程 林，滿國祥，朱立強，王慧嶺，任立坤，王 珂

(河北省地勘局國土資源勘查中心，河北石家莊050081)

1 概述

目前大口徑鉆井施工一般應用在煤礦的生產井、通風井、救援井中，一般要求直徑在幾百毫米到幾米之間，深度為200～1000 m之間。對于直徑小于1.5 m的鉆孔，現(xiàn)多采用泥漿正循環(huán)回轉鉆進工藝。理論上講，泥漿正循環(huán)鉆井工藝的高效鉆進孔徑上限為311 mm，在更大直徑的鉆孔施工中，由于鉆桿與井壁之間的環(huán)空過大，泥漿上返速度慢、攜渣能力差，造成鉆頭重復破碎，鉆進效率低，停鉆時排渣不徹底易造成埋鉆事故。一般的解決辦法有:采用多臺高壓大排量泥漿泵并聯(lián)加快上返泥漿速度，受鉆桿內徑和鉆桿機械性能的限制，泥漿流速提升有限，鉆進效率提高不大，且使發(fā)生鉆桿刺穿事故幾率大幅增加;增加泥漿粘度，從而增強泥漿的攜渣能力，但大顆粒巖屑還是無法上返，重復破碎現(xiàn)象依舊存在，且高粘度泥漿在靜置時極易析出，在停鉆時易發(fā)生包鉆、卡鉆事故。

針對上述問題，尋求新工藝新方法才是根本的解決辦法，可用的新工藝主要有如下幾種。

(1)雙壁鉆桿氣舉反循環(huán)鉆進工藝。采用雙壁鉆桿實現(xiàn)氣舉反循環(huán)鉆進，雙壁鉆桿具有加桿方便，操作簡單的優(yōu)點，但加工制作要求精度高，加工過程復雜、成本高，內管密封易失效，在調節(jié)沉沒比時很繁瑣，需要將上部的雙壁鉆桿全部從孔內取出，向孔內加入一定數(shù)量的單壁鉆桿后，再加入需要的雙壁鉆桿，而且鉆進過程中需要經常地調節(jié)。常規(guī)雙壁鉆桿上返截面小，只能用于水井及地熱井的鉆井施工，而設計大直徑的雙壁鉆桿則會對鉆機轉盤通徑、補心尺寸及擰卸工具提出諸多要求，不能在大多數(shù)鉆機上通用，不好推廣。

(2)氣動潛孔錘鉆進工藝。氣動潛孔錘鉆井工藝的鉆進效率很高，現(xiàn)在在中、小孔徑的鉆井中應用普遍，但在大孔徑鉆井中需要用大直徑的集束潛孔錘，且需多臺空壓機并聯(lián)才能滿足風量要求，前期投入較大，對購買能力要求較高。

(3)風管式氣舉反循環(huán)鉆進工藝。風管式氣舉反循環(huán)鉆進外管為常規(guī)鉆桿，可不重新采購，調節(jié)沉沒比方便，只需要調節(jié)插入到鉆桿內的風管的長度即可，同樣規(guī)格外管較雙壁鉆桿上返截面更大，排渣效果更好，風管密封更可靠，但須配置專用氣水龍頭。

經比較，風管式氣舉反循環(huán)鉆進工藝較前2種工藝更適用于大口徑鉆井施工，可實現(xiàn)大截面反循環(huán)鉆進。

2 風管式氣舉反循環(huán)鉆進工藝

如圖1所示，風管式氣舉反循環(huán)鉆進即以高壓空氣通過氣水龍頭或氣盒子，經風管從鉆桿內部導入井下，從風管末端的氣水混合器噴入鉆桿內，形成無數(shù)小氣泡，小氣泡在鉆桿內一面迅速上升，一面同時膨脹，從而產生氣舉作用。由于壓縮空氣不斷的進入鉆井液，在氣水混合器上部形成低密度氣水混合液，而井中的鉆井液密度大，根據連通器原理，鉆桿內的氣水混合液在壓差作用下向上流動，把井底的鉆渣連續(xù)不斷的帶出地上，排入沉淀池。沉淀后的鉆井液再流回孔中，經孔底進入鉆桿內補充循環(huán)液的空間，如此不斷的循環(huán)形成連續(xù)鉆進的過程。由于氣舉反循環(huán)鉆進是由鉆桿內孔上返鉆井液，截面小，上返速度快，攜帶鉆渣能力強，從而解決了大口徑鉆井鉆井液上返速度慢，鉆渣不能及時帶出孔底而形成重復破碎的現(xiàn)象。

圖1 風管式氣舉反循環(huán)鉆進原理

在泥漿鉆進中，為對鉆渣形成有效地攜帶，需要的較為理想的有效泥漿上返速度約為1～2 m/s。以850 mm直徑的鉆孔，178 mm外徑、130 mm內徑的鉆桿為例，如采用泥漿正循環(huán)鉆進，則需要的最小泥漿流量計算如下。

