大直径集束式潜孔锤反循环钻进技术研究

大直径集束式潜孔锤反循环钻进技术研究
王四一;赵江鹏
【摘要】针对大直径集束式潜孔锤反循环钻进试验发现的问题,选型配套了大规格双壁钻杆,改进设计了大直径集束式反循环潜孔锤和孔口密封装置等关键装置.依托某大直径工程项目进行了现场试验,结果显示:大直径集束式潜孔锤反循环钻进平均机械钻速3.41 m/h,与同条件下大直径牙轮钻头正循环钻进相比,效率提高了3.2倍;与原大直径集束式潜孔锤反循环钻进相比,效率提高了60％.
【期刊名称】《中州煤炭》
【年(卷),期】2016(000)006
【总页数】4页(P119-122)
【关键词】大直径钻孔;反循环潜孔锤;孔口密封装置;双壁钻杆;反循环钻进
【作者】王四一;赵江鹏
【作者单位】中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077
【正文语种】中文
【中图分类】TD265
许多煤矿为缩短井下管道、电缆的铺设距离，降低安装运行成本，以便于后期集中维护管理，利用地面大直径工程孔将井下瓦斯、生产水、废水、电缆等管道引至地面是其新选择。

近几年属于此类的大直径工程钻孔施工项目逐年增多。

另外，大直径工程孔还常用于矿井自然通风和矿山应急救援等方面，大直径工程孔具有广阔的
市场应用前景[1-3]。

大直径工程孔硬岩钻进是影响其施工进度的最主要因素，提
高硬岩钻进效率是缩短大直径工程孔施工时间的最有效技术途径[4-5]。

目前，大
直径工程孔硬岩段主要利用大直径牙轮钻头和泥浆正循环钻进工艺来完成。

大量工程实践表明：大直径牙轮钻头碎岩效率较低[6]，泥浆正循环钻进携粉能力差、排
渣困难，孔底存在严重的重复破碎现象，影响钻进效率[7]。

针对上述大直径工程孔硬岩钻进难题，国内已有多家研究机构研究了大直径潜孔锤反循环钻进技术，即利用空气潜孔锤高频冲击、体积碎岩的特性提高孔底碎岩效率，利用双壁钻杆空气反循环工艺解决排渣难题[7-10]。

近几年，该技术研究也取得较大进展[11-15]。

其中，以孔底—孔口联合密封方法为特点的大直径集束式潜孔锤反循环钻进是一种高效的钻进工艺方法，与同条件下常规钻进方法相比，钻进效率提高了1.6倍。

它最突出的特点是允许孔底密封机构与钻孔存在一定间隙，其优点是降低了大直径潜孔锤孔底密封机构的设计难度；增强了反循环工艺对钻孔坍塌掉块等孔内复杂条件的适应能力。

同时发现仍需选型配套更大规格的双壁钻具，优化、改进大直径反循环潜孔锤和孔口密封装置结构，以进一步提高钻进效率。

原采用的是φ127/70 mm双壁钻杆，在现场试验过程中发现，与φ710/311 mm 集束式潜孔锤配套使用实施反循环钻进试验存在问题，主要表现在：①不能实现连续排渣，每钻进2 h需专门停钻进行排渣。

在一定转速条件下，当加压时，机械钻速会提高，即单位时间内破碎下的岩屑增多，但是随着加压时间的推移，孔口排渣量逐渐减小，这时需要停止钻进，将钻头提离孔底进行专门排渣，否则就会造成堵塞。

②憋气。

随着孔深与孔内液柱的增大，孔底压力增大，由于空气的高压缩性，此时潜孔锤冲击频率减小、冲击功减小，当加大注气量至70 m3/min时，注气压力已经达到2 MPa，且发现孔口周围地面上多处开始冒泡，打开孔口密封装置排
气口后，大量气体从环空溢出地面，同时反循环起初也能够形成，只是随着时间的增长，排渣口排渣量快速减小，停止钻进专门排渣后循环通道被堵塞。

综上分析认为，主要原因是双壁钻杆的内管直径只有70 mm，与大直径潜孔锤钻进工艺的注气量70 m3/min不匹配，需选配更大规格的双壁钻杆。

因此，选配了φ178/113 mm双壁钻杆，其内管直径达到了113 mm，排渣能力大幅度提高。

原φ710/311 mm集束式反循环潜孔锤存在一些问题：①配气室、潜孔锤接头的
偏磨问题；②提钻时配气室上端面易顶卡在上部套管底部；③返出的岩屑颗粒小，呈粉末状，孔底重复破碎现象比较严重。

