水文水井冲击回转反循环钻进技术

  1 水文水井冲击回转正循环钻进亟待解决的问题

 

  基岩水井通常口径为Φ160～Φ280mm之间，该口径硬岩的钻进效率低，成本高，施工周期长，成为钻探界亟待解决的难题。20世纪70年代开始，我国已引进潜孔锤技术应用于水井钻凿，钻进效率数倍提高，展示了潜孔锤钻进的良好前景。但水井工程，孔深大，背压高，配套使用的空压机不但风量要求大，风太也高，使钻进成本大幅度增高。主要矛盾是满足排渣屑上返风速的要求时，供风量巨大，远超过了潜孔锤本身工作的需求。计算不同孔径条件下满足上返风速15m/s供风量的需求，见表1（Φ89钻杆为例）。表1数据表明，孔径越大，为满足排渣屑要求而消耗的能量越大，经济性越差。若实施反循环钻井技术工艺，则排渣屑所需风量大大减小，如表2所示。

 

  2 水文水井冲击回转反循环钻进技术的原理和特点

 

  针对上述问题研制了GQ系列贯通式气动潜孔锤，配以专门的反循环也取心钻头，实现了反循环连续取心（样）钻进工艺，这一技术具有国内外先进水平。

 

  贯通式气动潜孔锤反循环连续取心（样）钻进原理如图1所示。压缩空气由进气胶管4进入气水龙头2的进气管，经主动钻杆和双壁5的内外管环空到达贯通式冲击器的逆止阀6，驱动冲击器活塞9产生高频冲击。钻具仍由钻机带动回转，使钻头在冲击和回转的共同作用下破碎岩石，取心钻头11在孔底形成环状破碎。冲击器工作压气由钻头底喷排气孔喷出，吹洗孔底岩屑和冷却钻头，再由钻头唇部导流作用将气流引入钻头中心，然后通过双壁钻杆中心通道，携带岩心（样），输送到气水龙头2的中心孔。经鹅颈管3，排样管1排出，进入岩心（样）收集器。

 

  这种钻进方法的特点主要是利用潜孔锤碎岩，效率高；反循环系统冲洗介质上返流速高，携带岩心（样）能力强；使用双壁钻杆既输送压缩空气又有护壁作用。也就是有效的把破岩钻进和提起岩心（样）这两项原来分隔的工作，形成了连续作业系统，成为边钻井、边洗井、边取心（样）三者同时进行的钻探方法。

 

  3 水文水井冲击回转反循环钻进

 

  技术应用实例

 

  3.1 概况

 

  GQ-200/62型贯通式潜孔锤在河南省地矿 厅水文一队进行试验。试验分二个阶段：反循环形成研究阶段和生产性试验阶段。在6-8级灰岩、白云质灰燧石灰岩、致密灰岩，采用FT-200、250型反循环钻头及SHB-127/87双壁钻杆实行反循环连续取心（样）钻进374m。呈短圆饼状，长度20-35mm；取样率100%。与潜孔锤正循环相比，平均机械钻速提高64%；台月效率提高3.8倍；每米成本降低30%-40%。其中一个钻头在一个钻孔中反循环连续取心104.5米，平均时效4.05m/h，最高时效9.6m/h，水下钻进45m时钻头磨损较轻微。

 

  目前气动潜孔锤钻进主要是不取心钻进，采用单壁钻杆正循环排屑。河南水文一队使用气动潜孔锤钻凿基岩水井，取得较为成功的经验。但豫北地区基岩水井一般要求深度及其孔径较大，其钻进施工方法是：用JG-150潜孔锤一径到底，再用J-250型冲击器扩孔，即“小径打，大径扩”。这种施工方法不仅麻烦，成井时间长，扩孔时耗风量大，排岩屑及其困难，有时需采用专门排屑措施，因而出现潜孔锤钻进机械钻速虽高，而台月效率却提高的不多。此外，在卵砾石地层或复杂的破碎、漏失地层，空气潜孔锤仍难以钻进，表现出孔壁坍塌，孔口不返风，不排屑，极易导致埋钻、卡钻等事故的发生。采用贯通式式潜孔锤实施反循环钻进工艺，可从根本上解决这些难题。

 

  ３．２配套设备及器具

 

