复杂条件下强力快速空气钻进技术研究

摘要:复杂地层的钻进技术一直是钻探技术的难点,广东省地质工程公司的技术人员经过多年的研究,已成功研发出强力快速空气潜孔锤反循环钻进技术,比较有效地解决了复杂条件下的钻进技术难题。特撰写本文,以供同行参考。

关键词:复杂条件;钻进技术;应用;研究

1复杂条件下钻进技术现状与发展趋势

随着国民经济的持续、快速健康发展,基础设施建设和资源勘探、快速抢险等领域中复杂条件下的钻探工作量与日俱增。地层破碎漏失和裂隙发育易坍塌、施工区域内干旱缺水、永冻地层、矿山塌陷地层、矿山事故抢险及危险边坡紧急治理等复杂钻进施工条件对传统钻进技术提出了挑战。在上述复杂条件下,常规钻进技术异常困难,亟待研发一套强力快速空气潜孔锤反循环钻进技术,以解决复杂条件下的钻进技术难题,同时大幅提高钻进效率,提升钻进技术水平。在公路铁路建设工程、水电库坝护坡锚固工程 、矿山事故抢险等诸多工程领域,复杂条件下强力快速空气钻进技术有着广阔的应用前景。

2强力快速空气钻进工艺原理与技术特点

如图1所示,强力快速空气钻进工艺以贯通式潜孔锤反循环连续取芯钻进技为基础,通过加大孔内钻具系统中心通孔尺寸和采用外径与贯通式潜孔锤外径相同的双壁钻杆实现孔内钻具外平结构来满足复杂条件下的快速钻进要求,实现特殊施工功能。如图1所示,压缩空气经胶管13进入双通道气水笼头1,进入双壁钻杆4、5的环状通道,顶开逆止阀6驱动贯通式潜孔锤工作,冲锤高频往复运动冲击钻头,实现潜孔锤碎岩钻进。工作后的废气经钻头11的排气孔排出,经扩压槽和孔底岩石的反射作用直接进入钻头中心孔,经潜孔锤的贯通孔和双壁钻杆的中心通道,通过双通道气水笼头及鹅颈弯管1、排芯(渣)管2排到旋流取芯(样)器3,完成动力及流体介质的反循环。潜孔锤钻进中形成的岩(矿)心及岩渣(粉)屑经钻头底部间隙和扩压槽随反循环流体上返,实现不停钻连续取芯钻进新工艺。该工艺融潜孔锤高效碎岩、流体介质反循环和钻进中连续取心(样)为一体,具有一系列优点:

钻进效率高。钻进实践表明,在坚硬破碎漏失严重的复杂地层钻进,硬质合金球齿钻头气动潜孔锤冲击式大体积碎岩、反循环连续高效排屑无重复破碎,钻进时效高于常规金刚石回转钻进数倍。时间利用率高。无需频繁提鉆取心,钻进过程中连续取心(样),提钻间隔长,时间利用率高,台班和台月效率高。钻头寿命长。钻头受到的静压力和回转转速低扭矩小,磨损小,寿命长。

孔内无漏失。由于采用双壁钻具全孔反循环钻进工艺,流体介质在孔内几乎处于全封闭状态,从根本上解决了复杂地层的漏失难题。

反循环能力强。专门研制的多喷咀引射器型反循环取芯钻头反循环能力强,孔底干净,排渣(屑)彻底,岩矿芯上返流速高,全部流体介质均在钻具内流动循环,对孔壁无扰动。

孔内事故少。实施潜孔锤反循环连续取芯钻进,钻压小,转速低,孔壁无流体扰动和冲刷,孔底干净无沉渣,连续钻进回次进尺长,故大幅度减少了孔内事故的发生。

岩矿芯采取好。由于钻进产生的岩矿芯只有唯一的中心通道,岩矿芯采取率达98%以上,无污染,不颠倒,代表性强,并且及时排出地表,时效性强,利于及时判断地层和矿层。

钻孔垂直度好。冲击回转钻进,钻进规程参数小,以冲击为主体积破碎岩石,冲击应力波沿轴线作用于孔底岩石,不易产生径向分力,因此钻孔不易弯曲。

孔口无污染。反循环排出的流体及岩矿芯、岩渣(屑)沿中心通道上返后进入专门的取芯筒,对孔口及周围环境不产生污染。

1-双通道气水龙头;2-排心(样)管;3-旋流取心(样)器;4-双壁主动钻杆;5-双壁钻杆;6-逆止阀;7-心管;8-外缸;9-内缸;10-活塞;11-反循环专用钻头;12-空压机;13-进气胶管;14-钻机;15-储气罐.

