氣動潛孔錘鉆進技術若干問題
摘要:氣動潛孔錘鉆進技術以其鉆進效率高、鉆孔質量好等一系列優(yōu)點已被廣泛應用,但在日常應用中也存在著諸如鉆進效果不盡如人意,所選設備性能和施工條件不匹配、不適應其主要參數(shù),基本操作守則掌握不好等問題。以工程實踐為依據,參考有關文獻,對氣動潛孔錘鉆進中的若干技術問題進行了論述,以期促進該技術的推廣應用。
關鍵詞:氣動潛孔錘;鉆進;鉆進參數(shù);設備;泡沫劑
前言
氣動潛孔錘鉆進是當代多工藝空氣鉆進技術方法之一,由于它具有鉆進效率高、鉆孔質量好等一系列優(yōu)點已被廣泛應用,而且得到了大家的認可。我國于20世紀80年代初期,在基巖水井施工中開始應用這一技術。經過幾十年的科研開發(fā)和推廣應用,現(xiàn)已取得了非常顯著的成效,從根本上改變了長期存在的鉆進效率低、成本高、成井質量差、出水量小、使用壽命短等問題。從目前情況看,雖然推廣面逐步擴大,技術領域不斷拓寬,有的鉆進效率比鋼絲繩沖擊鉆進、牙輪回轉鉆進提高幾倍到十幾倍,成井率提高80%左右、成本降低50% ,取得了顯著的經濟效益和社會效益。但在日常應用中也存在一些問題和不足,諸如: （ 1）鉆具組合形式單一,應用效果不盡如人意; （2）工藝方法簡單,鉆進效果不佳; （3）對泡沫劑的使用還不甚了解; （ 4）選用設備性能和施工條件不匹配、不適應; （5）進行氣動潛孔錘鉆進時,主要參數(shù)的選取和基本操作守則對鉆進效率的提高影響等。必須在原有基礎上不斷加以完善,有針對性地予以解決,以便達到加深對潛孔錘鉆進工藝的理解并合理運用,以利于此種技術的橫向拓寬和縱向發(fā)展。
1 氣動潛孔錘鉆進技術參數(shù)問題
1.1 風量、風速和風壓
一般認為所用壓縮空氣的壓力高,則潛孔錘鉆進的效率也高,而且鉆頭的使用壽命也長。供風量不僅是保證沖擊器工作的基本條件,也是保證鉆孔是否能正常排粉的重要因素,因為在干空氣的鉆進情況下,排粉效果的好壞,主要是和上返風速有關,而風速就和供風量發(fā)生直接關系。
風量根據所用沖擊器的性能以及要滿足洗井所需的上返風速而確定。因為巖屑在氣流介質中由于本身的粘度、密度和形狀的不同而具有不同的懸浮速度,因此要使巖屑有效地排出孔外,達到孔底干凈,就必須采用大于巖屑懸浮速度的上返風速。對于反循環(huán)氣動潛孔錘鉆進來說不存在此類問題,對于一般正循環(huán)鉆進,壓縮空氣在鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙中的上返流速,不少文獻推薦宜在15 ～30 m / s。有的文獻推薦排除巖屑所需風量往往還超過潛孔錘工作風量。在鉆桿直徑與鉆頭直徑相差較大時,潛孔錘在低氣壓下運轉,因氣量不足,不能產生足夠的氣流速度,巖屑不能及時排出孔外而堆積在孔底,這樣容易出現(xiàn)埋鉆,導致孔內事故發(fā)生。
因此,在進行大口徑潛孔錘鉆進時,鉆孔直徑和所用鉆桿直徑的級差比大時,就出現(xiàn)了潛孔錘供風量不能滿足排渣所需風量的問題,所以攜帶孔底巖屑鉆桿直徑與井壁之間的環(huán)狀間隙就顯得尤為重要。供風量的選擇與確定,主要是要保證一定的環(huán)空上返風速,依下列公式推算（正循環(huán)要大于15 m / s） :
