潜孔锤空气钻进工艺在大同煤田钻井施工中的应用

李永生

关键字 空气潜孔锤；钻进工艺；煤田钻井工程

1 潜孔锤空气钻进原理

潜孔锤空气钻进是用地面的钻机通过高压软管连接钻杆对孔底钻头施加压力和扭矩，并利用高压压缩空气推动潜孔锤对岩石进行冲击碎岩，实现正常钻进，同时利用压缩空气冷却钻头将孔底岩屑排出孔内。

潜孔锤的作用机理是冲击岩石并非刻取、磨碎，因而钻进效率高，其钻进快慢程度取决于冲击力大小、冲击频率快慢。如若潜孔锤回转减慢，就要反复破碎岩石，影响钻效、磨损合金钻头；若潜孔锤回转加快、则是岩石没有完全磨碎、造成钻进效率低下。

2 直径311 mm 潜孔锤空气正循环钻进工艺在大同煤田施工应用

2.1 潜孔锤空气正循环工艺概述

潜孔锤空气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回转驱动，形成对岩石的破碎能力，同时利用冲击器排除压缩空气，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。

正循环工艺则是采用空压机压缩空气、通过高压软管进入车载钻机动力头、直径114 mm钻杆的内壁、驱动直径311 mm潜孔锤、冲击破碎岩石，岩屑随空气从钻杆外壁四周环状间隙返出地表；于常规钻机回转钻进的循环方法一致，冲洗介质一种是泥浆、一种是空气；看似机理类似，其实差异巨大；泥浆可以制作成高比重、泥浆泵提供循环动力，泥浆本身不可压缩，岩屑于泥浆混合，很容易且彻底携带出钻孔；空气排渣由空气压缩机空气提供动力，完全依靠空气气举力来冲洗岩屑，受限气量和压力，携带能力有限。

图1 车载钻机潜孔锤空气正循环示意

2.2 潜孔锤正循环钻进适用范围条件

潜孔锤空气正循环钻进施工工艺适宜地层为稳定的岩石地层，在三大岩石地层中，沉积岩钻进效率大于岩浆岩，岩浆岩大于变质岩；在沉积岩中砂岩钻进效率大于泥岩，相对来说岩性硬度变大，该种工艺的钻进效率则会增高。但对粘土层、松散地层、破碎地层或者灰岩（岩溶）含水层则不适宜，导致潜孔锤均不起锤，松软的砂土还极易堵塞锤头风眼，使其无法正常工作。因此在含有粘土层、松散地层、破碎地层地域采用潜孔锤空气正循环钻进必须采取措施封闭上述地层。

针对该类地层一般用大一级的钻头开孔，采用泥浆正循环钻进工艺施工，施工到遇完整岩石地层后下置套管，用速凝水泥将孔壁与套管外环封闭，然后采用潜孔锤空气正循环工艺进行施工。

2.3 直径311mm潜孔锤空气正循环钻进施工应用情况

采用美国SCHRAMM（雪姆）车载钻机在大同煤田塔山煤矿施工地面瓦斯抽放直径311 mm 钻孔、孔深500 m时，当钻孔深度达到400 m 以下时且孔内无较高的水位，为了快速有效地进行钻孔的空气正循环钻进。避免由于风量在输送过程中的损耗，出现风量不足，孔内的岩粉排放困难，岩粉在孔内形成涡流，而造成的埋钻、卡钻事故。就需要多台空压机并车的空气潜孔锤钻井方法来提高总风量，进而一次性完井达到钻井目标。但要注意多台空压机并车必须保证每台工作压力一致，切勿大小不一致。而且潜孔锤也必须容许大风量通过，否则将造成其不必要的损坏。经过实地技术基数比较计算。使用空气冲洗介质钻进时，为对钻渣形成有效的携带，需要的有效空气上返速度为至少20 m/s。