针对以上问题，从大直径潜孔锤导正机构、配气室以及密封机构几方面进行了改进设计。

设计需满足已有钻机装备、双壁钻具及试验钻孔等条件的基本使用要求。

(1)满足ZMK5530TZJ60(A)车载钻机的使用要求。

该钻机孔口工作台可通过的最
大规格钻具直径为711 mm。

(2)满足试验钻孔的施工要求。

拟在该钻孔三开岩石段的扩孔阶段进行试验，其导
向孔为φ311 mm，三开孔为φ580 mm。

(3)满足配套双壁钻具的使用要求。

双壁钻具规格为φ178/113 mm，外管扣型为
特殊设计的非标扣型，内管为插接式连接。

φ580/311 mm集束式反循环潜孔锤是将3个φ200 mm常规正循环冲击器与
φ215.9 mm潜孔锤钻头均布在同一圆周面上组合而成，主要由双壁接头、导正机构、配气室、导气管、单锤、排渣管、底部密封盘以及导向头等组成，总体结构如图1所示，主要参数见表1。

其中，双壁接头可直接与φ178/113 mm双壁钻杆
连接；配气室将沿φ178/113 mm双壁钻杆内外管注入的压缩空气通过导气管均
匀分配给3个单锤；单锤可在压缩空气的驱动下体积破碎孔底岩石；排渣管与双
壁钻杆内管相通，是孔底废气、水及岩粉(屑)排出通道。

底部密封盘有2个主要作用：①阻隔孔底排出的压缩空气进入钻孔环空；②固定3个单锤与排渣管，在其
外圆柱面上设置有耐磨带，可修复孔壁起保径作用。

导向头下可直接螺纹连接
φ311 mm三翼刮刀钻头，在扩孔中起导正作用。

φ580/311 mm集束式反循环潜孔锤与原φ710/311 mm集束式反循环潜孔锤相比，主要从底部密封盘、配气室两方面进行了改进设计。

(1)底部密封盘的结构改进设计(图2)。

结构设计主要从3方面进行了改进：①由2块厚50 mm钢板焊接而成改为由1块厚120 mm整体钢板直接加工，其优点是
可提高底部密封结构整体强度、减小其底端面与岩石破碎面的间隙，利于排出大颗粒岩屑；②排渣口处增设导流槽，其优点是岩屑更易于进入排渣通道；③外侧面增设耐磨带，其优点是可提高底部密封效果和使用寿命。

(2)配气室的结构改进设计(图3)。

主要从以下2个方面进行了改进：①设置了3个导渣槽，其优点是可防止上部孔段坍塌、掉块造成气盒子处卡钻，提高对孔内复杂情况的适应能力。

②设置了耐磨带，其优点是可防止偏磨造成配气室的过早损害。

现有的孔口密封装置需要现场焊接安装，费时且费力，改进后设计成为分体式结构、插接式连接的孔口密封装置(图4)，其安装时间由6.0 h缩短至1.5 h，大大缩短了施工辅助时间，从而提高了施工效率。

(1)基本概况。

在山西某高瓦斯高突出煤矿施工完成一口终孔直径为580 mm、深
度295 m的救援孔，依托该救援孔工程，利用ZMK5530TZJ60(A)车载钻机进行
了大直径反循环潜孔锤钻进工艺试验。

钻遇地层为二叠系下统山西组、下石盒子组等。

采用钻具组合为φ580/311 mm扩孔用集束式反循环潜孔锤+φ178/113 mm 双壁钻杆+保护接头+气盒子；主要钻进参数为注气量35 m3/min，转速为35
r/min，注气压力1.1～1.2 MPa。

(2)应用效果。

φ580/311 mm扩孔用集束式反循环潜孔锤钻进形成了良好的反循
环排渣效果(图5)，机械钻速2.31～6.00 m/h，平均机械钻速3.41 m/h，与同条件下φ550/311 mm牙轮扩孔钻头相比钻进效率提高了3.2倍，与φ710/311 mm扩孔用集束式反循环潜孔锤钻进平均机械钻速2.1 m/h相比，钻进效率提高
了60%。

以孔底—孔口联合密封方法为特点的大直径潜孔锤反循环钻进是一种高效的钻进工艺，实现该工艺方法的关键器具包括双壁钻杆、大直径反循环潜孔锤和孔口密封装置。

针对以往试验中发现的新问题进行了一系列研究工作：将原φ127/70 mm 双壁钻杆改为φ178/113 mm双壁钻杆，以增强上返通道的排渣输送能力；将原集束式反循环潜孔锤的底部密封盘和配气室进行了改进设计，以提高其孔底复杂情况的适应能力；将原焊接式孔口密封装置改为插接式孔口密封装置，以缩短现场安装所需的时间。

经现场试验表明：与φ127/70 mm双壁钻杆相比，φ178/113 mm双壁钻杆维持反循环通道所需的压力低且压力波动小，排渣能力大幅提高，可适用于更深的大直径钻孔施工；改进后的集束式反循环潜孔锤碎岩效率高、排渣效果好；孔口密封装置现场安装时间得到明显减少。

综上可知，上述关键器具均达到了预期目标，该大直径潜孔锤反循环快速钻进技术可推广应用于其他各种用途的煤矿大直径垂直定向孔施工中。