新型应急救援钻孔钻头现场试验研究

赖小林

（深圳市城市公共安全技术研究院有限公司，广东 深圳518038）

钻孔救援能及时让被困人员获得通风和给养，可大大降低事故伤亡。目前，钻孔救援普遍采用正循环空气钻进，该技术具有钻进速度快、钻孔直径大、定位准确等优点。如2010年智利圣何塞铜矿事故救援中采用该技术打通3个救援通道[1]。然而，在钻机遇地层破碎、裂缝发育等复杂地层时，正循环空气钻进存在气体难以有效循环、复杂事故频发等问题[2-3]。笔者在钻头结构中引入柯恩达附壁原理，设计了一种新型强力抽吸式反循环钻头，通过现场试验，验证了其可行性。

1 强力抽吸式反循环钻头原理及特点

当气流从普通喷嘴高速喷出时，气流将沿喷出的方向流动。但如果气流从柯恩达喷嘴（即喷嘴出口设计成具有一定曲率的凸面）高速喷出，由于流体与凸面之间存在表面摩擦作用，流体由外向内存在速度差，产生压力梯度，在凸面附近产生低压区，促使流体产生附壁作用而沿凸面流动。同时在压差作用下，周围的流体不断地向凸面附近流动，并与高速运动的附壁流体进行能量交换，继而被附壁流体卷吸带走。鉴于柯恩达附壁效应的基本原理，在反循环钻头设计中引入柯恩达喷嘴结构，改变气体喷出的流动方向，可以形成较大的真空区和较高的真空度，对孔底产生较强的抽吸作用，大幅度提高反循环形成能力，如图1所示。

图1 柯恩达效应及柯恩达喷嘴

强力抽吸式反循环钻头如图2所示，主要由钻头体和内置管2部分组成。钻头体与常规反循环钻头结构相似，侧壁上开设有内喷射孔和底喷孔，钻头底部开设有扩压槽，不同之处在于钻头体中心通道底部设计有台肩，用于与内置管相互配合组成环状喷嘴。内置管的外壁与钻头本体内腔的内壁之间形成环形空间，内置管的内腔为钻头中心通道，内置管下端的内侧壁为柯恩达弧形面，弧形面与钻头体台肩之间形成环状喷嘴，压缩空气流向见箭头标示。

图2 强力抽吸式反循环钻头

在潜孔锤正常冲击钻进时，驱动潜孔锤活塞做功后的一部分气体由钻头底喷孔高速喷出，然后携带岩屑经扩压槽进入中心通道，另一部分气体进入钻头本体侧壁上的内喷射孔，然后沿环形空间下行至环状喷嘴，由于气体的附壁效应，高速气流将沿内置管下端的弧形面内侧壁附壁流动。在高速气流的卷吸作用下，周围的气体不断地向弧形面流动，并在其附近形成较大的负压区，从而产生强大的抽吸力，大幅度改善钻进过程中反循环的形成效果。

对强力抽吸式反循环钻头内部流场进行数值模拟发现，在钻头的中心通道内，新钻头的空气流速明显高于内喷孔引射式反循环钻头，且没有气流混合干扰现象。相同条件下新钻头内部最大负压值达到20kPa，在钻头的中心线上和孔底位置，新钻头形成的负压值远大于内喷孔引射式反循环钻头。同等条件下，新钻头环空边界抽吸气体的质量流量为0.039kg/s，比普通内喷孔引射式钻头提高了约1.5倍[4]。从数值模拟的结果来看，新设计的强力抽吸式反循环钻头优于普通反循环钻头，其实际使用效果在现场试验中加以验证。