鉆孔與孔壁形成的環(huán)空面積為:

A=π(0.852－0.1782)/4=0.542 m2

所需的泥漿最小流量為:

式中:v1——最低有效泥漿上返速度，取1 m/s。

常規(guī)大排量泥漿泵的排量約為1.5 m3/min，能滿足上面公式計算結果的大排量泥漿泵是不可想象的，使用起來更是不現(xiàn)實的。

如果采用內通徑為130 mm的鉆桿進行泥漿反循環(huán)鉆進，從鉆渣有效上返的角度來講則需要的最小凈泥漿流量計算如下。

式中:v2——理想泥漿上返速度，取2 m/s。

這樣的泥漿流量通過氣舉反循環(huán)鉆進工藝很容易實現(xiàn)。

而此時如果采用泥漿正循環(huán)鉆進，受泥漿泵泵量的限制，只有將巖石磨成粉狀后才能有效上返，這會使得鉆頭和待破碎巖石之間始終夾雜著巖塊或是巖粉，牙輪鉆頭不能時時的對孔底的待破碎巖石進行有效地破碎，從而也就極大地影響了鉆進效率。

相對于正循環(huán)泥漿鉆進，反循環(huán)泥漿鉆進有效地減少了重復破碎，可以幾倍、甚至十幾倍的提高鉆進效率，延長鉆頭使用壽命;對鉆井液性能要求低，且井內鉆井液為自流補充，對涌水和漏失均有較好的抑制作用，提高了復雜地層鉆井的安全性;由高壓大排量泥漿泵推動鉆井液循環(huán)改為小排量空壓機的氣舉作用帶動泥漿循環(huán)在動力消耗方面要減少很多。

3 風管式氣舉反循環(huán)鉆進專用鉆具介紹

3．1 150 t氣水龍頭

按鉆孔直徑600～1500 mm、鉆孔深度1000 m，設計水龍頭參數(shù)如下:最大承重150 t，進氣口直徑25.4 mm，排渣口直徑130 mm、帶5 in由任與排渣管連接，設風管懸掛機構，整套風管自此引出，如圖2所示。

圖2 150 t氣水龍頭

3．2 170 mm ×170 mm 方鉆桿

為滿足大通徑和大扭矩要求，方鉆桿驅動部分為170 mm×170 mm，內孔直徑130 mm，接頭外徑241 mm，長度12.15 m。

鉆桿接頭外徑241 mm，內孔直徑130 mm，桿體直徑178 mm，壁厚10 mm，長度9.5 m。

3．3．1 鉆桿的強度校核

3．3．1．1 接頭的扭轉屈服強度

式中:TY——達到屈服的扭矩或轉矩，N·m;Ym——材料的最小屈服強度，kPa;A——橫截面積，取Ab或Ap中較小者，mm2;P——螺距，mm;f——螺紋和臺肩配合面的摩擦系數(shù)，一般取0.08;θ——螺紋斷面角的 1/2;Rs——內螺紋截面參數(shù)，mm;Rt——外螺紋截面參數(shù)，mm;C——基點處螺紋中徑，mm;Lpc——外螺紋連接長度，mm;tpr——螺紋錐度，mm/m;OD——外徑，mm;Qc——內螺紋連接錐口直徑，mm;E——E=tPr×9.525 ×10－3，mm;B——螺紋牙型參數(shù)，mm;H——理論牙高，mm;Srs——截底高，mm。

代入數(shù)值計算得:TY=245 kN·m。

3．3．1．2 接頭的抗拉屈服強度

P1=YmA/103

式中:P1——達到屈服的最小拉伸載荷，N;Ym——材料的最小屈服強度，kPa;A——橫截面積，取值同上式，mm2。

代入數(shù)值計算得:P1=10340 kN。

3．3．1．3桿體的扭轉屈服強度

Q=1.154JYm/(D×106)

式中:Q——達到屈服的扭矩或轉矩，N·m;J——極慣性矩，對于管類，J=(π/32)(D4－d4);D——外徑，mm;d——內徑，mm;Ym——材料的最小屈服強度，kPa。

代入數(shù)值計算得:Q=136 kN·m。

3．3．1．4 桿體的抗拉屈服強度

P2=YmA/103

式中:P2——達到屈服的最小拉伸載荷，N;Ym——材料的最小屈服強度，kPa;A——桿體橫截面積，mm2。

代入數(shù)值計算得:P2=6500 kN。

經計算接頭的強度高于桿體，則鉆桿的抗扭屈服和抗拉屈服以桿體的參數(shù)計算，即178 mm鉆桿的扭轉屈服為136 kN·m，抗拉屈服為6500 kN。

3．3．2 鉆柱設計

以采用石油ZJ30鉆機，鉆進孔徑1.5 m，深度1000 m的鉆孔為例，進行鉆柱設計。

3．3．2．1 拉伸載荷

P=(LdpWdp+LcWc)KbKa

式中:P——鉆桿的浮重，N;Ldp——鉆桿長度，m;Wdp——鉆桿組合在空氣中每米重力，N/m;Lc——鉆鋌長度，m;Wc——鉆鋌組合在空氣中每米重力，N/m;Kb——浮力系數(shù);Ka——安全系數(shù)。

