２０１５年第ｌ２期 西部探矿工程 ４９ 空气潜孑Ｌ锤在矿山大口径钻井中的应用 李海涛 ，盛智炜 （河南省煤田地质局四队，河南平顶山４６７０００） 摘要：随着钻探技术的发展，冲击回转钻进在我国得到越来越多的应用，但受设备工艺限制，多应 用于煤田地质勘查中，矿山大口径井施工较为罕见，由河南省煤田地质局四队２０１４于山西大同施工 的大口径抽水井，使用ＳＰＭＳ８０冲击器进行生产试验，共计施工３口大口径井，累计进尺１２２６．３５ｍ，试 验最大孔深４５３．３０ｍ，对比常规回转钻进，效率大幅提高，取得了良好效果。 关键词：大口径；潜孔锤；采空区 中图分类号：Ｐ６３４．５文献标识码：Ｂ文章编号：１００４—５７１６（２０１５）１２—００４９—０３ １工程概况 由于煤峪口矿４０６盘区，同家梁矿南２、北２盘区 空气潜孔锤碎岩方式不同于常规钻进的切削与研 磨原理，它是将压缩机产生压缩空气的能量通过空气 潜孔锤这个能量转换装置，对需要破碎的岩石施加高 频的冲击载荷，当这个能量（冲击功）达到岩石的临界 破碎功时，便产生体积破碎，同时工作后的气体在一定 的风速条件下将岩石颗粒排出孔外以实现连续钻进。 １ｌ 、ｌ４ 采空区存在大量积水，根据矿井防治水工作的 要求和生产衔接的需要，为有效防止１１ 、１４ 采空区积 水对下覆煤层的威胁，从根本上消除、杜绝、减小可能 造成的危害，决定在地面施工大孔径抽水孔３个（煤峪 口矿４０６盘区１个，同家梁矿北２盘区、南２盘区各一 个），抽取采空区积水。 因此，合理的选用钻进技术参数是取得理想钻进效果 的基本条件。 空气潜孑Ｌ锤钻进由于改变了碎岩方式，即以冲击 体积破碎代替了磨削或切削破碎，所以其钻进规程参 数与一般回转钻进有较大不同。据文献，钻进规程采 用施工参数如表１所示： 表１施工参数表 本文取其中一最深钻孔做出研究。 项目名称：永定庄矿石炭系延伸主水仓钻孔工程。 工程规模：施工孔深４２６ｍ，孔径 ３５０ｍｍ。 ２主要设备及参数 ＧＺ－２６００钻机，ＸＲＶＳ ４７６型空压机一台，ＸＲＶＳ ９７６型空压机一台，ＰＥＳＧ７６０空压机一台，ＳＰＭ￥８０冲 击器，』２『３５０ｍｍ钎头。 ＳＰＭ￥８０冲击器性能参数： 工作气压（ＭＰａ）：１．０～２．１；耗风量（ＩＴＩ。／ｍｉｎ）：ｌ２～ ３１；冲击功（Ｊ）：１５６０；冲击次数（次／ｒａｉｎ）：８６０～１５ｌ０。 ＰＥＳＧ７６０空压机性能参数： （１）钻压。空气潜孑Ｌ锤钻进是在静压力（钻压）、冲 击力和回转力３种力的作用下实现岩石破碎的。其钻 压主要作用是保证钻头齿能与岩石紧密接触，克服冲 击器及钻具的反弹力，以便有效地传递来自冲击器的 冲击功。钻压过小，难以克服冲击器工作时的背压和 排气量：２１．７ｍ＇Ｖｍｉｎ；额定排气压力：１．４ＭＰａ。 ＸＲＶＳ ４７６型及ＸＲＶＳ ９７６型空压机性能参数： 排气量：２７．７ ｍ３／ｍｉｎ；额定排气压力：２．５ＭＰａ。 ３地层情况及钻进参数 根据地质资料，钻孔钻遇底层自上而下依次为第 四纪地层及侏罗纪大同组地层，主要以可钻性５～７级 石英砂岩为主，夹杂少量３－－４级泥岩、砂质泥岩。 收稿日期：２０１５一Ｏ８一Ｏ３修回日期：２０１５—０８—１２ 反弹力，直接影响冲击功的有效传递；钻压过大，将会 增大回转阻力，还将造成钻头过早磨损。 