆井隨著井深的增加及鉆遇復雜情況（井內涌水、裂隙漏風、井壁輕微掉塊）需增加供風量，供風量的增加使潛孔錘風量過盈致潛孔錘非正常磨損、減少其使用壽命及增大井壁沖刷加劇欠穩定井段失穩；同時復雜井況使局部井段排屑困難，在鉆具一定位置設旁通閥，滿足潛孔錘正常工作外的余氣從旁邊通眼返出，從而實現防風量過盈磨損潛孔錘、減弱井壁沖洗和接力排屑。

2.2試驗井機具組合及效果

鉆進中機具組合主要根據鉆井地層、井徑、井深進行組合，各井段機具組合如下：

（1）?406mm井段鉆具組合：?406mm錘頭+ TS12沖擊器+?203mm鉆鋌（2柱）+?127mm鉆桿（1單根）+單向閥（NC50）+?127mm鉆桿（若干）+單向閥（NC50）+主桿。

（2）?315mm/?320mm井段鉆具組合：?315mm （?320mm）錘頭+TS12沖擊器+?203mm鉆鋌（2柱）+ ?127mm鉆桿（1單根）+旁通閥（NC50）+?127mm鉆桿（1單根）+單向閥（NC50）+?127mm鉆桿（若干）+旁通閥（NC50）+?127mm鉆桿（若干柱）+單向閥+主桿。

圖1　井口裝置圖

（3）?216mm/?220mm井段鉆具組合：?216mm （?220mm）錘頭+TS8沖擊器+?165mm鉆鋌（3～4柱）+?89mm鉆桿（1單根）+旁通閥（NC38）+?89mm鉆桿（1單根）+單向閥（NC38）+?89mm鉆桿（若干）+旁通閥（NC38）+?89mm鉆桿（若干柱）+單向閥（NC38）+主桿。

機具組合效果：鉆進試驗井中，使用單向閥縮減加桿排氣（起壓）時間和減少潛孔錘堵塞事故、有效減少輔助工作時間，使用旁通閥減弱驟增風量對井壁的沖刷和接力排渣，使用井口密封除塵裝置保護了工作環境，通過有效的機具組合實現了高效環保鉆進。

3　復雜地層深井設備配置組合

空氣潛孔錘鉆進設備組合為空壓機（增壓機）組合及附屬設備，空壓機（增壓機）組合形式取決深井鉆井所需的風量及風壓，復雜地層鉆進多遇溶蝕裂隙涌水漏風、軟弱夾層掉塊、超徑、垮塌等復雜井徑，設備的配置組合應滿足井徑、井深及復雜井況對供風量和風壓的要求。風量和風壓需綜合井徑、井深及可能出現的地層涌水、軟弱層超徑帶來的能量損耗等因素，風量、風壓計算見式（1）、式（2）得出參考值，再根據現場情況確定。

風量計算式：

式中：Q——風量，m3/min；

k1——孔深修正系數，隨著孔深增加，環狀間隙壓力損失增大，導致流量減小，一般100～200m時取1.05～1.1，200～500m時取1.1～1.25，500～1000m時取1.25～1.5，1000m以上時取1.5；

k2——孔內有涌水時的風量增加系數，與涌水量有關，中小涌水時，取1.5；

D——鉆孔直徑，m；

d——鉆桿外徑，m；

v——上返風速，深井鉆進取20～25m/s。

井徑、井深所需供風量見表2（供風量單位為m3/min，表中計算值未考慮涌水、漏風及超徑等復雜井況）。

風壓計算式：

式中：P——風壓，MPa；

表2　地熱深井深用井徑、井深所需供風量

Q2——每米干孔的壓力降（一般為0.0015MPa/m）；

L——鉆桿柱長度，m；

Pm——管道壓力損失，取0.1～0.3MPa；

Pc——潛孔錘壓力降，MPa；

Ps——鉆孔內水柱壓力。

復雜地層深井空氣潛孔錘鉆進設備配置及要求：

（1）空壓機配置組合：為滿足復雜地層深井鉆進要求，空壓機配置組合為采用多臺空壓機聯動（并列）供氣，供氣量除滿足所鉆井徑、井深的要求外還應有一定余量（一般超30%以上），以應對涌水、涌風、超徑等復雜井況的要求，另聯動空壓機壓力匹配應盡量一致以防低壓力的空壓機卸載不送風而降低實際供風量。

（2）增壓機配置：深井鉆進中應根據供風壓力需求配置增壓機，從公式（2）可得，隨著鉆進深度的增加，所需供風壓力增大，特別是井內涌水情況下，風壓增高較快，當供風壓力超過空壓機壓力時，需采取增壓機增壓以滿足要求，增壓機的壓力應滿足鉆井深度的要求，配置數量根據增壓機的設計能力，通常為2拖4、1拖3。

（3）其他附屬設備：在復雜地層深井空氣潛孔錘鉆進中，常出現空壓機配置量不足或使用中損壞致不能滿足供風量的要求及潛孔錘需經常補油潤滑等因素，還應配置相應的附屬設備。

①泡沫輸送泵：在供風量不足或不能滿足復雜井況要求而排渣效果差、井底巖渣堆積較多，地層滲水、井壁濕潤鉆粉粘附井壁形成泥環排渣不暢，從送風管匯注入泡沫溶液，利用泡沫液的強攜帶能力及瞬間釋放形成井噴將鉆粉（渣），泡沫泵應為變量泵，排量一般15～30L/min。

②注油泵：鉆進中潛孔錘中的配件需油潤滑，可在地面的高壓管路上并聯可調式的注油泵以不間斷的供油潤滑，提高潛孔錘的壽命。

綜上所述，為提高復雜地層深井空氣潛孔錘鉆進的鉆進效率和井內安全，設備的配置組合除滿足井徑、井深的要求外，還應滿足復雜井況和可能發生異常情況的要求，設備配置組合見表3。

表3　復雜地層深井空氣潛孔錘鉆進設備配置組合

4　結論與建議

通過復雜地層深井空氣潛孔錘鉆進試驗的設備機具配置組合分析總結，結論與建議如下：

（1）空氣潛孔錘鉆進可大幅提高鉆進效率，實現高速鉆進和快速成井。

（2）有效的設備機具組合是實現高速安全鉆進的前提。

（3）復雜地層鉆進，供氣量除滿足所鉆井徑、井深的要求外還應有一定余量，以應對涌水、涌風、超徑等復雜井況的要求。

（4）聯動組合空壓機壓力匹配應盡量一致以防低壓力的空壓機卸載不送風而降低實際供風量。

（5）應選擇具有防脫（鉆頭脫掉）功能潛孔錘（長沙天河），以防錘頭掉脫。

P634

A

1004-5716（2016）09-0046-04

2016-04-16

2016-04-18

貴州省社會發展科技攻關資助項目“貴州復雜地層深井鉆探工藝應用研究”（編號：黔科合SY字［2015］3002）。

趙華宣（1968-），男（苗族），貴州思南人，高級工程師，現從事鉆井工程工作。