空气潜孔锤钻进在瓦斯排放井施工中的应用

空气潜孔锤钻进在瓦斯排放井施工中的应用

介绍了空气潜孔锤钻井工艺原理，引进的目的和意义，钻井参数的确定，并结合韩城桑树坪矿区地层的实际情况，分析了空气潜孔锤钻进效率、施工注意事项，同时提出了几点认识。

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1 概述

空气潜孔锤钻进技术起源于上一世纪五六十年代，它是以压缩空气为动力介质，驱动孔底潜孔锤冲击碎岩，同时又以压缩空气作为洗井介质冲洗孔底的一种钻进技术。它具有钻进快、成井质量好、钻具磨损小、事故率低等特点，广泛应用于钻探施工的许多领域，特别适用于干旱缺水地区，在高硬度岩层、卵砾石层、破碎漏失地层钻进中钻进效率大幅提高。近年来，随着我国经济建设的不断发展，各类钻探工程市场越来越大，市场竞争越来越激烈，引进空气潜孔锤钻井工艺对提高钻进效率，降低钻探成本，增强市场竞争力均具有十分重要的意义。2009年，陕西省煤田地质局131队在韩城桑树坪煤矿瓦斯排放井施工中，将TSJ-2000型转盘式水源钻机与空气潜孔锤钻进技术有机结合，取得了良好的效果。

2 概况

2.1 工程概况

桑树坪煤矿瓦斯抽放井项目原设计钻孔2个，孔深550m，钻孔结构：0-40m，孔径φ850mm，下φ850mm表层套管；40-550m，孔径φ650mm，下φ530mm套管。我队于2008年8月开始施工，先导孔（φ215mm孔径）采用三牙轮泥浆钻进工艺，因地层破碎漏失严重，采取了多种堵漏方法，耗资巨大没有效果，历时5个月孔深不到200m。

在普通工艺难以完成该项目的情况下，我队征得业主的同意后，修改了施工方案，于2009年元月新购置两台寿力1150型空压机投入该项目的施工。共设计钻孔11个，其中瓦斯抽放孔10个，注水孔1个。

瓦斯抽放孔：一开采用φ311mm钻头钻进，钻至稳定基岩后（孔深40m），扩孔至φ450mm孔径，下入φ325mm表层套管，固井；二开采用φ254mm钻头钻进，钻至终孔位置，下入φ194mm套管。

注水孔：一开采用？350mm钻头钻进，钻至完整基岩后，下入φ273mm表层套管，固井；二开采用φ215mm钻头钻进，钻至终井层位，下入φ139.7mm套管。

2.2 位置与地层

韩城桑树坪煤矿瓦斯排放井项目位于韩城市王峰乡水草塔村，地层情况复杂，倾角大、不稳定，易坍塌掉块，破碎漏失严重，地层由上到下概况如下：

①第四系

0-30.00m，上部为黄土、亚砂土和亚黏土，下部为砂质黏土和含砾砂质黏土。

②石千峰组

30-244.00m，上部为暗紫、紫红色页岩，片状泥岩、粉砂岩夹薄层灰绿色细粒砂岩，下部以灰绿、黄绿色粗粒砂岩为主，夹紫红色砂质泥岩及粉砂岩。

③上石盒子组

244.00-385.00m，黃绿、紫红、紫杂色粉砂岩及中粒砂岩；浅灰、灰白色中粗粒砂岩，底部砂岩有棱角状砾岩。

④下石盒子组

385.00-540.00m，灰色、紫杂色粉砂岩及泥岩为主，夹灰绿色、深灰色中细粒砂岩；底部为一层灰白色厚层状中粗粒长石石英砂岩，含燧石质砂砾岩，为标志层。

⑤山西组

540.00-655.00m，粗～细粒砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩组成，富含云母及菱铁矿结核，顶部具鲕状结构；2#和3#煤层均为可采煤层。

⑥太原组

655.00-725.00m，灰色、灰黑色铝质泥岩及砂质泥岩，上部夹1-2灰白色中粒石英砂岩，为标志层K3；中部含灰岩一层，为标志层K2；底部富含铝质，为标志层K1。K3之上为5#煤层，K1之上为11#煤层。