空气潜孔锤钻进的钻压主要取决于地层岩石的硬 第一作者简介：李海涛（１９８７一），男（汉族），吉林松原人，助理工程师，现从事钻探技术ｌＴ作。 西部探矿工程 ２０１５年第１２期 度，自软至硬，钻压由小到大。根据收集的资料，潜孔 锤反循环钻进压力的推荐值，在软至中硬岩层为 ２．９４～４．９ｋＮ，即单位面积上的钻压为４１￣６８Ｎ／ｃｍ。。 钻压的合理选择应考虑钻进方式的变化（如低压还是 高压，因工作压力的不同而背压不同），目的是最大限 度地减少钻具及钻头的磨损。 （２）转速。潜孔锤钻进属于慢回转钻进方法的一 种，合理的转速选择，对钻头寿命乃至钻进成本控制至 关重要。它主要跟冲击器所产生的冲击功的大小、冲 击频率的高低、钻头的形式以及所钻岩石的物理力学 性质有关。要求岩石面均匀破碎，破碎下来的岩屑能 及时被空气介质所清除，潜孔锤钻进无切削和剪切作 用，所以无需较大的线速度。 转速太快，对钻头的寿命不利，特别在研磨性强的 岩层，将使钻头外围的刃齿很快磨损和碎裂。如果转 速太慢，则将使柱齿冲击时与已有冲击破碎点（凹坑） 重复，导致钻速下降。一般的做法是，岩石愈硬或钻头 直径愈大，选用的转速愈低。 冲击钻进钻速的高低主要和冲击器频率、规格以 及岩石的物理机械性质有关，为避免重复破碎，合理的 转速应保证在最优的冲击间隔范围之内。 最优冲击间隔的确定，多采用２次冲击间隔的转角 表示，转速与冲击频率和最优转角的关系如下： Ａ＝ｎ２６０／ｆ 式中：Ａ——最优转角，（。）； ——钻具转速，ｒ／ｍｉｎ； 卜冲击频率，次／ｍｉｎ。 根据资料推荐，在硬岩中２次冲击之间的最优转角 为１１。。因而，在某些严重裂隙性岩层中钻进时，为防 止卡钻而采用增加转速的办法。但也要注意有时卡钻 是因为钻头已过度磨损，而增加转速会使问题复杂 化。对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，作为基本要 求。 （３）风压。潜孔冲击器的冲击频率和冲击功都与 空气压力有关，空气压力是决定冲击功的重要因素，因 而也是影响机械钻速的主要参数，国内外大量资料证 明，机械钻速和空气压力成正比关系。例如：空气压力 从０．６ＭＰａ提高至１．０３ＭＰａ时，钻进速度可提高一倍。 空气压力除满足潜孔锤工作压力外，还应考虑循环过 程中的压力损失，孔内压力降，潜孑Ｌ锤压降，有水情况 下尚须克服水柱压力，才能正常工作。 Ｐ＝Ｑ ＋Ｐ， ＋尸１＋尸２＋Ｌ×Ｏ．０１ 式中： 空气压力，ＭＰａ； Ｑ 一每米干孔的压力降，一般为０．Ｏ０１５ＭＰａ／ｍ； ——管道压力损失，０．１～０．３ＭＰａ； Ｐ ——潜孔锤压力损失，ＭＰａ； 尸 ——钻孔内水柱压力，ＭＰａ； Ｌ——钻杆柱长度，ｍ。 从上式可以看出，在无水条件下，随着钻进深度逐 步的增加，钻孑Ｌ内空气压力也在不断增大。 （４）风量。空气钻进中空气消耗量是根据气动潜 孔锤冲击器的性能参数（耗气量）及为清除孔内岩屑的 最低上返速度而确定。为保持孔底干净，携带孔底岩 屑颗粒在钻具环状间隙中的上返速度 一般取ｌ０～ １５ｍ／ｓ，对风量的计算： Ｑ＝４７．１Ｋ Ｋ （Ｄ。一ｄ。） 式中：Ｑ一钻进时所需空气量，ｍ ／ｍｉｎ； Ｋ ——孑Ｌ深损耗系数，通常取１．０４１．１； ——孑Ｌ内涌水时，风量增加，其值与涌水量有 关，中等涌水量为／￣２＝１．