以311 mm直径的钻孔、114 mm外径的钻杆为例，采用空气潜孔锤正循环钻进时：则需要的最小空气流量计算如下：

钻孔与孔壁形成的环空面积为：

则每分钟所需要的最小空气流量为79.2 m3。需要使用三台寿力900XH～1150XH 双工况空压机（每台额定工作压力排气量32 m3/min），通过高压空气管汇将三台空压机所输出的高压空气经钻机的高压管路系统、动力头、114 mm 直径钻杆、159 mm 直径钻挺注入位于孔底的300 mm 空气潜孔锤、驱动300 mm 空气潜孔锤工作后从钻具与孔壁的环空中携带钻渣返出地面，形成空气潜孔锤正循环，用于岩石层的钻进。

2.4 施工时钻具组合

潜孔锤钻进时，需要尽可能保持钻孔环状间隙的畅通，以利于排渣。如使用扶正器，会阻挡钻渣的顺利排出，当地层不稳定而发生掉块时，还极易卡钻，所以在潜孔锤钻进时一般不使用扶正器。在不使用扶正器的情况下，为保证钻孔垂直，一方面是配置钻具时尽可能采用钟摆式钻具组合，即由下至上钻具逐级变小；另一方面，可适当减小钻压并进而减小扭矩，使发生孔斜的合力减到最小。通常情况用的钻具配套为：车载钻机全液压动力头+114 单壁钻杆+159 钻铤+300 mm 潜孔锤（311锤头）。

2.5 应用所得钻进技术参数

潜孔锤钻进操作技术虽然比较简单容易，但是必须科学的正确选用钻进技术参数和熟练的合理的操作，才能取得理想的钻进效果。其主要技术参数应当包括以下几项内容：钻具钻压和转速、空压机供气量和压力、钻具扭矩等诸多因素，都会影响钻进效率和钻进质量。如何合理选择钻进技术参数，优化各种技术参数的匹配，减小不利因素队潜孔锤钻进的负面影响，是掌握气动潜孔锤钻进技术的关键所在。

（1）钻压，空气潜孔锤钻进的基本过程，是在钻压、冲击力、回转力三种力作用下破碎岩石。其钻压的主要作用是为了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，以便有效的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；钻压过大将会增加回转阻力和钻头过早磨损。一般为9 kg/mm，经验值1 200 kg.

（2）转速，空气潜孔锤钻进是以冲击方式碎岩的，回转速度是为改变钻头合金的冲击破岩位置，避免重复破碎。通过潜孔锤钻进施工得出的经验值：一般为20 r/min～30 r/min.

（3）风量，使用空气冲洗介质钻进时，为对钻渣形成有效的携带，需要有效的空气上返速度一般至少为20 m/s。

如使用美国SCHRAMM（雪姆）车载钻机在同煤集团燕子山煤矿施工地面救援钻孔（生命通道孔）进行254 mm孔径空气潜孔锤正循环钻进时，需要用两台阿特拉斯·科普柯移动式螺杆空气压缩机XRXS1240 空压机（每台额定工作压力排气量33 m3/min），通过高压空气管汇将所需空压机所输出的高压空气经钻机的高压管路系统、动力头、114 mm 直径钻杆、159 mm 直径钻挺注入位于孔底的200 mm空气潜孔锤、驱动空气潜孔锤工作后从钻具与孔壁的环空中携带钻渣返出地面，形成空气潜孔锤正循环，用于岩石层的钻进。施工钻孔孔深237 m。使用空气冲洗介质钻进时，为对钻渣形成有效的携带，需要的有效空气上返速度为至少20 m3/s、比较理想的上返速度为30 m3/s或更快一些。

