潜孔锤钻井技术在吴集下料孔的应用

吴红兵，曹雷强

（五矿矿业（邯郸）矿山工程有限公司，河北 邯郸 056000）

空气潜孔锤钻井以其高效、优质、低耗等显著孔汇特点，备受业内人士的青睐，国内外已先后在水井、瓦斯排放、通风、下料、矿山救援等行业开展了应用。其工作原理是以压缩空气为动力，驱动冲击器内活塞的高频往复运动破碎岩石，破碎后的岩石在高压风的带动下脱离井底，加之机械回转，形成圆状井筒。对潜孔锤钻进、气液混合驱动潜孔锤钻进等各项钻进规程参数，潜孔锤结构性能参数的理论研究有了较大的突破。吴集下料孔技术要求高（直径350mm，深度380m，垂直度要求在1%以内），工期短[1]。地勘院曾经在符山矿、西石门矿采用现有的磨盘式自行改装组合潜孔锤钻机进行过成功的施工，虽然符山矿、西石门矿下料孔深度较浅（均在地下200m以内），但也为吴集下料孔的施工提供了宝贵经验。

1 地质概况

吴集下料孔在地下0～80m为松散岩组（IQ4、Q3、Q1+2）上部岩性为粉质粘土及淤泥质粉质粘土，工程地质条件差，中部岩性为粘土、含铁锰质粘土，结构致密，稍湿～坚硬，以粘粒为主，约占65%以上，粉粒次之，占15%～25%，含砂粒约在15%以下，工程地质条件好；下部岩性以粘土、粉质粘土、砂土层，局部为细砂层、含砾砂土层、粘土、粉质粘土，结构较紧，粘塑性强，干时坚硬，锤击易碎，以粉粒为主，约占50%～60%，粘粒占20%～30%，含砂粒一般小于10%，孔隙密，透水性极差。而砂土层含砂量约50%，细砂层含粘土约10%～15%，含砾砂土层含砾15%～20%，含砂10%～15%，结构松散，遇水易于流动，易发生坍塌，工程地质条件差甚至极差。地下80m～130m为古老变质岩区风化岩组位于下伏地层岩之下，呈现层状分布，岩性受下伏地层岩性影响而变化，上部强风化层岩石一般呈碎块状和短柱状，局部呈砂状或土状，岩石蚀变强烈；下部为中等～弱风化层，岩石以短柱状为主，其次为碎块状，风化裂隙发育，随深度增加，风化程度逐渐降低。该带总体上工程地质稳定性差，岩石RQD值仅为35.40，尤其是强风化岩易于产生不良工程地质现象，对钻井施工影响较大。

2 钻井设备的选择

钻井设备的选择应首先满足安全要求，其次应经济合理，尽可能利用公司现有的设备，通过对比分析我们选用了spj-400水井钻机。①动力系统转盘和泥浆泵及辅助用电共计67千瓦，空压机采用柴油机驱动。②回转及提升系统单绳提升能力30千牛满足施工需要，回转速度通过改换电机控制在18r/min，确保潜孔锤每次敲击新鲜面，最大限度减小重复破碎。③井架选用我单位现有的spj-600型号的水井配套井架，完全能够满足提升12米的钻具和套管需要。④空压机选用寿力1070的型号，排气量为34 m3/min，额定排气压力24.1kg/cm2。⑤泡沫泵选用bw-150型号的泥浆泵，配套动力5.5千瓦。

3 井径结构及钻进方法的选择

对于第四系松散层采用牙轮钻钻进，正循环泥浆护壁工艺。其钻具组合为：φ426mm牙轮钻头+φ178mm钻铤×4根+φ89mm钻杆+机上钻杆。风化带及基岩采用潜孔锤空气泡沫钻井，其钻具组合为：φ350mm潜孔钻头+φ178钻铤×4根（或导向钻具不低于8m）+φ89mm钻杆+机上钻杆。井径结构如下图（示意）：

图1 井径结构图

4 现场施工当中遇到的情况及解决办法

（1）第四系松散层采用正循环牙轮钻钻进，对我单位属正常成熟施工工艺，进展顺利这里不再赘述。

（2）古老变质岩区风化岩组采用潜孔锤空气泡沫钻井，钻进效率高达10m/小时，进入完整基岩后（约145m处）在成井侧面发现一不明管状金属物，随钻孔加深而增加，（见井下视频图像：）继而引起憋车，致使钻杆敲击风化带，产生掉块，坍塌钻进困难强行钻进至155米后停止钻进，针对此采取注浆护壁（保护上部掉块，坍塌层），待水泥凝固利用凝固后水泥和岩石硬度差异产生偏斜通过下部不明管状金属物。需浆液体积：

Vg=(R/2)2×л×H

R：钻孔直径；H：需充填段高度。

水泥选用标号为425，按0.5:1水灰比配制浆液（为增加水泥的和易性加快凝固速度添加食盐5%，三乙醇胺3‰）。需水泥量：

Wc=（dcVg）/(1+dcp)

Ww=pWc

Wc：水泥用量，公斤；Ww：水的用量，公斤；р：水灰比；dc：水泥比重通常为3；Vg：欲配浆液体积。

通过一天候凝，顺利实现护壁偏斜等施工要求，钻进恢复正常。护壁后，重新施工。

（3）使用泡沫剂改善作业环境，提高工作效率。本次施工采用bw-150型号的泥浆泵注入泡沫，效果良好，施工现场粉尘浓度降至最低，钻进过程中排岩屑、润滑钻具发挥了极好的作用。所用泡沫剂化学名称为：炳十二烷硫酸钠，粉末状，加水稀释（用量4‰），随压缩空气注入冲击器。

5 施工要点及注意事项

①下钻前应对冲击器进行地面试验，确认冲击器工作正常后方可下钻。②使用高垂直度钻杆，减少钻具单边磨损。下钻时速度不能过快，如果遇阻可人力转动钻具，不能猛墩钻头和冲击器。③下钻接近孔底时先开风，慢慢回转下放钻具，钻进正常后，应轻压钻压控制在15千牛。④严禁钻具在不回转时进行钻进，否则容易使井眼形成键槽，造成回转阻力增大，扭断钻具或造成井斜。⑤钻进时严密监视空气和岩屑上返情况，遇有坍塌和漏失地层，要及时加注泡沫剂，确保岩屑正常上返，以防埋钻事故。如遇严重坍塌，则应及时采取措施或更换为常规泥浆钻进工艺。⑥坚硬岩层施工钻头外径应用耐磨焊条点焊，高度不超过合金柱高度，增强钻头保径能力。

6 结语

①施工前认真搜集资料，尽可能对施工地层多了解，针对不同地层选择不同钻凿的方法。②施工筹备对工器具要精心选配，对易损工器具如锤头，冲击器等要备足备好。③备足打捞工具，钻具有多少种规格就应备多少种相应规格的打捞工具，确保事故处理所用工具充足有效。④施工人员要有较强的责任心，进行相关知识技能培训，严格按操作规程施工，熟悉冲击器组装、拆卸要领，正确使用、组装冲击器、钻头。