V =（Q ×21220. 66）/（D2-d2）
式中: V ：上返風速, m / s; Q ：供風量, m3 /min;
D：鉆孔直徑,mm; d：鉆桿直徑,mm。
選擇好風量、風速和風壓的技術關鍵在于如何掌握好3個關系:空氣能量和循環(huán)阻力的關系;上返速度和清孔效果的關系;介質密度和鉆井條件的關系。在解決好上述關系的同時,還要采取相應的技術措施,如:增加供風量和供風壓力;減小環(huán)流斷面;有條件時選擇反循環(huán)氣動潛孔錘鉆進;合理選用沖擊器型號;調整介質密度,采用氣液兩相介質循環(huán),如采用泡沫劑、霧化以及其他充氣介質等。通常規(guī)律是其相同條件下風壓愈高鉆速愈快。隨孔深的增加所需壓力也增大,如鉆a120 mm的鉆孔,深150 m時需消耗風壓1. 4MPa,深200 m時需消耗風壓1. 7MPa。另外用空氣泡沫鉆進消耗風壓約比純空氣增大0. 18 MPa,同樣條件下,如孔深200 m時用空氣泡沫其沖孔風壓為2. 21 MPa,而純空氣鉆進風壓僅為1. 7MPa不同沖孔方法對配備空壓機能力要求也不同。此外,在有水的情況下鉆進,背壓對潛孔錘風壓每10 m增加0. 1MPa。
為減少巖屑堆積,還可在潛孔錘上部安裝沉淀管的辦法,能取得效果,并使風量消耗減輕。
1.2 軸向壓力
從沖擊碎巖原理來看,巖石主要是靠沖擊動載作用下破碎的,因此潛孔錘鉆進效率的高低,主要是取決于沖擊功的大小和沖擊頻率的多少,而軸壓是保證沖擊功充分發(fā)揮作用的輔助力,過大過小都會影響鉆進正常進行,大則會引起鉆具的振動、鉆頭過早的磨損、硬質合金齒掉落、回轉困難;過小將會影響沖擊功的有效傳遞。
表1列出了幾種規(guī)格潛孔錘鉆進時推薦選用的軸向壓力范圍,如果孔內鉆柱自身重力超出其范圍時應采取減壓鉆進。
潛孔錘鉆進主要靠沖擊器活塞來沖擊鉆頭,而不是靠鉆桿柱加壓提高鉆速,這一點不同于牙輪鉆頭回轉鉆進。因此,為防止鉆桿劇烈震動,盡可能選用下限值,鉆壓過高會損壞沖擊器和鉆頭,使鉆速下降。
1.3 轉速
潛孔錘鉆進是屬于慢回轉的一種鉆進方法,合理的轉速選擇,對鉆頭壽命乃至鉆進成本至關重要。它主要與沖擊器所產生的沖擊功的大小、沖擊頻率的高低、鉆頭的形式以及所鉆巖石的物理機械性質有關。潛孔錘鉆進以沖擊碎巖為主,所以無需過快的線速度。轉速太快,對鉆頭的壽命不利,特別在研磨性強的巖層,轉速過快將使鉆頭外圍的刃齒很快磨損和碎裂。
如果轉速太慢,則將使柱齒沖擊時與已有沖擊破碎點（凹坑）重復,導致鉆速下降。常規(guī)是巖石愈硬或鉆頭直徑愈大,愈要求用較低之轉速。
在某些嚴重裂隙性巖層中鉆進,有時為防止卡鉆而采用增加轉速的辦法。但也要注意有時卡鉆是因為鉆頭已過度磨損,而增加轉速會使問題復雜化。對潛孔錘鉆進,優(yōu)鉆頭回轉速度,應以獲得有效的鉆速、平穩(wěn)的操作和經濟的鉆頭壽命作為一般要求,現(xiàn)提出下列經驗數(shù)據供選擇:覆蓋層為40～60 r /min;軟巖層為30～50 r/min;中硬巖層為20～40 r /min;硬巖層為10～30 r/min。