以254 mm直径的钻孔、114 mm外径的钻杆为例，采用空气潜孔锤正循环钻进时：则需要的最小空气流量计算如下：

钻孔与孔壁形成的环空面积为：

则每分钟所需要的最小空气流量为48 m3。需要使用两台阿特拉斯·科普柯移动式螺杆空气压缩机XRXS1240空压机。

（4）风压。潜孔锤做功是靠压缩空气来完成的，风压的选择除应满足潜孔锤工作压力以外，还应视管道压力损失（一般为0.1他MPa～0.3 MPa），孔内压降（一般为0.001 5 MPa/m）以及钻孔涌水情况下的水柱压力等而定，风压的确定一般要求压风机的输出表压力要比潜孔锤的额定启动压力大0.2 MPa～0.3 MPa即可。

3 潜孔锤施工应用需注意事项

（1）开孔如遇上部有覆盖层，先用泥浆牙轮开孔至完整基岩后，依据钻井设计要求进行扩孔，而后下入合适的孔口管，埋设孔口管后把周围的间隙用混凝土填充固好，再进行钻进。

（2）在钻进过程中应根据钻井深度随时调整钻压。当钻具的重量在正常的钻压范围时，可用钻具自重形成的钻压；随着井孔的加深，当钻具的重量超过所需的钻压时，应用钻机的液压提升给进装置提升钻具进行减压，避免钻压太大损坏潜孔锤锤头和造成孔斜。

（3）在钻进中应随时注意观察空气压力表的变化情况。压力突然增加是孔内坍塌掉块或者岩粉过多等原因造成的。这时，应立即停止钻进，上下活动钻具，大风量吹孔排渣，直至孔内岩粉排净后才能开始钻进。压力突然降低，是钻具折断或者接头漏气造成的，应及时提钻检查。

（4）在钻进过程中需要加钻杆，先将潜孔锤提离孔底半米左右，持续供气吹洗钻孔，确保孔底岩石碎屑被清理干净后方可加下一根钻杆。

（5）加接钻杆时，要特别注意钻杆内的清洁，以避免砂土及管内铁锈等赃物进入冲击器内，引起零部件损坏或者发生停钻事故。所以必须保证气路清洁通畅，并要求钻杆丝扣涂抹丝扣油。

（6）当下钻距离孔底0.3 m～0.5 m 时，可开启空压机并采用“轻压、慢转、低能量冲击”进行扫孔，扫孔到底后证明冲击器正常工作时，再改钻进参数进行钻进。

（7）在钻进的过程中，每进尺1 m～2 m 左右，应把钻具提离孔底二十公分左右进行清孔，保证孔底干净，以防止锤头冲击破碎的岩屑不能及时的排出，聚集造成卡钻、埋钻、堵钻等现象，从而影响施工正常进行。

（8）潜孔锤下到孔底送风不工作时，是活塞被卡（阀片可能损坏）。应旋转或者轻墩钻具，震动活塞，也可采用停风、送风反复进行的办法，用气体交替激荡冲开活塞。处理无效时应提钻检修潜孔锤。

（9）潜孔锤下到孔底送风不通，风压持续上升，判断为气路堵塞或者潜孔锤被堵被埋。此时应首先打开空压机排气阀门，防止由于风压上升管路爆裂伤人或者管路突然冲开后井喷危及设备和人员。待风压稳定后，应迅速提升钻具使潜孔锤脱离岩粉埋没井段，观察风压舒服下降。若处理无效，必须提钻清理堵塞物。

（10）正常钻进过程中，要使用专用的潜孔锤注油器以润滑潜孔锤零部件。

4 结语

经过多年的钻井生产施工经验来看，潜孔锤空气钻进工艺结合车载钻机以其作业能力强、机动性能好、动力性能强、作业适应范围广、施工工艺安全可靠、机械操控性能良好是目前提高钻头在硬岩层钻进效率的最佳选择。而且目前车载式钻机都是全液压系统操作或者电控液压系统操作的安全性能十分可靠。这为我们将来进一步研究潜孔锤空气反循环钻进技术，以及如何完善设备配套，掌握了钻机操作、钻井工艺和设备养护的工作方面积累了宝贵的施工经验。