贵州复杂地层深井空气潜孔锤钻进设备机具配置的探讨

赵华宣，王玉军，张　平，曾远明，陈　浩，苏　宁

（贵州省地矿局114地质大队，贵州遵义563000）

贵州复杂地层深井空气潜孔锤钻进设备机具配置的探讨

赵华宣*，王玉军，张平，曾远明，陈浩，苏宁

（贵州省地矿局114地质大队，贵州遵义563000）

结合空气潜孔锤钻进技术在贵州复杂地层深井应用，介绍了深井空气潜孔锤钻进设备机具的组合配置及钻进效率，分析总结了复杂地层、大井径深井空气潜孔锤钻进对设备机具配置的要求，认为合理的设备机具配置可有效提高井效率、是实现复杂地层深井空气潜孔锤高速、安全钻井必备条件。

复杂地层；深井；潜孔锤钻进；设备机具；合理配置

贵州省地热资源十分丰富，埋藏深度多在2000m左右，但地热资源勘探起步较晚，新工艺应用研究不足，钻井技术主要以牙轮正循环回转钻进，钻井周期长、效率和效益偏低，制约了地热钻井业的发展和地热资源的开发利用。为加快开发地下资源利用进程，贵州省提出了“246”找矿计划和“5个100工程”及建温泉省、公园省的战略目标，亟需加快深井钻井新技术、新工艺的应用研究，以此，进行了复杂地层深井空气潜孔锤钻进技术的应用研究，以提高深井钻井能力和钻井效率。

贵州省属典型的喀斯特地区、地层复杂，深井钻遇地层结构为碳酸岩与碎屑岩相互重叠。碳酸岩地层溶蚀裂隙发育、软弱夹层多、钻进中漏风、涌水大（浅表层尤为严重），加杆时气压力大、排余气时间长；碎屑岩的泥页岩稳定性欠佳、钻进中多见超径、井壁掉块、垮塌等不良现象。不同地层、井径、深度对设备机具的配置要求不一，为探索复杂地层深井空气潜孔锤钻进对设备机具配置要求及规律，在3口地热深井的不同地层、井径、深度进行了空气潜孔锤钻进设备机具配置研究。

1　试验井设备机具配置组合情况

试验井设备配置组合：试验井地层有溶蚀裂隙发育、涌水的碳酸岩地层和稳定性欠佳的碎屑岩层，试验井段Ø216mm～Ø406mm，最大试验深度1193.26m，试验设备组合为2～3台空压机及增压机。试验井设备配置组合及钻进情况见表1。

存在的问题：从表1数据分析，试验中因设备调配数量、损坏等设备因素，在不计复杂井况耗损时大井径段供风量不足，加上地层涌水、超径、溶蚀裂隙漏风等影响，井内实际上返风速较计算值小，致钻速偏低影响钻进效果，但钻速较常规工艺（统计钻速为0.8～1.2m/h）明显提高，实现钻井效率的提升。

2　试验井机具配置组合情况

2.1试验井特殊机具

试验井空气潜孔锤钻进施工中，无水地层钻进灰尘大影响周边环境和作业人员健康；涌水的碳酸岩层、井深和增压机增压，钻具内空气量大、压力大，加杆排余气时间长致辅助时间增加，同时岩溶裂隙漏风影响排渣效果及碎屑岩地层随井深增大的供风量加大了井壁的冲刷而影响稳定和超径段影响排渣效果。试验井中使用特殊机具如下：

（1）井口密封除尘装置：钻进无水的碳酸岩地层、碎屑岩层，钻进中灰尘大，影响周边环境和人员健康，钻井设备底座（操作平台）高度多在3m以内，在井管上连接简易井口密封除尘装置（图1），除尘时连接抽水泵注水除尘，注水量根据钻进速度将钻进产生的灰尘完全除去，一般8～10m3/h。

（2）单向阀：防止钻具内空气逆向流动，加在钻具上可有效防井底余屑上返堵塞潜孔锤及减少加杆排气降压、起压时间，缩减辅助工作时间和潜孔锤堵塞故障的发生。

表1　试验井设备配置及空气潜孔锤钻进情况

（3）旁通阀：空气潜孔锤钻井随着井深的增加及钻遇复杂情况（井内涌水、裂隙漏风、井壁轻微掉块）需增加供风量，供风量的增加使潜孔锤风量过盈致潜孔锤非正常磨损、减少其使用寿命及增大井壁冲刷加剧欠稳定井段失稳；同时复杂井况使局部井段排屑困难，在钻具一定位置设旁通阀，满足潜孔锤正常工作外的余气从旁边通眼返出，从而实现防风量过盈磨损潜孔锤、减弱井壁冲洗和接力排屑。

2.2试验井机具组合及效果

钻进中机具组合主要根据钻井地层、井径、井深进行组合，各井段机具组合如下：

（1）Ø406mm井段钻具组合：Ø406mm锤头+ TS12冲击器+Ø203mm钻铤（2柱）+Ø127mm钻杆（1单根）+单向阀（NC50）+Ø127mm钻杆（若干）+单向阀（NC50）+主杆。

（2）Ø315mm/Ø320mm井段钻具组合：Ø315mm （Ø320mm）锤头+TS12冲击器+Ø203mm钻铤（2柱）+ Ø127mm钻杆（1单根）+旁通阀（NC50）+Ø127mm钻杆（1单根）+单向阀（NC50）+Ø127mm钻杆（若干）+旁通阀（NC50）+Ø127mm钻杆（若干柱）+单向阀+主杆。