钻探成本低,钻探效率提高,钻头寿命延长,孔内事故减少,最终大幅度降低钻探成本;利于干旱缺水地区施工,并适于冬季或冷冻地层施工作业:该项技术的动力介质是压缩空气,不需任何液体介质或水,故利于干旱缺水、无水地区施工,节约钻进成本;空气钻进不受季节限制,可全天候施工作业;冬季或冷冻地层、永冻地区也可正常钻进。

3强力快速空气钻进工艺主要应用领域

强力快速空气钻进技术除应用于地质岩芯勘探、水文水井钻凿领域外,可广泛应用于其它复杂地层条件或不同应用领域的钻孔工程:

边坡加固及滑坡治理的锚杆孔工程、疏水孔工程,通常地层条件较复杂,易塌孔,目前多采用潜孔锤跟管钻进工艺,钻进效率偏低,成本高。采用强力快速空气钻进技术,可较大提高钻进效率,降低钻孔成本;孔内外平钻具的中心通道可以用于安放锚索(杆)和注浆管、排气管;工程地质勘察,尤其是人工回填地层、爆破填海地层等,钻进成孔及取芯困难。采用强力快速空气钻进工艺,可有效解决钻进和取芯难题;我国煤矿生产安全形势严峻,井下常发生透水、火灾、冒顶等事故,工作人员被困在灾区而救援人员又无法靠近灾区时,设法尽快下井,建立直达灾区的通道进行施救以及消除灾情、恢复生产,是煤矿应急救援的主要任务。 应用强力快速空气钻进技术快速施工,可以通过双壁钻具系统的中心大通孔向遇险人员输送新鲜空气、水、食品、应急药品和通讯器材,为完成抢险救援任务提供技术保障;复杂地层物探爆破孔工程。石油天然气勘探的物探爆破孔工作量越来越大,钻孔深度增加,复杂地层爆破孔所占比率增大,成为新的钻进难题。采用强力快速空气钻进是一种理想的钻进方法,利用中心通道下入炸药,钻具相当于套管保护孔壁,成孔下药后再提出钻具。

4研究内容与研究方法

本项目旨在通过合理的钻具级配、先进的气动潜孔锤冲击回转高效碎岩钻进、反循环连续取心(样)或排渣工艺和配套的钻进设备实现复杂条件下强力快速钻进,研究内容包括:

4.1钻具系统合理级配

研究确定钻头、潜孔锤和双壁钻具的级配关系,适当减小三者之间的直径差,使双壁钻杆既满足传扭、传压、输送气体介质的作用,又具有护壁作用,大幅度减少复杂地层条件下卡、埋钻的几率。

4.2新型高能大通孔贯通式气动潜孔锤和高强度大通孔双壁钻杆研制

复杂条件下强力快速空气钻进技术要求贯通式气动潜孔锤通孔直径较大,以使中心通道既作为气力输送岩心(样)的通道,又可以作为下放炸药、输送空气和水、食物的通道以满足复杂条件下向物探爆破震源孔投放炸药和矿山事故抢险的需要,还可作为安放锚杆(索)、注浆管的通道以满足在难以成孔地层完成锚固工程的需要。由于贯通孔较普通贯通式潜孔锤的大,需要开发和完善贯通式潜孔锤的模拟仿真分析软件,进行大量的分析计算和比较,以优化结构参数组配,满足性能要求;同时,运用大型通用有限元分析软件对大通孔贯通式潜孔锤关键零部件进行静态和动态强度分析计算,确保整机强度和工作寿命。

4.3反循环形成机制与反循环钻头防堵、解堵研究

室内模拟复杂条件实验研究与计算机空气动力学数值模拟相结合,进一步研究在坚硬破碎地层硬质合金球齿钻头反循环机理,优化钻头上气体的反循环通道结构形式和参数,提高反循环效率,改进钻头设计,针对不同地层及施工条件研发相适应的新型反循环钻头;深入研究软地层气力喷射钻进反循环排屑机理,设计和试制软地层气力喷射反循环钻头,研究开发软地层高效气力反循环钻进技术。

5现有基础和可行性

自20世纪80年代中期已开始了反循环基础理论研究,各类风动潜孔锤及液动冲击器内部工作过程的数学建模以及计算软件编程,试制成功了贯通式潜孔锤并成功实现了反循环连续取芯钻探技术,在部分复杂地层矿区取得了良好钻探效果。研究实践表明,该项技术经进一步深化研究及装备配套,集成现有各种先进钻探工艺及技术,可在复杂条件下实现快速钻进。