５ 一钻孑Ｌ直径，ｍ； 钻杆外径，ｍ； 、 一环状间隙气流上返速度，ｍ／ｓ。 （５）扭矩。由于潜孔锤钻进中，钻压仅作为防止锤 头空打，故一般所需钻压较小，根据扭矩计算公式： Ｍｒ．＝Ｋ￣ＰｘＲ 式中： 刀具旋转阻力系数，为试验统计值，一般取 ０．１～０．３： Ｐ一钻压，ｋＮ； 尺——钻孔换算直径，ｍ。 选用的空气压缩机的技术性能要与空气潜孑Ｌ锤钻 进工艺相匹配。空气压缩机除需具有足够的压力外， 其送风量不仅要确保上返气流速度大于不同粒度岩矿 样的悬浮下降速度，还应当满足潜孑Ｌ锤正常工作对送 风量的要求。 影响空气压缩机选择的因素主要有：钻孔深度、钻 孔口径、钻进速度、使用的潜孑Ｌ锤类型、钻孔内地下水 位及涌水量等。 ４钻具组合 根据施工情况，采用以下２种钻具组合方式： 采空区上部：主动钻杆＋ １２７ｍｍ钻杆＋ｊ２『１７８ｍｍ 韦艇２褂 １５９ｍｍ￣２根十ＳＰＭＳ８０懦 ３５０ｍｍ 钎头； （下转第５４页） ５４ 西部探矿工程 ２０１５年第１２期 ’， 参考文献： ２００５，３６（３）：４０—４１． ［１１谢晓永，唐洪明，孟英峰，等川西洛带气田致密砂岩污水回注 实验室研究［Ｊ】．钻采工艺，２００７，３０（５）：３９—４１． ［５１罗大忠．真空制盐发展概况及工艺述评［Ｊ］．中国井矿盐， ２００１，３２（１）：７—１ １． 【２］岳建伟，帅永乾，王倩，等川西气田地层水回注选井选层研究 ｍ油气田环境保护，２０１２，２２（４）：３０—３３． 【３】赵华．低温蒸馏工艺在川西气田的运用和优缺点［Ｊ】．西部探 矿１二程。２０１４（１０）：４７—５１． ［６】刘洋．真空制盐五效蒸发生产工艺改造探索【ＪＪ．中国井矿盐， ２００７，３８（６）：１４－１７． ［７】夏清．化工原理上册［Ｍ］．修订版．天津：天津大学出版社，２００５： ４３－４４ 【４】李书卫，赵水星．浅谈真空制盐节能技术『Ｊ１．中国井矿盐， （上接第５０页） 采空区：主动钻杆＋ １２７ｍｍ钻杆＋ １７８ｍｍ钻铤 表２台效对比表 ２根十 １５９ｍｍ钻铤２根＋ ３５０ｍｍ扶正器＋ＳＰＭＳ８０ 冲击器＋ｊ２『３５０ｍｍ钎头。 ５钻进方法 开孑Ｌ时，采用轻压慢钻方式钻进，确保钻孔垂直， 施工过程中，根据地层情况及时调整钻进参数，适当增 加钻压，一个回次结束后，上提钻具冲孑Ｌ，确保岩屑不 残留在孔内，施工至采空区后，根据采空区深度来确定 扶正器位置，防止扶正器卡在采空区内，穿过采空区后 扫孑Ｌ，将采空区形成的“台阶”扫平。施工深度超过 （２）使用高压潜孑Ｌ锤钻进，若孔深超过４００ｍ时，应 配备增压机增加风压。 （３）下钻后，当钻头接近孑Ｌ底前，启动空压机冲孔， 边送风边下放钻具；当钻头距孔底０．２ｍ时，开车回转 钻具，听到孔内冲击声后，即可逐步给压钻进。 （４）在钻进过程中遇有风压超限时，应及时提起钻 １５０ｍ后，采用２台空压机并联方式增加风量，可将孔内 较大岩屑冲出孔内，避免岩屑回落后重复破碎及卡钻 事故发生。 ６台效对比（见表２） ７结论 具（不停止回转），待缓解后方可继续钻进；否则，应及时 提钻检查。 （５）在钻进过程中若孔内背压过大，潜孔锤停止工 作，孔口不排屑时，可上下窜动钻具，待排屑后，潜孔锤 即可正常工作。 （６）穿过采空区后冲孔，确保将孔内岩屑吹至采空 区内。 （１）采用潜孔锤正循环钻进时，应配备能在１０～ ３０ｒ／ｍｉｎ范围内调速的机构。