3 施工技术

3.1 主要设备

空气压缩机：900XHH/1150XH双工况空压机，最大风量32.6m3/min，最大风压3.45Mpa。

钻机：TSJ-2000型，最大扭矩18KN.m，最小转速18r/min。

钻塔：27m A型钻塔。

泥浆泵：BW-1200，最大泵量20L/S。

钻机动力机：12V135柴油机，最大负荷150HP。

钻杆：φ127mm钻杆。

空气潜孔锤：韩国产TD100CAT气动潜孔锤，锤头φ311mm、φ254mm和φ215mm。

3.2 钻具组合

一开：0-40m，φ311mm潜孔锤+φ159mm钻铤2根+φ127mm钻杆+φ108mm 方钻杆。

二开：40-550m，φ254mm潜孔锤+φ159mm钻铤4根+φ127mm钻杆+φ108mm 方钻杆。

3.3 钻进参数

设定潜孔锤钻进参数时，除了应该充分考虑岩石的机械性能、冲击器的性能，还要兼顾钻井的温度、深度、水柱压力、井眼尺寸和岩屑浓度等因素，最佳钻速的设计要考虑更多的动力及成本消耗，主要包括风压、钻压、转速、气量。

①钻压

潜孔锤钻井过程，是在钻压、高压气流冲击力、旋转力三种合力的作用下使井底岩石破碎。其中，钻压的作用是保证钻头齿能与井底地层紧密接触，克服冲击器及钻具的反弹作用力，以便实时传递来自潜孔锤冲击器的反冲击力。若钻压过小，难以克服冲击器工作时的反作用力，直接影响冲击功的快速传递；若钻压过大，旋转阻力会相应增加，继而加剧钻头的早期磨损。对于φ254mm潜孔锤全面钻井，钻压一般在8-20kN之间，一般15kN左右最为适宜。

②转速

一般转速选择在15～25r/min为宜，转速过高会造成钻头先期磨损和钻井机械钻速的降低，由于潜孔锤是以冲击破岩的方式钻井，转速大小会改变钻头合金齿的冲击破岩相对接触位置，避免已破碎岩屑重复破碎。因此，合理的转速应在最优的冲击间隔范围之内。最优冲击频率的确定，可用两次冲击间隔的转角表示，转速和钻头的冲击频率与最优转角的关系式如下：A=360N/F

A——最优转角，度/次；

N——钻具转速，r/，min；

F——冲击频率，次/min。

为确保硬质合金均匀点击所在圆周，一般在中-硬岩性地层中钻进，宜将最优转角设计成11度/次，钻头转速最好设定为18-30r/min；软岩层钻进转速可适当调高，硬岩层钻进时转速要适度放低。

③空气压力

空气压力是影响潜孔锤冲击器冲击力及冲击频率的主要因素。冲击力大小主要取决于空气压力的大小。同时，机械钻速相关参数的设定也在很大程度上受空气压力的影响，空气压力越大，机械钻速越快。空气压力除满足潜孔锤工作压力外，还须克服井内钻具水眼压力降、环空压力降、潜孔锤压力降等损耗，如遇含水地层，还须克服水柱静压力才能保证正常钻进。

④空气量

空气钻井中空气消耗量主要以气动潜孔冲击器的耗气量及其携带井内环空岩屑的最低上返速度为依据而定。按照钻进要求，钻进阶段为维持井底清洁、携带环空岩屑返出井口，全面钻进时空气循环介质上返速度为20～25m/s。因此，应按下列公式计算注入空气量：

Q=47.1k1k2（D2-d2）v

Q——钻进时所需空气量，m3/min；

k1——井深损耗系数（井深100～600m以内取1.0～1.3）；

k2——井内涌水时风量增加系数（k2取值与涌水量有关，中等涌水量k2取1.1～1.5）；

D——环空直径，m；d——钻杆外径，m；

v——环空气流上返速度，m/s。

3.4 操作注意事项

①钻具内孔时刻保持清洁，否则容易卡住潜孔锤活塞，同时也能降低内缸套和活塞的磨损程度；

②钻进至井底0.3m时送风，风返回井口后开钻扫到井底，带潜孔锤开始运行后调整参数正常钻进；