  钻机：SPC-300H型黄河钻一台；空压机：W-10/60型一台或LGYII-10/7二台；双壁钻杆：SHB-127/87或SHB-114/70；贮气罐：0.2-1.0m3一台；冲击器：GQ-200型二套；钻头：直径Φ200、Φ250mm各2个。  试验分别采用高、低压两种压风机单独进行，即浅孔或干孔段用低压空压机；深孔或水下钻进用W－10/60空压机，试验场地的设备分布、管线连接等见图2。

 

  ３．３钻进技术参数选择在空压机、冲击器和钻头性能及质量保证的前提下，要想提高反循环连续取心（样）钻进效果，还应做到合理操作，选用合适的钻进技术参数。

 

  （1）风量和风压  供风量除满足GQ-200型贯通式气动潜孔锤的工作参数外，还应符合反循环中心通道空气上返速度携带岩心（样）的要求。一般取样钻进，供风量6-8m3/min即可；而取心钻进可适当地增大供风量（8-10m3/min），这样中心通道上返风速可达20-40m/s。风压随钻孔深度，孔内水柱高度的变化而变化，一般为0.45-2.20MPa。

 

  （2）钻压  选用8-12KN。

 

  （3）转速  最优转速为20-25r/min。还应说明一点，实施贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻进工艺，偶然也产生短暂的岩心卡堵现象，表现在排屑管突然停止排屑。分析其原因，一是此种工艺方法的岩心与岩屑上返速度不一致；二是使用的双壁钻具结构不合理，内管接头插接方向倒置。压气沿其内外管间隙送入，遇内管母接头端面阻挡，局部涡流及增加压力降，岩心（样）反循环时，又遇内管公接头端面阻挡，端面处产生涡状环流，使局部流体参量改变，岩心（样）易于堵塞，产生卡堵。 一般情况下，隔几秒或几十秒后，排屑管突然大量排屑，表明由于冲击器高频冲击震动自动解卡。应立即停止进尺，即停止钻具回转，只冲击，不再产生新的岩心（样），依靠冲击器原位震动，都能顺利解除卡堵。

 

  ３．４ 试验效果

 

  贯通式潜孔锤与双壁钻杆实行反循环连续取心（样）钻进，主要是利用潜孔锤破岩效率高；反循环系统洗井介质上返流速高，携带能力强，可及时排除岩屑或岩心；用双壁钻杆输送压缩空气和护壁，能有效地使碎岩钻进、提取岩心（样）和洗井护壁三者形成同时作业的钻探系统，这种钻进方法具有以下优点。

 

  ３．４．１水文地质钻探中的优点

 

  （1） 能量大限度地减少提钻取心（样）作业时间，大幅度提高纯钻进时间；

 

  （2） 地质效果好，不公能有效地提高岩矿层的采取率，而且无污染、无分选、取心（样） 及时，代表性好、品质高；

 

  （3） 有利于解决破碎和不稳定地层的孔壁坍塌、漏气、孔口不排屑等给钻进工作带来的难题。

 

  ３．４．２ 大口径水井钻中的优点

 

  （1） 潜孔锤及双壁钻杆的中空断面作为反循环通道，因断面积小且直径不变，在有限空 压机供风量条件下，可增大上返风速，提高排渣能力，避免孔底重复破碎，从而提高钻进效率及增大孔深和孔径；同时也不用经常提拉钻具吹孔，保持了钻进的连续性；

 

  （2） 连续取心（样）钻进，排屑效果不受钻孔口径限制，因而可以一径成井，可改变过 去小径打、大径扩的施工方法，从而简化了工序，提高了效率，缩短了工期；

 

  （3） 贯通式潜孔锤反循环钻进，反循环排屑管可放在随意位置，避免了干孔段粉尘扬及 水下钻进井喷的污染，改善了孔口工人的工作条件；

 

  （4） 水下钻进可实现冲击器碎岩、泥浆护壁、气举反循环排屑（不受深没比限制）综合 效能，为解决目前我国卵砾石地层钻进难的问题，提供了科学的工艺方法；

 

  （5） 反循环钻进过程，又是抽水洗井过程，避免岩粉堵塞含水层通道，提高了成井质量 和单井出水量。