多工艺空气钻进钻具配置研究

2021-03-02程林满国祥孔令沪解少朋王士昭郎坤飞郭云开

地质装备 2021年1期

程林，满国祥，孔令沪，解少朋，王士昭，郎坤飞，郭云开

(1.河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄 050081；2.河北石探机械制造有限责任公司，石家庄 050081)

0 概述

多工艺空气钻进技术包含：气动潜孔锤钻进、气举反循环钻进、空气反循环钻进等，它的实质主要是用压缩空气或压缩空气的气液混合物作为钻进时的循环冲洗介质，或者破岩机具之动力，又兼作冲洗介质的一种钻进方法。多工艺空气钻进对于加速改变我国钻探长期使用泥浆正循环钻进落后局面，解决复杂地层正循环无法实现钻进的难题，提高钻进效率，降低钻探成本，减少孔内事故，减轻劳动强度，缩短同国外先进钻探技术的差距，有着十分重要的意义。到目前为止多工艺空气钻进技术涉及的产业化应用领域有：水井、地热井、煤层气井、页岩气井、大口径瓦斯排放井、大口径矿山抢险救援井、地热井和石油井修井、大口径工程井尤其大口径旋挖钻机入岩钻进，地质勘探空气反循环钻进等。

1 气动潜孔锤正循环钻进

空气潜孔锤正循环钻进就是把破碎岩石的钻头和一个能产生冲击作用的气动装置潜入孔底进行钻进的一种工艺方法，这个气动装置叫冲击器，它是以压缩空气为动力的一种风动冲击工具，它所产生的冲击功和冲击频率可以直接传给钻头，然后再通过钻机和钻杆的回转驱动，形成对岩石的破碎能力，同时利用冲击器排出压缩空气，对钻头进行冷却和排粉，从而实现孔底冲击回转钻进的目的。从岩石破碎的角度来看，潜孔锤钻进是以冲击碎岩为主，而回转是改变冲击碎岩位置同时起辅助碎岩作用。因此钻进效率的高低，在很大程度上取决于冲击器的性能和质量。潜孔锤钻进是属于空气钻进的一个分支，因为它是把压缩空气既作为冲洗介质，又作为碎岩能量的一种回转钻进方法，其重要特点是钻进硬岩效率高、钻头使用寿命长、回转速度低、扭矩小、轴心压力轻。

图1 空气正循环钻具连接简图Fig.1 Connection diagram of air positive circulation drilling tools

空气潜孔锤钻进的在钻具选择上优先选用外平式钻杆，钻具连接及配置见图1、表1。因为排渣的上返空气流速一般在10～20 m/s，在高流速下，外平式钻杆与钻孔可形成稳定的环隙上返截面，上返风速稳定，给大颗粒钻渣排除提供便利条件，可更好地实现气动潜孔锤快速钻进；在钻机设备允许的前提下应尽可能配置大直径钻具，以减小上返截面，提高上返速度，提高钻进效率。

表1 常用空气潜孔锤正循环钻进钻具配套表Tab.1 Matching of tools normal air down-the-hole hammer for positive circulation drilling

气量计算见公式(1)。

(1)

式中：Q为所需风量，m3/min；V为空气上返速度，≈1200 m/min；D为井孔直径(上部套管直径)，mm；D为钻杆直径，mm；R为井孔半径(上部套管半径)，mm；R为钻杆半径，mm。

在钻压选择上，潜孔锤钻进随属低压钻进，但适当配置钻铤可起到提高效率、延长钻具使用寿命的目的，一般根据钻孔直径按每毫米直径9公斤钻压计算选择钻压。STD 500型全液压履带钻机配套114外平钻杆进行空气潜孔锤正循环工艺水井施工现场见图2。

图2 空气潜孔锤正循环水井施工现场Fig.2 Construction site of air DTH hammer positive circulation for water well drilling

