空气潜孔锤在矿山大口径钻井中的应用

2015-12-19李海涛盛智炜

西部探矿工程 2015年12期

关键词：潜孔空压机钻具

李海涛，盛智炜

（河南省煤田地质局四队，河南平顶山467000）

空气潜孔锤在矿山大口径钻井中的应用

李海涛*，盛智炜

（河南省煤田地质局四队，河南平顶山467000）

随着钻探技术的发展，冲击回转钻进在我国得到越来越多的应用，但受设备工艺限制，多应用于煤田地质勘查中，矿山大口径井施工较为罕见，由河南省煤田地质局四队2014于山西大同施工的大口径抽水井，使用SPMS80冲击器进行生产试验，共计施工3口大口径井，累计进尺1226.35m，试验最大孔深453.30m，对比常规回转钻进，效率大幅提高，取得了良好效果。

大口径；潜孔锤；采空区

1 工程概况

由于煤峪口矿406盘区，同家梁矿南2、北2盘区11#、14#采空区存在大量积水，根据矿井防治水工作的要求和生产衔接的需要，为有效防止11#、14#采空区积水对下覆煤层的威胁,从根本上消除、杜绝、减小可能造成的危害，决定在地面施工大孔径抽水孔3个（煤峪口矿406盘区1个，同家梁矿北2盘区、南2盘区各一个），抽取采空区积水。

本文取其中一最深钻孔做出研究。

项目名称：永定庄矿石炭系延伸主水仓钻孔工程。

工程规模：施工孔深426m，孔径Ø350mm。

2 主要设备及参数

GZ-2600钻机，XRVS 476型空压机一台，XRVS 976型空压机一台，PESG760空压机一台，SPMS80冲击器，Ø350mm钎头。

SPMS80冲击器性能参数：

工作气压（MPa）：1.0～2.1；耗风量（m3/min）：12～31；冲击功（J）：1560；冲击次数（次/min）：860～1510。

PESG760空压机性能参数：

排气量：21.7m3/min；额定排气压力：1.4MPa。

XRVS 476型及XRVS 976型空压机性能参数：

排气量：27.7 m3/min；额定排气压力：2.5MPa。

3 地层情况及钻进参数

根据地质资料，钻孔钻遇底层自上而下依次为第四纪地层及侏罗纪大同组地层，主要以可钻性5～7级石英砂岩为主，夹杂少量3～4级泥岩、砂质泥岩。

空气潜孔锤碎岩方式不同于常规钻进的切削与研磨原理，它是将压缩机产生压缩空气的能量通过空气潜孔锤这个能量转换装置，对需要破碎的岩石施加高频的冲击载荷，当这个能量（冲击功）达到岩石的临界破碎功时，便产生体积破碎，同时工作后的气体在一定的风速条件下将岩石颗粒排出孔外以实现连续钻进。因此，合理的选用钻进技术参数是取得理想钻进效果的基本条件。

空气潜孔锤钻进由于改变了碎岩方式，即以冲击体积破碎代替了磨削或切削破碎，所以其钻进规程参数与一般回转钻进有较大不同。据文献，钻进规程采用施工参数如表1所示：

表1 施工参数表

（1）钻压。空气潜孔锤钻进是在静压力（钻压）、冲击力和回转力3种力的作用下实现岩石破碎的。其钻压主要作用是保证钻头齿能与岩石紧密接触，克服冲击器及钻具的反弹力，以便有效地传递来自冲击器的冲击功。钻压过小，难以克服冲击器工作时的背压和反弹力，直接影响冲击功的有效传递；钻压过大，将会增大回转阻力，还将造成钻头过早磨损。

空气潜孔锤钻进的钻压主要取决于地层岩石的硬度，自软至硬，钻压由小到大。根据收集的资料，潜孔锤反循环钻进压力的推荐值，在软至中硬岩层为2.94～4.9kΝ，即单位面积上的钻压为41～68Ν/cm2。钻压的合理选择应考虑钻进方式的变化（如低压还是高压，因工作压力的不同而背压不同），目的是最大限度地减少钻具及钻头的磨损。

（2）转速。潜孔锤钻进属于慢回转钻进方法的一种，合理的转速选择，对钻头寿命乃至钻进成本控制至关重要。它主要跟冲击器所产生的冲击功的大小、冲击频率的高低、钻头的形式以及所钻岩石的物理力学性质有关。要求岩石面均匀破碎，破碎下来的岩屑能及时被空气介质所清除，潜孔锤钻进无切削和剪切作用，所以无需较大的线速度。

