单体大直径空气潜孔锤钻井工艺研究及应用

王立峰，张晓昂，徐 影

(1.河南省资源环境调查二院，河南洛阳 471023；2.河南省煤田地质局，郑州 450016；3.河南豫中地质勘查工程有限公司，郑州 450016；4.河南省能源钻井工程技术研究中心,郑州 450016；5.河南省煤层气压裂工程技术研究中心，河南洛阳 471023)

0 引言

空气潜孔锤钻井技术因其施工效率高、安全性好等被广泛应用于煤矿大直径井、地热井、水文井、特殊工程井等的施工中[1-4]。然而，随着矿山需求提高，大直径工程井的井径及井深越来越大，施工过程中，随着井身环空间隙增大，井底岩屑上返困难，严重影响了施工效率及施工安全[5-8]。如何在保证施工安全的前提下，将井底岩屑快速返排出井外是目前施工工艺亟需解决的难题。

根据国内现有技术，如采用正循环气动潜孔锤钻井技术，因环空间隙大，施工中需要较大的风量才能使岩屑正常返排，投入空压机多，成本高，操作困难；如采用反循环气动潜孔锤钻井技术，不仅对地质条件要求较高，而且需要配置全套专用机具，实施难度大[9-10]。为此，亟需对现有施工工艺进行优化，既能保证施工安全及施工效率，又能减少设备使用量，降低成本。

本文拟采用单体大直径潜孔锤+跟管钻进技术，使岩屑从跟管与井壁的环空间隙上返，常规风量即可满足岩屑上返需求，可有效提高施工效率及施工安全，解决大直径工程井快速施工过程中岩屑上返困难和施工效率低的难题。

1 技术原理

单体大直径潜孔锤+跟管钻进技术为在井口内壁布置一路套管，在套管的顶部设置悬挂装置及密封装置，在套管底段设置有跟管增压装置，在套管内同轴设置有钻杆，钻杆的外径小于套管的内径，在钻杆内设置有压缩空气通道，套管与井壁之间的环形空间即岩屑返排通道，同时，在井口设置岩屑排渣口，在钻杆的底部连接有能满足井径大小的单个气动潜孔锤，气动潜孔锤位于跟管增压装置下方[11-14]。

利用此种装置，采用常规施工设备，即可在设置好钻进参数的前提下，保证潜孔锤冲击破碎的岩屑随着套管与井壁的环空间隙上返，并能从岩屑排渣口排除，提高了岩屑上返效率，满足了大直径井快速钻井的施工需求(图1)。

图1 技术工艺Figure 1 Technical process

2 工程实例

王台铺矿隶属于山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，开采3号、9号、15号煤层，属低瓦斯矿井，目前已回采完毕。由于其15号煤层底板高于西邻的凤凰山矿(生产矿井)，关闭后矿井涌水会对凤凰山矿造成一定影响。为确保凤凰山矿正常生产，需要在地面施工大直径直排井进行排水。由于工期紧、任务重，采用常规大直径井施工工艺难以在时间要求内完成。为此，在充分分析矿山地质概况、矿井涌水量等条件的基础上，将单体大直径潜孔锤+跟管钻进技术引进到施工中，不仅在工期内顺利完成了施工任务，而且使直排井准确与巷道连通，确保后期排水工作顺利进行。

2.1 地质概况

本井位于沁水盆地的东翼南端，处于晋获褶断带、沁水盆地南缘东西—北东向断裂带及阳城西哄哄-晋城石盘东西向断裂带之间。揭露地层依次为第四系、二叠系下统下石盒子组、山西组、石炭系上统太原组。

井区主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。太原组煤系总厚度为96.65～103.75m，共见可采煤层3层，为3#、9#、15#煤：其中3#煤厚度为5.50m；9#煤厚度0.90m；15#煤厚度为4.00m。

2.2 工程概况

王台铺矿直排A井布置在王台铺矿620水平主排水点(涌水量600m3/h)，距3号煤层空巷为1.96m(图2)。

图2 直排井A平面位置Figure 2 Planar position of direct drainage well A

2.2.1 井身结构

一开采用旋挖钻机850mm开孔，挖至或钻进至11.70m后，下入φ720mm表层套管至井底；二开采用φ650mm锤头，钻穿15#煤层，钻穿620巷道后完钻，并下入φ560mm生产套管，生产套管高出地面0.20m，其中620巷道部分套管为割缝花管，井身结构如图3所示。

图3 井身结构示意Figure 3 Well configuration schematic diagram

2.2.2 钻具组合

1)一开钻具组合(0～11.70m)为Φ850mm旋挖机+人工。

2)二开钻具组合(11.70～205.00m)：①钻井钻具组合：Φ650mm空气锤+接头+Φ203mm钻挺+扶正器+Φ203mm钻铤+Φ127mm钻杆+方钻杆；②跟管钻进组合：Φ473mm伸缩管(外管直径Φ473mm内管直径Φ406mm)+406mm套管。

2.2.3 钻进参数

根据本井的特点，全井使用空气钻进，钻压5.0～10.0t，风压2.0～4.0MPa，风量120～180m3/min，转速25～35r/min。

2.2.4 施工效果

本井采用单体大直径潜孔锤+跟管钻进技术，完井深度205m，成井直径650mm，一径成井，钻孔精确与井下巷道连通，总施工周期20d，圆满完成了施工任务。

3 结论

通过本次在王台铺矿大直径井的应用研究发现，本施工技术在减少空压机使用、降低施工成本、提高岩屑上返效率等方面具有显著优势，施工工艺可行；但由于所配置跟管直径大、质量大，在增加进尺时工艺相对繁琐，辅助施工时间较长，后期仍需改进。