地浸工藝鉆孔開窗切割方法應用研究

邱化村，馬玉君，李溪清

（核工業二一六大隊鉆探工程院，烏魯木齊 830011）

核工業二一六大隊鉆探工程院在新疆伊犁蒙其古爾地區長期從事地浸工藝鉆孔施工，積累了豐富的鉆探施工技術和施工組織管理經驗。本文緊密結合伊犁地浸工藝鉆孔施工案例，就鉆孔開窗切割的施工方法展開討論。

1 開窗式切割鉆孔概述

開窗式切割鉆孔是指在鉆孔裸孔內安裝硬聚氯乙烯（UPVC）井管，將井管外環空全部揭露地層用水泥封死，然后在井管內將礦層段切開并安裝內置過濾器的鉆孔。該鉆孔施工分為一次成井和二次成井兩部分，其中一次成井采用Φ244 mm 鉆頭開孔，施工至含礦含水層頂板位置，更換Φ215 mm 鉆頭施工至設計孔深進行綜合測井，根據設計要求，安裝UPVC 井管，在井管內部下入Φ50 mm 注漿管，進行逆向水泥固井，直到孔口返漿，完成一次成井。鉆孔候凝10～15 d后，在井管內部下入Φ60 mm 鉆桿連接切割器進行礦層段開窗切割施工，鉆孔開窗切割完成后依次進行清渣沖孔、測井、內置過濾器安裝、逆向填礫、洗井工序，最終完成二次成井[1]。開窗式切割鉆孔結構如圖1所示。

圖1 開窗式切割鉆孔結構

2 施工設備與材料的選擇

2.1 切割鉆機的選擇

鉆孔開窗切割工藝施工需要通過鉆機帶動Φ60 mm鉆桿在井管內回轉，為切割器提供動力。根據鉆孔開窗切割技術要求，選擇巖心立軸式鉆機較為適合，其優點為鉆塔可立鉆桿柱，配有擰管機，提下鉆方便快捷，鉆機配有足夠儀表，利于掌握孔內情況，操縱手柄少且布局合理，操縱靈活可靠。轉速級數多，低速扭矩大，鉆機卡盤采用液壓柱銷式，夾緊可靠，設備整體質量較小、可拆性好，便于搬遷，滿足鉆孔開窗切割工序的技術要求。推薦使用XY-5、XY-6N、XY-6B 等型號鉆機。

2.2 切割泥漿泵的選擇

目前，地浸工藝鉆孔切割位置深度為450～650 m，采用NBB 系列泥漿泵較為合適。該種泥漿泵為曲柄連桿結構、三缸單作用的臥式活塞泵，活塞為唇形自封式，由橡膠及尼龍保護墊壓制而成，配有抗震壓力表及必要的備件、拆裝工具等，可變多種流量。

2.3 切割器的選擇

選擇使用TYD-114/300 型液壓偏心單刀切割器[1-2]。

2.3.1 結構

該切割器主要由5 部分組成，上部為偏心缸，下部為偏心刀架，側面為偏置刀片，中間為偏心推桿（齒桿）和復位彈簧，如圖2 所示。

圖2 TYD-114/300 型液壓偏心單刀切割器結構

2.3.2 工作原理

缸內活塞與推桿相連，推桿下端帶齒條，通過齒條與刀片齒輪相嚙合，刀片用銷軸固定在刀架上，從活塞至刀桿底端有水孔貫穿。工作時，泥漿泵輸送的高壓水推動活塞向下運動，活塞進而推動推桿（齒桿）向下運動，推桿推動刀片垂向旋轉，使刀片從刀架內伸出，然后旋轉刀片實現切割[3-4]。

2.3.3 工作參數設計

最大工作壓力為4 MPa，最大液壓推力為20 kN，刀頭最大壓力為4.72 kN。節水嘴直徑為6 mm，最大過水量為260 L/min。

2.3.4 強度設計

刀片材質為42CrMo 合金鋼，其屈服強度為930 MPa，即9 300 kg/cm2。鉆機最大扭距（蹩車時）為5 000 N·m，刀片力臂長度為6 cm，所受最大扭力為83.33 kN，割刀截面積為23 cm2，刀片最大剪應力為362 kg/cm2，考慮沖擊載荷30%，最大剪應力取470 kg/cm2。