2 氣動潛孔錘鉆進
2.1 氣動沖擊器
沖擊器是潛孔錘鉆進的主要鉆具,其性能優(yōu)劣直接影響鉆進效率。國外十分注重對沖擊器性能的研究,解決了許多技術關鍵問題,使沖擊器的性能有了很大的提高。如阿特拉斯、美國壽力開發(fā)的系列產品就很多,有適合深孔的,低耗、低氣量的中高風壓的等。大部分為無閥結構,內部零件少,結構簡單,堅固而好用。從發(fā)展趨勢看是向高風壓和大孔徑發(fā)展。國內一些廠家也很重視對沖擊器的研究,產品的性能已接近國際先進水平。從近年來的生產應用看,基本滿足了工程需要,而且價格還比國外的便宜。另外,提高風壓就可提高鉆進效率,這也是國內外致力于發(fā)展高風壓沖擊器的原因。對施工單位來說選購高壓還是低壓沖擊器要因實際情況而定, 條件許可時盡可能選配高壓的,但同規(guī)格的沖擊器高壓和低壓的價格差異較大,選配時一定要注意。
國內外有關廠家氣動沖擊器見表2。
2.2 鉆頭
沖擊器所產生的能量是通過鉆頭破碎巖石的,所以巖石要受沖擊和研磨雙重作用。這就要求對鉆頭進行合理的設計、制造和使用,保證鉆頭的高效、耐磨和長壽命。這也是提高鉆進效率的重要因素之一。
目前國外對潛孔錘鉆頭除了合理設計選用不同形狀硬質合金柱齒外,鉆頭底唇面造型及合理布齒都至關重要。常規(guī)用的大致分為以下4 種底面造型,適用于不同巖層和工況條件下選擇（如圖1 所示） 。
2.2.1平底型
這是一種通用型設計,用于較軟或硬的巖層。在破碎和裂隙性以及巖性多變的巖層中鉆進有良好的效果。但不宜在特別軟的和覆蓋層中使用。
2.2.2凸底型
設計用于鉆速比鉆孔垂直更重要的硬、研磨性強的巖層鉆進。其凸形表面相對克取巖層表面較小,能產生較大的沖擊功,并獲得高的鉆速。但鉆孔垂直度比其他鉆頭要差一些。
2.2.3凹底型
設計有一個向內凹的錐形面,能起到減少地面設備震動和保持鉆孔垂直的作用。為提高碎巖效果,其柱齒呈交錯排列,在許多巖層中的鉆速較高。此型鉆頭適用于軟和硬的巖層,而且鉆頭壽命長。
2.2.4擴孔釬頭
專門設計用于特殊情況下擴大孔徑。鉆頭體下部同牙輪擴孔鉆頭底部,有一與前導孔直徑匹配的導正部分,共分兩次鉆鑿,這種方法解決了一次成孔存在的許多不利因素,而且成孔垂直度高,效率也相對較高。
除了上述鉆頭底面造型外,日常還會碰到有中空式鉆頭,跟管鉆進用的其它形式鉆頭。
2.3 鉆桿柱
氣動潛孔錘鉆進用鉆桿柱與其它回轉鉆進相比,不承受大的扭矩和高轉速,鉆具質量輕,所以,實踐證明鉆桿有較長的壽命。從正循環(huán)鉆進來說,加大鉆桿外徑,減小壁厚,鉆桿質量增加不大,但截面系數(shù)增大了,有利于提高上返速度,又使鉆桿剛度增大,對深孔鉆進顯得尤為重要,既提高了鉆速又減少了鉆孔的偏差。為減少孔內事故發(fā)生,建議用外平鉆桿比較適宜。具體鉆桿柱的連接,潛孔錘上加扶正器以及鉆鋌,這必須要因地制宜,根據操作者的習慣和經驗而定。