图1　井口装置图

（3）Ø216mm/Ø220mm井段钻具组合：Ø216mm （Ø220mm）锤头+TS8冲击器+Ø165mm钻铤（3～4柱）+Ø89mm钻杆（1单根）+旁通阀（NC38）+Ø89mm钻杆（1单根）+单向阀（NC38）+Ø89mm钻杆（若干）+旁通阀（NC38）+Ø89mm钻杆（若干柱）+单向阀（NC38）+主杆。

机具组合效果：钻进试验井中，使用单向阀缩减加杆排气（起压）时间和减少潜孔锤堵塞事故、有效减少辅助工作时间，使用旁通阀减弱骤增风量对井壁的冲刷和接力排渣，使用井口密封除尘装置保护了工作环境，通过有效的机具组合实现了高效环保钻进。

3　复杂地层深井设备配置组合

空气潜孔锤钻进设备组合为空压机（增压机）组合及附属设备，空压机（增压机）组合形式取决深井钻井所需的风量及风压，复杂地层钻进多遇溶蚀裂隙涌水漏风、软弱夹层掉块、超径、垮塌等复杂井径，设备的配置组合应满足井径、井深及复杂井况对供风量和风压的要求。风量和风压需综合井径、井深及可能出现的地层涌水、软弱层超径带来的能量损耗等因素，风量、风压计算见式（1）、式（2）得出参考值，再根据现场情况确定。

风量计算式：

式中：Q——风量，m3/min；

k1——孔深修正系数，随着孔深增加，环状间隙压力损失增大，导致流量减小，一般100～200m时取1.05～1.1，200～500m时取1.1～1.25，500～1000m时取1.25～1.5，1000m以上时取1.5；

k2——孔内有涌水时的风量增加系数，与涌水量有关，中小涌水时，取1.5；

D——钻孔直径，m；

d——钻杆外径，m；

v——上返风速，深井钻进取20～25m/s。

井径、井深所需供风量见表2（供风量单位为m3/min，表中计算值未考虑涌水、漏风及超径等复杂井况）。

风压计算式：

式中：P——风压，MPa；

表2　地热深井深用井径、井深所需供风量

Q2——每米干孔的压力降（一般为0.0015MPa/m）；

L——钻杆柱长度，m；

Pm——管道压力损失，取0.1～0.3MPa；

Pc——潜孔锤压力降，MPa；

Ps——钻孔内水柱压力。

复杂地层深井空气潜孔锤钻进设备配置及要求：

（1）空压机配置组合：为满足复杂地层深井钻进要求，空压机配置组合为采用多台空压机联动（并列）供气，供气量除满足所钻井径、井深的要求外还应有一定余量（一般超30%以上），以应对涌水、涌风、超径等复杂井况的要求，另联动空压机压力匹配应尽量一致以防低压力的空压机卸载不送风而降低实际供风量。

（2）增压机配置：深井钻进中应根据供风压力需求配置增压机，从公式（2）可得，随着钻进深度的增加，所需供风压力增大，特别是井内涌水情况下，风压增高较快，当供风压力超过空压机压力时，需采取增压机增压以满足要求，增压机的压力应满足钻井深度的要求，配置数量根据增压机的设计能力，通常为2拖4、1拖3。

（3）其他附属设备：在复杂地层深井空气潜孔锤钻进中，常出现空压机配置量不足或使用中损坏致不能满足供风量的要求及潜孔锤需经常补油润滑等因素，还应配置相应的附属设备。

①泡沫输送泵：在供风量不足或不能满足复杂井况要求而排渣效果差、井底岩渣堆积较多，地层渗水、井壁湿润钻粉粘附井壁形成泥环排渣不畅，从送风管汇注入泡沫溶液，利用泡沫液的强携带能力及瞬间释放形成井喷将钻粉（渣），泡沫泵应为变量泵，排量一般15～30L/min。

②注油泵：钻进中潜孔锤中的配件需油润滑，可在地面的高压管路上并联可调式的注油泵以不间断的供油润滑，提高潜孔锤的寿命。

综上所述，为提高复杂地层深井空气潜孔锤钻进的钻进效率和井内安全，设备的配置组合除满足井径、井深的要求外，还应满足复杂井况和可能发生异常情况的要求，设备配置组合见表3。

表3　复杂地层深井空气潜孔锤钻进设备配置组合

4　结论与建议

通过复杂地层深井空气潜孔锤钻进试验的设备机具配置组合分析总结，结论与建议如下：

（1）空气潜孔锤钻进可大幅提高钻进效率，实现高速钻进和快速成井。

（2）有效的设备机具组合是实现高速安全钻进的前提。

（3）复杂地层钻进，供气量除满足所钻井径、井深的要求外还应有一定余量，以应对涌水、涌风、超径等复杂井况的要求。

（4）联动组合空压机压力匹配应尽量一致以防低压力的空压机卸载不送风而降低实际供风量。

（5）应选择具有防脱（钻头脱掉）功能潜孔锤（长沙天河），以防锤头掉脱。

P634

A

1004-5716（2016）09-0046-04

2016-04-16

2016-04-18

贵州省社会发展科技攻关资助项目“贵州复杂地层深井钻探工艺应用研究”（编号：黔科合SY字［2015］3002）。

赵华宣（1968-），男（苗族），贵州思南人，高级工程师，现从事钻井工程工作。