转速太快，对钻头的寿命不利，特别在研磨性强的岩层，将使钻头外围的刃齿很快磨损和碎裂。如果转速太慢，则将使柱齿冲击时与已有冲击破碎点（凹坑）重复，导致钻速下降。一般的做法是，岩石愈硬或钻头直径愈大，选用的转速愈低。

冲击钻进钻速的高低主要和冲击器频率、规格以及岩石的物理机械性质有关，为避免重复破碎，合理的转速应保证在最优的冲击间隔范围之内。

最优冲击间隔的确定，多采用2次冲击间隔的转角表示，转速与冲击频率和最优转角的关系如下：

式中：A——最优转角，（°）；

n——钻具转速，r/min；

f——冲击频率，次/min。

根据资料推荐，在硬岩中2次冲击之间的最优转角为11°。因而，在某些严重裂隙性岩层中钻进时，为防止卡钻而采用增加转速的办法。但也要注意有时卡钻是因为钻头已过度磨损，而增加转速会使问题复杂化。对潜孔锤钻进最优钻头回转速度，应以获得有效的钻速、平稳的操作和经济的钻头寿命，作为基本要求。

（3）风压。潜孔冲击器的冲击频率和冲击功都与空气压力有关，空气压力是决定冲击功的重要因素，因而也是影响机械钻速的主要参数，国内外大量资料证明，机械钻速和空气压力成正比关系。例如：空气压力从0.6MPa提高至1.03MPa时，钻进速度可提高一倍。空气压力除满足潜孔锤工作压力外，还应考虑循环过程中的压力损失，孔内压力降，潜孔锤压降，有水情况下尚须克服水柱压力，才能正常工作。

式中：P——空气压力，MPa；

Q2—每米干孔的压力降，一般为0.0015MPa/m；

Pm——管道压力损失，0.1～0.3MPa；

P1——潜孔锤压力损失，MPa；

P2——钻孔内水柱压力，MPa；

L——钻杆柱长度，m。

从上式可以看出，在无水条件下，随着钻进深度逐步的增加，钻孔内空气压力也在不断增大。

（4）风量。空气钻进中空气消耗量是根据气动潜孔锤冲击器的性能参数（耗气量）及为清除孔内岩屑的最低上返速度而确定。为保持孔底干净，携带孔底岩屑颗粒在钻具环状间隙中的上返速度V一般取10～15m/s，对风量的计算：

式中：Q——钻进时所需空气量，m3/min；

K1——孔深损耗系数，通常取1.0～1.1；

K2——孔内涌水时，风量增加，其值与涌水量有关，中等涌水量为K2=1.5

D——钻孔直径，m；

d——钻杆外径，m；

V——环状间隙气流上返速度，m/s。

（5）扭矩。由于潜孔锤钻进中，钻压仅作为防止锤头空打，故一般所需钻压较小，根据扭矩计算公式：

式中：K——刀具旋转阻力系数，为试验统计值，一般取0.1～0.3；

P——钻压，kN；

R——钻孔换算直径，m。

选用的空气压缩机的技术性能要与空气潜孔锤钻进工艺相匹配。空气压缩机除需具有足够的压力外，其送风量不仅要确保上返气流速度大于不同粒度岩矿样的悬浮下降速度，还应当满足潜孔锤正常工作对送风量的要求。

影响空气压缩机选择的因素主要有：钻孔深度、钻孔口径、钻进速度、使用的潜孔锤类型、钻孔内地下水位及涌水量等。

4 钻具组合

根据施工情况，采用以下2种钻具组合方式：

采空区上部：主动钻杆+Ø127mm钻杆+Ø178mm钻铤2根+Ø159mm钻铤2根+SPMS80冲击器+Ø350mm钎头；采空区：主动钻杆+Ø127mm钻杆+Ø178mm钻铤2根+Ø159mm钻铤2根+Ø350mm扶正器+SPMS80冲击器+Ø350mm钎头。

5 钻进方法

开孔时，采用轻压慢钻方式钻进，确保钻孔垂直，施工过程中，根据地层情况及时调整钻进参数，适当增加钻压，一个回次结束后，上提钻具冲孔，确保岩屑不残留在孔内，施工至采空区后，根据采空区深度来确定扶正器位置，防止扶正器卡在采空区内，穿过采空区后扫孔，将采空区形成的“台阶”扫平。施工深度超过150m后，采用2台空压机并联方式增加风量，可将孔内较大岩屑冲出孔内，避免岩屑回落后重复破碎及卡钻事故发生。