空气(泡沫)潜孔锤钻进工艺在王家岭煤矿紧急避险孔中的应用

赵福森，谭家政，杨 晨，张 凯

(中国煤炭地质总局第一水文地质队，河北邯郸056000)

0 引言

2012年初我队受王家岭煤矿委托，负责设计施工王家岭煤矿某盘区紧急避险孔，用于连通地面和井下避难硐室，为发生矿难时井下避难人员持续地输送氧气、实现通讯，争取宝贵的救援时间。钻孔设计孔深322 m，工期40 d，孔底水平位移＜0.5 m，终孔口径300 mm。该工程钻孔垂直度要求高、工期紧，常规泥浆回转钻进工艺机械钻速低、地层漏失、堵漏时间长、工期长、井斜不易控制;空气(泡沫)潜孔锤钻进工艺可有效预防钻孔偏斜，且具有较高的机械钻速。我队采用空气(泡沫)潜孔锤钻进工艺施工，提前向矿方交付了优良工程。

1 地层概况

第四系(Q)地层上部为黄土，下部为亚粘土、粘土、亚砂土，局部夹钙质结核层及砾石层。基岩地层由二叠系(P)上石盒子组(P2s)、下石盒子组(P1x)，山西组(P1s)组成。上石盒子组岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥岩及砂质泥岩，下石盒子组岩性主要以砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，含中—细粒石英砂岩。山西组岩性主要由粉砂岩、泥岩、砂质泥岩及煤层组成。

2 钻孔结构设计

图1 钻孔结构图

3 空气(泡沫)潜孔锤钻进工艺原理

空气潜孔锤钻进工艺是以压缩空气为动力，通过地面管汇和钻柱，驱动潜孔锤以冲击方式碎岩，同时钻机转盘低速回转，带动钻头以剪切方式碎岩，并利用压缩空气经环状空间将孔底岩屑携带地表的钻进方法。空气泡沫潜孔锤钻进工艺是将大量的气体分散在少量含起泡剂的液体中作为循环介质，介质的循环与空气潜孔锤钻进相同。该工艺利用气泡间的相互作用，提高了悬浮、携带、捕尘能力和稳定地层的能力。

4 设备与钻具选择

设备与钻具根据工程要求和现有设备进行选择，主要设备与钻具有:GZ－2000型钻机，ZT－22m型钻塔，DLQ1250XHH/1525XH型空压机，SSC－35、SDC－45型测斜仪，6135－190HP型柴油机，TH220型潜孔锤，泡沫泵，搅拌机，203 mm钻铤，121 mm无磁钻铤，127 mm钻杆，300 mm钻头。

4．1 空压机

本工程钻孔设计孔深322 m，终孔口径300 mm，选用DLQ1250XHH/1525XH型空压机，空气上返速度达到12.42 m/s，风速、风量、风压基本满足空气(泡沫)潜孔锤钻进施工要求。主要技术参数见表1。

空压机的“低压”、“高压”工况可根据孔内背压情况自动转换，“低压”负载运行工况时全风量为43.2 m3/min，“高压”负载运行工况全风量时为35.4 m3/min。

表1 空压机主要技术参数

4．2 潜孔锤

TH220型潜孔锤是以高压空气为动力的新型无阀冲击器，具有冲击能大、穿孔速度快、使用寿命长等优点，可在干式捕尘条件下作业，也可用于风水混合条件下的湿式作业。主要技术参数见表2。

表2 潜孔锤技术参数

4．3 潜孔钻头

该孔钻进地层为煤系地层，潜孔锤钻头优选凹面球齿型(见图2)。该类型钻头有一个向内凹的锥形面，能减少地面设备震动和保持钻孔垂直度，适用于软和较硬岩层，井斜控制能力好。

图2 凹面球齿型钻头

4．4 测斜设备

有线随钻测斜仪SSC－35，电子单多点测斜仪SDC－45，仪器井斜角精度为±0.2°，方位角精度为±5°，配无磁钻铤使用。

5 施工工艺流程

根据紧急避险孔的设计要求，采取泥浆钻进工艺与空气(泡沫)潜孔锤钻进工艺相结合的方式，并用SDC－45型电子单多点测斜仪测量井眼轨迹，如有偏斜，使用SSC－35型有线随钻测斜仪进行纠偏。施工工艺流程如图3所示。

图3 施工工艺流程

6 施工工艺

6．1 试压

设备安装和钻具连接完毕后应进行试压，确保高压管汇及钻具连接处密封。

6．2 潜孔锤试运转

试压工作完毕后接上潜孔锤，在孔口开机供风，检查冲击器的工作状态，正常工作方可下入孔内。操作时使用铁板盖住孔口，水平放置一块厚木板，将潜孔锤竖立放置在木板上供风进行试运转，确保潜孔锤可正常工作。

6．3 钻具组合

6．4 钻进参数

根据水文资料，该区域地层涌水量较小，因此施工时选用“低压、高风量”工况。

钻进参数为:风量43.2 m3/min，风压17～24 bar(1.7～2.4 MPa)，转速45 r/min，钻压15～20 kN。

泡沫灌注量30 L/min;ABS泡沫剂浓度0.3%～0.5%。空气(泡沫)潜孔锤钻进上返风速可根据公式(1)计算，K值取为1。在风量为43.2 m3/min时300 mm钻孔口径环空上返风速为12.42 m/s，虽未达到一般推荐15 m/s的最低上返风速，但根据以往施工经验，在地层涌水量较小，背压不大的条件下，孔深350 m以浅排渣效果亦能达到要求。