2 强力抽吸式反循环钻头现场试验

2.1 试验矿区情况

试验区属新疆塔城地区和布克赛尔县管辖，与外界交通条件较好，塔城地区和布克赛尔县的318省道从工作区南侧通过，与克拉玛依市有217国道相通，交通方便。区内主要的岩石为火山岩，岩性多为酸性和中基性，强度较大，硬度多为硬、坚硬等级，研磨性较强。除辉长岩和凝灰岩外，其余岩石可钻性均在7级以上，其中微晶质花岗斑岩、闪长岩、正长斑岩可钻性等级在8～10级，石英斑岩可钻性等级达到了10～12级，属较高等级。

2.2 参数设计

2.2.1 钻孔结构

试验钻孔设计深度60m，采用二级钻孔结构，即：一开采用Φ160mm钻头钻进至基岩后，下入Φ146mm套管4.4m隔离上部松散地层；二开采用Φ115mm钻头钻进至60m。钻孔结构如图3所示。

图3 试验钻孔结构图

2.2.2 钻进原理和钻具组合

试验钻孔采用空气反循环中心取样钻进方法。空气反循环中心取样钻进原理：将压缩空气通过双壁钻杆环状间隙送入孔底钻具，使潜孔锤钻具做功进而破碎岩层，岩屑从中心通道连续返出，这种钻进方法适于破碎漏失地层和较硬地层。钻进原理如图4所示。

图4 空气反循环钻进原理示意图

开孔钻具组合：Ф101.6mm双壁钻杆+SPMF355潜孔锤+Ф160mm潜孔锤头。

正常钻进钻具组合：Ф101.6mm双壁钻杆+潜孔锤+Ф115mm新型锤头。

2.2.3 钻进参数

风量与风压：影响潜孔锤冲击功和冲击频率的主要因素是风压和风量，风压随输入风量的变化而变化。在确定条件下，风量与风压也保持一定的关系。实际钻进中，钻速与风压、风量成正比，供风量增大，风压升高，潜孔锤的冲击能量增高，钻进效率随之提高。根据2014年在该矿区的试验情况，孔深在100m以内时使用低风压，约为2MPa。

钻压：从冲击碎岩原理来看，岩石主要是靠冲击动载作用下破碎的，因此潜孔锤钻进效率的高低主要是取决于冲击功的大小和冲击频率的多少，而钻压是保证冲击功充分发挥作用的辅助力，过大过小都会影响钻进正常进行，过大则会引起钻具的振动，钻头过早的磨损，合金齿掉落，回转困难；过小将会影响冲击功的有效传递。气动潜孔锤推荐钻压3920～8820N。

转速：潜孔锤钻进是一种慢回转的钻进方法，合理的转速选择对钻头寿命乃至钻进成本至关重要。它主要与冲击器所产生的冲击功大小、冲击频率、钻头的形式以及所钻岩石的物理机械性质有关。要求破碎下来的岩屑及时被空气清除，潜孔锤钻进无切削和剪切作用，所以无需过快的线速度。

对于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一般要求，现场试验采用的转速为20～40r/min。

2.3 试验情况及结果分析

现场施工情况如图5所示。钻进覆盖层3.8m，潜孔锤工作正常，施工现场粉尘较多，施工人员全部使用防尘口罩，之后下入Φ146mm套管3.8m。下完套管后使用Ф115mm潜孔锤钻进至60.8m。在该段孔深钻进过程中，空压机风压使用低压，压力约为1.5MPa，转速约为30r/min，钻进单根钻杆（3.00m）最快使用约10min，纯钻时间557min。详细钻进情况如表1所示。

图5 现场试验

3 结论

使用新型强力抽吸式反循环钻头在新疆塔城地区和布克赛尔县火山岩地层最快单根钻进速度为18m/h，平均钻进速度为6.14m/h。该地区在试验区使用金刚石绳索取心钻进方法施工，钻进平均效率为1.58～1.98m/h，使用空气潜孔锤反循环钻进速度为常规泥浆钻进的3.1～3.9倍。本次现场试验验证了强力抽吸式反循环钻头的可行性，为应急救援钻孔提供了一种新的技术手段，具有较高的推广应用价值。