2.4 沖洗液的配制

主劑可選羧甲基纖維素鈉、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、水解聚丙烯腈鈉、羥丙基瓜膠和植物膠等，輔劑可選硼砂、腐鉀和食鹽等，其配比為主劑的0.2%～0.5%，黏度為5～10 mPa·s，漏斗黏度為18～20 s[5]。主劑加入水中要充分散開，可裝在篩網筒里晃動撒入。攪拌機攪制的沖洗液入池前，要用過濾篩濾渣。

3 開窗切割方法及對比

3.1 開窗切割方法

開窗切割方法主要有3種，一是回轉切割，二是螺桿鉆具切割，三是復合切割。

3.1.1 回轉切割

回轉切割是利用鉆機立軸回轉帶動鉆桿轉動，為切割器提供動力，達到鉆孔開窗切割的目的。由于UPVC 井管強度較低，為避免鉆桿轉動損壞井管而出現漏水點，只能采用低擋速進行切割施工，以XY-6B 型巖心鉆機為例，1 擋轉速僅為80 r/min，切割效率較低。回轉切割鉆具有：主動鉆桿（Φ65 mm）+鉆桿（Φ50 mm/Φ60 mm）+滑動扶正器（Φ90 mm/Φ100 mm）+切割器；短桿若干，長度有0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m。

3.1.2 螺桿鉆具切割

螺桿鉆具是一種把液體的壓力能轉換為機械能的能量轉換裝置。高壓液體進入鉆具，迫使轉子在定子中滾動，馬達產生的扭矩和轉速通過萬向軸傳遞到傳動軸和切割器上，從而達到鉆孔開窗切割的目的。螺桿帶動切割器轉動時，由于PVC 井管、水泥環、礦層切割阻力易導致鉆桿反轉，造成鉆桿卸扣脫落等井內事故，單靠螺桿轉動（轉速60 r/min）的切割效率較低。螺桿切割鉆具有：主動鉆桿（Φ65 mm）+鉆桿（Φ50 mm/Φ60 mm）+螺桿（Φ102 mm）+切割器；短桿若干，長度有0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m。

3.1.3 復合切割

復合切割是利用鉆機立軸回轉帶動鉆桿轉動，同時泥漿泵通過高壓泥漿帶動螺桿傳動軸轉動，二者一起為切割器提供動力，達到鉆孔開窗切割的目的。切割轉速可達到140 r/min，切割效率相對提高。復合切割鉆具有：主動鉆桿（Φ65 mm）+鉆桿（Φ50 mm/Φ60 mm）+自制滑動扶正器（Φ90 mm/Φ100 mm）+螺桿（Φ102 mm）+切割器；短桿若干，長度有0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m。

3.2 開窗切割方法優缺點

通過對比回轉切割、螺桿鉆具切割和復合切割，將3 種切割方案優缺點總結，如表1 所示。

表1 不同開窗切割方法對比

4 開窗切割存在的問題及應對措施

開窗切割主要存在兩個問題。一是刀具有磨損，開窗切割速度慢。通過對切削柱的形狀改進，利用切削柱棱角對UPVC 管進行開窗處理，加快了UPVC 管開窗速度，縮短開窗時間，降低切削柱的磨損，提高了刀具的使用效果。二是隨著切割空間增大，切割腔水流速度降低，泥漿攜帶能力變差，導致塑料片返渣不暢。可增加清孔返渣鉆具清孔時的泵量，清渣鉆具上加裝撈渣筒撈渣，采用Φ108 mm 巖心管加工制作，撈渣效果較好。

5 結論

本文通過梳理開窗式切割鉆孔施工工藝流程，總結切割鉆探設備選擇、沖洗液配制與開窗切割施工的方法，分析施工過程中面臨的主要問題，提出相關應對措施。研究表明，鉆孔開窗切割施工適宜選擇XY-5 型巖心立軸式鉆機，搭配NBB260/7 型或NBB390 型泥漿泵，配制無固相沖洗液；開窗切割宜采用復合切割方式，該切割方法通過加裝扶正器控制井管損壞程度，切割效率較高；改進切割刀片，加快了UPVC 井管開窗速度，縮短了開窗時間，降低了切削柱的磨損，提高了刀具使用效果。自制撈渣筒簡單方便，撈渣效果較好，能滿足切割鉆孔撈渣要求。