2 气动潜孔锤反循环钻进

气动潜孔锤反循环钻进钻渣通过双壁钻具的内孔上返，具有钻渣上返速度快、钻渣易收集、耗气量少等优点。目前实现气动潜孔锤反循环钻进的常用方式有两种，一种是双壁钻具+阻风环+正反转换接头+正循环潜孔锤的组合方式，此种正反转换式空气反循环多用于大口径钻孔的快速施工，如矿山应急救援用救生孔的施工；另一种是双壁钻具+贯通式反循环潜孔锤的组合反方式，此种空气反循环钻进方式多用于小孔径连续取样孔的施工，如砂金勘探取样。

气动潜孔锤反循环钻进钻杆柱连接比较简单，钻具连接及配置见图3、表2，小直径空气反循环钻孔钻杆均为外平式双壁钻杆，外平式双壁钻杆可在较小直径的钻孔施工中形成较大上返内通道，提高钻进效率；在大直径钻孔中通常采用大直径常规式双壁钻杆，大直径径反循环气动潜孔锤钻孔直径大，要求岩屑上返及时，要求岩屑上返通道直径尽量大，一般要求反循环钻具通孔100mm以上。另外配套的钻杆、钻铤等大直径钻具，整个钻杆柱重量大，要求钻机的提升能力大，配套的水龙头、气盒子承受的提升力也要大。宝峨PB-T100拖车式全液压动力头钻机配套φ219/152双壁钻具，采用正反转换式空气反循环工艺进行地热井一开施工应用见图4。

图3 空气反循环钻具连接简图Fig.3 Connection diagram of air reverse circulation drilling tools

3 气举反循环钻进

气举反循环钻进工作原理同空压机气举抽水工作原理相类似，即将压缩空气通过气水龙头或气盒子，经双壁主动钻杆、双壁钻杆的内管和外管之间的环状间隙从混合器处喷入内管，形成无数小气泡，气泡一面沿内管迅速上升，一面同时膨胀，由于压缩空气不断进入井液，在混合器上部形成低比重的气水混合液，而井中的液体比重大，根据连通器原理内管的气水混合液在压差作用下向上流动，把孔底的岩芯或岩屑连续不断带出地表。排入连续取样装置进行分离，岩渣到地面可及时清走，净化后的液体从下部流入泥浆池返回孔中，经孔底进入钻杆内补充循环液空间，如此不断循环形成连续钻进的过程，气举反循环钻进效率主要取决于压缩空气的压力和风量以及混合器沉没在水中的深度。

气举反循环钻进用钻具要求内通径尽可能一致，这样管路不易堵塞，即使堵塞了，也易于排除，钻具连接及配置见图5、表3。气举反循环钻进在深井施工中应用时多采用高钢级摩擦焊钻杆作为外管，内管通径尽可能取大，这样有利于排渣从而提高钻进效率。另外，气举反循环携带上来的三相流在整个上返过程中不流经任何工作机械，设备磨损小。车载ZJ20钻机配套φ127/70双壁钻具，采用气举反循环工艺进行地热井施工应用见图6。

表2 矿山应急救援空气反循环钻进钻具配套表Tab.2 Matching tools of air reverse circulation drilling for mine emergency rescue

图4 正反转换式空气反循环地热井施工现场Fig.4 Construction site of positive and negative conversion type air reverse circulation geothermal well

图5 气举反循环钻具连接简图Fig.5 Connection diagram of gas lift reverse circulation drilling tools

4 结语

实践表明多工艺空气钻进技术具有许多优越性，在各种钻探领域中应用均取得了显著的经济效益。该项技术经多年的不断创新，一系列研究成果推动了我国钻探技术水平的提高。气举反循环钻进技术应用最大钻深达到4500 m，洗井、修井深度达到3500 m，不同领域最大孔径为1.2 m、8.3 m、13 m；大口径孔深也在300～900 m左右。气动潜孔锤正循环钻进我国石油钻井已达5000 m以上，地质勘探最大钻深为2540 m，特别是空气反循环钻进在12.25山东平邑石膏矿坍塌事故救援中的成功应用更是创造了亚洲首例、世界第三例大口径垂直救援的成功案例。多工艺空气钻进技术随着工艺的创新、钻具的优化，其应用范围势必会越来越广，应用效果越来越好。