但對反循環(huán)氣動潛孔錘而言,鉆桿柱連接比較簡單,小直徑鉆孔均為外平式雙壁鉆桿,大直徑鉆孔常規(guī)式雙壁鉆桿,內外管均采用特殊結構設計加工。與氣舉反循環(huán)鉆進用雙壁鉆桿有明顯區(qū)別,而且地面配套與正循環(huán)氣動潛孔錘都不一樣。此工藝方法正在推廣階段,用途及范圍也在不斷擴大。
2.4 空壓機
合理選用空壓機是保證潛孔錘高效鉆進的基礎。目前進入中國市場的國外空壓機種類也很多,除了向國內銷售外,還面向用戶租賃。施工單位可按工程實情咨詢選配。有關氣動潛孔錘鉆進常用空壓機見表3。
2.5 鉆機
鉆機作為配合潛孔錘鉆進的主要設備,它是驅動潛孔錘鉆進回轉的動力。選用性能和潛孔錘鉆進技術要求適應的鉆機,是保證潛孔錘鉆進正常進行的又一重要條件。有些鉆機性能是不適應的,主要反映在鉆機的轉速偏高。近年來我國進口的全液壓動力頭車裝鉆機劇增,同時國內有些廠家也在研制生產此種類型鉆機,而且鉆進工藝主要采用氣動潛孔錘方法,其大優(yōu)越性是機械化程度高和無級變速,現(xiàn)已成為了適合氣動潛孔錘鉆進的鉆機。目前這方面常用的各種類型鉆機見表4。
3 注入泡沫劑的功效
潛孔錘鉆進注入泡沫劑是必不可少的一種工藝方法。它是在輸送空氣的同時通過泡沫泵向空氣流中注入一定量的發(fā)泡劑,使洗井介質在循環(huán)中產生大量的穩(wěn)定泡沫,因為空氣泡沫的密度比水小得多,再加上活性物質的其它性能,對解決潛孔錘鉆進過程中排巖屑、撲塵、降低水柱壓力、增浮和潤滑鉆具都有良好的作用。一般進口鉆機上基本都配有注入泡沫劑泵,我國一些車裝鉆機也開始向這方面完善,以利于發(fā)揮注入泡沫劑的功效。但對于散裝鉆機施工,需要自配泡沫劑泵。
3.1 適用范圍
（1）干旱缺水地區(qū)空氣泡沫潛孔錘鉆鑿基巖水井;
（2）氣動潛孔錘施工錨固孔、爆破孔、震源孔除塵處理;
（3）冰凍地層鉆進空氣泡沫洗井;
（4）干旱缺水地區(qū)各種工程孔（市政工程、交通、礦山）空氣鉆進潮濕層、漏失層、涌水層的泡沫洗井,快速通過復雜地層;
（5）充氣泡沫泥漿鉆進工程地質、水文地質鉆孔的漏失地層;
（6）油田低壓油、氣層空氣泡沫負壓鉆井;
（7）油田修井作業(yè)中漏失井的泡沫沖砂負壓洗井;
（8）油田自噴井的泡沫誘噴,延長自噴周期;
（9）油田含水氣井泡沫排除井底積液,泡沫化排作業(yè),預防氣井水淹停產。
3.2 用法與用量
一般情況下, ADF泡沫劑的使用濃度為011%～014% ,也可以根據地層的水質、液、產油量調整泡沫劑使用濃度。當?shù)貙右毫枯^大,地層水礦化度較高時,可適當提高使用濃度?，F(xiàn)場使用時,用計量泵將稀釋后的泡沫劑直接注入井內即可。
4 結語
（1）氣動潛孔錘鉆進工藝的一系列優(yōu)點,已在鉆探施工許多領域所證實。它和其它方法配合使用,可以有效地推行綜合式分層鉆進技術,達到全面提高生產效率,降低鉆探成本的目的。
（2）該技術不僅適合淺而無水的鉆進條件,而且當風壓能夠克服孔內水柱阻力的情況下,也能在深而有水孔中鉆進。
（3）該工藝適合于干旱缺水、供水困難的甚巖井施工,可大幅度提高鉆進效率,減少供水設備和費用,保證施工能正常進行。
（4）對于初次采用的單位來說,一定要先學習掌握此項技術的相關知識,不能急于求成。
