水文水井中级回转反循环钻进技术.pdf

表 1冲击回转正循环钻进排渣屑所需 风量和潜孔锤碎岩钻进所需风量比较 孔径 （m m ） 上返风速所需 风量 （m 3 / m i n - 1 ） 潜孔锤碎岩钻进 所需风量 （m 3 / m i n - 1 ） Φ1 6 0 1 2 . 5 8 ～1 0 Φ1 8 0 1 7 . 3 1 0 ～1 2 Φ2 0 0 2 2 . 7 1 2 ～1 4 Φ2 2 0 2 8 . 6 1 4 ～1 6 Φ2 5 0 3 8 . 6 1 6 ～1 8 Φ2 8 0 4 9 . 8 1 8 ～2 0 水文水井冲击回转反循环钻进技术 殷琨 彭枧明 王茂森 谭凡教 （吉林大学建设工程学院， 长春 1 3 0 0 2 6 ） 摘要揭示了水文水井冲击回转正循环钻井存在的急待解决的问题，阐述了水文水井冲击回转反循环钻进 技术的原理和特点，用实例说明了该技术的试验应用效果及其优越性。 关键词水文水井 冲击回转 反循环钻进 贯通式潜孔锤 反循环专用钻头 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 ___________________________ 作者简介殷琨，男，1 9 5 2 年出生，吉林大学建设工程学院院长，教授，博士生导师，从事多工艺冲击回 转钻进技术研究工作。 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。 表 2正、反循环上返通道断面积及所需最低风量比较 正循环 反循环 钻孔直径 配用钻杆 上返环空断面积 c m 2 风量 m 3 / m i n 配用钻杆 上返通孔断面积 c m 2 风量 m 3 / m i n Φ1 0 0 Φ7 3 3 6 . 6 9 3 . 3 5 S H B - 7 3 / 4 4 1 5 . 2 1 1 . 3 9 Φ1 1 2 Φ7 3 5 6 . 7 3 5 . 1 8 S H B - 7 3 / 4 4 1 5 . 2 1 1 . 3 9 Φ1 3 2 Φ7 3 9 4 . 9 9 8 . 6 9 S H B - 7 3 / 4 4 1 5 . 2 1 1 . 3 9 Φ1 6 0 Φ8 9 1 3 8 . 8 5 1 2 . 7 0 S H B - 8 9 / 6 0 2 8 . 2 7 2 . 5 9 Φ1 8 0 Φ8 9 1 9 2 . 2 6 1 7 . 5 8 S H B - 8 9 / 6 0 2 8 . 2 7 2 . 5 9 Φ2 0 0 Φ8 9 2 5 1 . 9 5 2 3 . 0 4 S H B - 8 9 / 6 0 2 8 . 2 7 2 . 5 9 Φ2 2 0 Φ8 9 3 1 7 . 9 2 2 9 . 0 7 S H B - 1 1 4 / 7 0 3 8 . 4 8 3 . 5 2 Φ2 5 0 Φ8 9 4 2 8 . 6 6 3 9 . 2 0 S H B - 1 1 4 / 7 0 3 8 . 4 8 3 . 5 2 Φ2 8 0 Φ8 9 5 5 3 . 5 4 5 0 . 6 2 S H B - 1 2 7 / 8 7 5 9 . 4 5 5 . 4 4 注上返所需最低风量值按上返风速 15.24m/s 得出。 图 1 孔反循环钻进原理图 1- 排渣胶管；2- 气水龙头；3- 鹅颈弯管；4- 进气胶管； 5- 双壁钻杆；6- 逆止阀；7- 工作气室；8- 内缸； 9- 活塞；10- 衬套；11- 反循环钻头 表 3GQ 系列规格贯通式潜孔锤主要技术参数 型号 潜孔锤 外 径 （m m ） 贯通孔 直 径 m m 钻孔直径 m m 潜孔锤 长 度 （m m ） 单次冲 击 能 （J ） 冲击 频率 H z 耗气量 m 3 / m i n 潜孔锤 压力降 M P a 活塞 质量 （k g ） G Q - 8 0 8 0 2 8 8 5 ～1 1 2 1 0 6 2 1 2 4 1 8 3 1 . 1 4 G Q - 8 0 8 9 3 3 9 5 ～1 2 0 1 2 2 2 1 5 5 1 9 4 . 8 1 . 4 4 . 9 G Q - 1 0 0 1 0 0 4 4 1 0 5 ～1 3 2 1 0 5 6 1 6 5 1 8 5 1 . 0 5 . 2 G Q - 1 0 8 1 0 8 3 8 1 1 2 ～1 3 2 1 2 5 5 2 6 8 1 9 9 1 . 4 8 . 5 G Q - 1 2 7 1 2 7 4 4 1 3 2 ～1 5 2 1 2 6 4 4 1 0 1 8 . 8 1 1 1 . 4 1 3 G Q - 1 4 6 1 4 6 4 4 1 5 2 ～1 8 5 1 2 6 7 5 3 4 1 7 1 2 1 . 1 1 7 G Q - 1 6 0 1 6 0 6 0 1 6 5 ～2 0 0 1 3 0 2 6 4 0 1 6 1 3 1 . 0 2 0 G Q - 2 0 0 1 9 0 6 2 2 0 0 ～2 5 0 1 4 6 8 7 2 0 1 8 1 4 1 . 0 2 3 G Q - 2 5 0 2 4 2 6 0 2 5 0 ～3 5 0 1 4 5 9 1 0 5 2 1 6 1 7 1 . 0 5 3 4 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 图 2 现场施工连接系统图 1 - 反循环钻头；2 - 贯通式冲击器；3 - 双壁钻杆；4 - 黄河钻； 5 - 进气胶管；6 - 主动钻杆；7 - 气水笼头；8 - 排渣管； 9 - 鹅式弯管；1 0 - w . 1 0 / 6 0 型空压机；1 1 - 输风胶管；1 2 - 贮气罐 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。 参考文献 [1] 耿瑞伦，陈星庆．多工艺空气钻探．地质出版社，1995． [2] 蒋荣庆，殷琨，王茂森．气动贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻具系统研制及使用效果．地质与 勘探，1996,32（3） 55－60． [3] 蒋荣庆，殷琨，杨洪东，沈崇峰．潜孔锤多工艺钻进在水文水井及工程中的应用．水文地质工程地质， 1998， （6） 51－54．