代入數(shù)值計算得:P=1600 kN。

3．3．2．2 抗扭強度

式中:T——鉆桿所承受的的扭矩，N·m;HP——用于使鉆桿旋轉的功率，W;RPM——轉速，r/min;Ka——安全系數(shù)。

代入數(shù)值計算得:T=40 kN·m。

鉆鋌外徑241 mm，內徑130 mm，長度9.14 m，單根質量2540 kg。

3．5 擴孔牙輪鉆頭

擴孔牙輪鉆頭由導向鉆頭、擴孔鉆頭、扶正環(huán)、吸渣口等幾部分組成(見圖3)，根據終孔直徑、地層狀況確定鉆頭的規(guī)格、牙掌的類型、設計幾級擴孔鉆頭。

圖3 擴孔牙輪鉆頭

3．6 風管

風管外徑35 mm，內徑25.4 mm，長度9 m。風管是向井下鉆桿內通入高壓空氣的通道，鉆井中使用風管的長度由鉆井深度和鉆孔直徑決定。

3．7 氣水混合器

氣水混合器連于風管末端，是高壓空氣由風管進入鉆桿內孔，與鉆桿內孔中的鉆井液充分混合形成氣水混合液，產生氣舉作用的專用設備。

4 配套設備

4．1 鉆機

與此套鉆具配套的鉆機可選TSJ系列工程鉆機，ZJ系列石油鉆機，或多工藝車載鉆機。鉆機回轉扭矩和提升能力應能滿足鉆孔需要。在深孔時為減少輔助時間，應優(yōu)先選擇帶排管架、能提升長立根的大型深井鉆機。鉆機的選擇正確與否，不僅影響鉆進效率的高低、質量的好壞、成本的多少，而且也影響到鉆進工作的正常進行。

4．2 空壓機

為了獲得足夠的上返速度，當?shù)叵滤惠^深、沉沒比較小，鉆孔口徑和雙壁鉆桿內徑較大時，應選用大風量的空壓機，以提高鉆進效率。要想得到足夠的上返速度和較高的鉆進效率，一般來講，空壓機以大些為好。通常在扣除管路沿程損失的情況下，可按照每0.1 MPa壓力氣舉9.8 m來計算混合器的下入深度。從以上情況可見，空壓機的排量和它的工作壓力是決定氣舉反循環(huán)鉆進效率的主要參數(shù)?？諌簷C的理想選擇也是氣舉反循環(huán)鉆進技術的關鍵。除了參數(shù)應合理選擇外，還應該考慮到它本身的結構特點。一般來說為便于搬遷應優(yōu)先選用移動式空壓機，為減少維護工作量最好選用風冷式空壓機。此套鉆具易選用排量10 m3、壓力6 MPa的移動式空壓機。

5 現(xiàn)場應用實例

現(xiàn)場設備:ZJ30型石油鉆機，排量10 m3、壓力15 MPa的集裝箱式空壓機，鉆孔深度593 m，下入300 m風管，進行氣舉反循環(huán)鉆進。鉆具內上返的鉆井液速度較泥漿正循環(huán)鉆進時孔內上返流速明顯提高，上返鉆渣顆粒增大，重復破碎減少，鉆進效率提高，鉆頭壽命延長，泥漿泵停用后能源消耗顯著降低，在對比中充分體現(xiàn)了風管式氣舉反循環(huán)鉆進工藝的優(yōu)越性。

6 結語

目前國家對煤礦安全生產越來越重視，送料孔、通風孔、瓦斯排放孔、搶險孔等深孔、大直徑鉆孔工程越來越多，這些工程若使用正循環(huán)鉆進，由于孔徑大、孔壁間隙大，加之鉆孔深度大，返渣問題幾乎難以解決，采用氣舉反循環(huán)是最為有效的方法。而風管式氣舉反循環(huán)鉆具又具有投入少、工藝簡單、易操作、能有效降低工人勞動強度等優(yōu)點。實踐證明，氣舉反循環(huán)鉆進技術在此領域有著廣闊的應用前景。

［1］ 周全興．鉆采工具手冊［M］．北京:科學出版社，2002．

［2］ 胡晨光．鉆探工程技術［M］．安徽合肥:安徽文化音像出版社，2004．

［3］ 孫松堯．鉆井機械［M］．北京:石油工業(yè)出版社，2006．

［4］ 趙金洲，張桂林．鉆井工程技術手冊［M］．北京:中國石化出版社，2004．

［5］ 孫明光．鉆井、完井工程［M］．北京:中國石化出版社，2002．