式中:V——上返风速，m/s;Q——送风量，m3/min;K——孔内涌水时风量修正系数，K=1～1.5;D——钻孔口径，m;d——钻杆外径，m。

6．5 施工情况

图4 空气潜孔锤钻进

钻进过程中每50 m使用单多点测斜仪投测一次，最终测斜结果见表3。

7 应用效果与注意事项

7．1 应用效果

图5 空气泡沫潜孔锤钻进

表3 王家岭紧急避险孔电子多点测斜数据

该孔应用空气(泡沫)潜孔锤钻进终孔深度317.79 m，总进尺207.79 m，纯钻进时间总计26.0 h，平均机械钻速7.99 m/h，终孔井斜角0.20°，水平位移0.48 m，闭合方位角128.09°。其中空气潜孔锤钻进进尺110.90 m，纯钻进时间7.0 h，机械钻速高达15.84 m/h;空气泡沫潜孔锤钻进进尺96.89 m，纯钻进时间19.0 h，机械钻速5.10 m/h。

7．2 应用注意事项

(1)施工现场相同型号的冲击器应配备2套，相同规格的钻头至少配备2个。

(2)当空气(泡沫)潜孔锤钻进的机械钻速达到30 m/h时，应注意控制钻进速度，增加单回次内排除岩屑的时间和次数。

(3)表层套管应在井口预留一定高度，防止经环空返出的岩屑直接回落孔内。

(4)使用旋转防喷器，改善工作环境，并减少辅助工作时间。若不使用旋转防喷器时，自行研制井口防喷装置。

(5)可在回次完进行有效排渣，必要时可加注一定量的清水或泡沫剂进行冲孔排渣。

8 技术经济分析

我队另外一台机组在王家岭矿区施工的SW1水文补勘孔，与该紧急避险孔相比，二开孔段的基岩地层岩性相近，钻孔口径相近(SW1水文补勘孔口径298.4 mm)，可对两孔的机械钻速、每米综合成本进行对比分析。

8．1 SW1孔施工情况

(1)主要设备:GZ2000型钻机，ZT22型钻塔，TBW850/50型泥浆泵，6135型柴油机(190HP)等。

(3)该孔全孔采用泥浆正循环牙轮回转钻进工艺，一开钻进至孔深105.10 m下表层套管，二开钻进至孔深476.30 m下二级套管。二开孔段钻进总进尺为371.20 m，纯钻进时间431.6 h，两次堵漏时间214.0 h，施工共历时42 d。二开孔段平均机械钻速为0.86 m/h。

8．2 机械钻速对比(见表4)

由表4可知，紧急避险孔二开孔段空气(泡沫)潜孔锤钻进平均机械钻速为7.99 m/h，约是SW1水文补勘孔二开孔段泥浆钻进机械钻速(0.86 m/h)的9倍。

表4 机械钻速对比

8．3 钻孔质量对比

SW1水文补勘孔二开孔段(0～476.30 m)采用ANTS－2型测井仪，测得孔深320 m处井斜角1.3°、方位角193°，测斜数据见表5。而紧急避险孔孔深316.40 m 处井斜角 0.20°、闭合方位 128.09°、水平位移0.48 m。可见，空气(泡沫)潜孔锤钻进工艺相比普通泥浆回转钻进工艺能够很好地控制钻孔偏斜，保证钻孔垂直度。

表5 SW1水文补勘孔测斜数据

8．4 二开孔段综合成本分析

表6 SW1水文补勘孔、避险孔直接成本费用对比

SW1水文补勘孔每米综合成本为820.5元，紧急避险孔二开孔段空气(泡沫)潜孔锤钻进每米综合成本504.8元，比泥浆钻进工艺少了315.7元/m，节约成本38.5%。

9 结语

空气(泡沫)潜孔锤钻进工艺具有以下特点:

(1)确保钻孔垂直度。王家岭煤矿紧急避险孔终孔孔深317.79 m，终孔位移仅0.48 m。

(2)提高钻进效率、节约工期。空气(泡沫)潜孔锤钻进在砂岩、泥砂岩等中硬地层有很高的机械钻速，300 mm口径的机械钻速达到7.99 m/h，实现了快速钻进。

(3)降低施工成本。空气(泡沫)潜孔锤钻进工艺省去了泥浆钻进需要的材料费，节约了水费、钻头费、人工费等。王家岭煤矿紧急避险孔空气(泡沫)潜孔锤钻进工艺比SW1水文补勘孔泥浆钻进工艺二开孔段每米综合成本节约38.5%。

(4)适应漏失地层中钻进，节省堵漏时间和材料，如SW1水文补勘孔施工过程中2次堵漏额外消耗时间214.0 h。

(5)钻进所需钻铤少，通常使用2根钻铤，在小钻压下实现高效钻进。

(6)单机组DLQ1250XHH/1525XH型空压机能力有限，王家岭煤矿紧急避险孔施工时300 mm钻头环空上返风速为12.42 m/s，未达到15 m/s最低推荐上返速度，施工中虽然也取得了很好的效果，但未能充分发挥空气(泡沫)潜孔锤钻进工艺的优势。下一步研究应用2台以上空压机并联、并配置增压机，开展中深井空气潜孔锤钻进工艺研究。

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