潜孔跟管钻进最大深度的应用分析

摘 要：潜孔跟管钻进技术作为一种逐渐发展成熟起来的新兴技术，在钻遇深厚的第四系覆盖层或复杂地层时，钻速快、干式钻进、使用方便，成为一种可靠的护壁钻进方式。文章介绍了各种潜孔跟管钻具的构造原理、使用特点；在具体生产实践中根据地层条件加以选型；通过分析影响潜孔锤跟管深度的关键因素，对潜孔跟管设备进行技术改造，使潜孔跟管钻进能力得到优化，提高了跟管钻进的最大深度及可靠性。

关键词：潜孔跟管钻进；深厚覆盖层；钻进技术；施工工艺

1 前言

潜孔锤又称风动冲击器，是以压缩空气作为动力介质完成冲击回转钻进，具有空气洗井钻进的特点。较之以高压的水或泥浆为动力介质的冲击回转钻进，风动潜孔锤回转钻进有成倍的高效[1]。本文论述了在工程实践中的具体经验，对关键的施工工艺问题进行详细阐释，并制定了解决方案，在生产实践中进行了验证，并对一些技术思路进行了简要分析。

2 地层情况

水井施工的地点地表多为第四系覆盖层，厚度一般约5～20m，也有厚30～40m，地层多为粉质粘土、中粗砂、砾砂等。下伏地层一般为第三系泥岩或奥陶系灰岩，二者不整合接触。当钻进过程中由第四系穿过时经常会有碰到角度不整合的斜面[2]。

3 跟管设备选型及施工流程

3.1 跟管形式

环式对心跟管设备是最有利于大口径深孔跟管的，其克服砾石层的能力强。但该区域地层第四系无明显砾石块石，环式对心方式的外钻头相当于扩孔钻头，其直径较跟进的套管大10～15mm，会给套管的起拔带来较大的阻力。相对之下，三瓣式对心跟管钻头亦能适应较大的口径，对中能力好。根据井径设计要求，结合空气压缩机排量，选用了跟进φ245套管的三瓣式对心跟管钻头。

3.2 设备情况

空压机：阿特拉斯XRVS976

钻 机：宣化正远SL400

钻 杆：φ89、外平、接首摩擦焊

钻 具：苏普曼360冲击器

钻 头：广汉集团φ254跟管钻头

套管靴：φ245

套 管：标准地质管材，外径φ245壁厚8毫米，每根1.5米，反螺纹连接，螺纹尺寸符合规范要求。

3.3 钻进参数的选择

风量：为确保砂与破碎的岩屑能被冲出孔外，选择了较大的风量。一般情况为15～20m3/min，最大时达25m3/min。

风压：本工程风压一般情况为1.60～2.20Mpa最大时达2.50Mpa。

钻压：本工程钻压一般情况为0.50～0.60Mpa。

转速：为了使空气潜孔锤的冲击功率有效的传到孔底，钻具转数应按潜孔锤的冲击频率和所钻岩石的性质确定。转数与最优转角、冲击频率之间的关系：

N=A・f/360

式中：N-转数，r/min；A-最优转角11度；f-冲击频率，840次/min；可以求得N=25.67r/min

钻孔施工过程中，随着钻孔深度的变化和地层情况的变化需要随时改变空气潜孔锤钻进参数，特别是要注意风量和风压的控制，以确保空气潜孔锤发挥出最优性能，同时确保砂砾及被击碎的颗粒被冲出井外。

3.4 跟管钻进施工工艺

使用跟管钻具的钻孔施工流程图（见图1）。

4 分析与措施

潜孔锤同心跟管钻进技术在一定的钻进条件下，气动潜孔锤跟管护壁钻进深度是有限的，跟管钻进最大深度直接关系到工程的成本、安全性、经济效益，因此，研究气动潜孔锤跟管钻进最大深度的影响因素具有较大的意义。

4.1 分析

在实际工作中发现覆盖层15～20m的钻孔跟管钻进一般一个台班基本上可以完成，钻进效率较高，说明技术使用经济合理。在30～40m左右的覆盖层或局部裂隙、断层破碎带、溶蚀洞的情况下，跟管钻进速度随深度增加变慢，且有时随地层的复杂易发生套管脱扣、折断的问题。据有关资料，在固定的设备及生产条件下，跟管钻进的最大深度公式估算，此种条件下跟管深度可达50～60m，但为何在30～40m处跟管时会出现套管折断的问题呢？究其详细，出现问题的跟管深度位置大都在刚进入岩石界面时，且套管折脱部位往往在自套管靴向上3～5m处。据此，作出套管受力分析简图（图2）。

图2套管受力分析简图

如图：F1为套管在钻进过程中受到的地层阻力。上段最大深度公式也是以F1作为校核套管强度的依据。FG为钻进时冲击力。在钻遇倾斜地层时，套管下端受斜面支撑FN。由于深度不是太大，此时FG较F1要大得多，故FNY较大，所以FN也会较大。FNX受F1斜度影响也会较大。由于地层在刚扩孔钻进后，土体密实或松散程度不一，难以定量描述套管外侧土层的力学性质，为超静定力学问题，所以在存在FN时近似估计FQ的形状，并画出套管的受力矩图，（图3右侧）。可以看出如果在钻遇斜面时，由于套管土层刚刚破碎，受侧向力较不均匀，产生的最大弯矩在C处，其与套管端部B处仍有一段距离L长度，在不太大的FNX侧向力作用下，会使C处产生较大的弯矩内应力。使套管薄弱位置丝扣连接处先折后整个断开。

4.2 根据以上分析采取技术改进措施

4.2.1 在跟管钻进过程中做到“一听、二观、三摸索”。“一听”即听钻头敲击岩石的声音，潜孔锤在正常钻进中对不同地层都会有不同的声音传递。“二观”即观察孔口上返岩屑和空气的情况。“三摸索”钻井时经常会遇到声音听似正常、孔口有上返热气，这种现象极易让人误以为正常，其实不然。这是因为在钻进过程中因为种种原因孔内得不到及时清理，潮湿的岩粉开始附裹钻杆造成的。操作中一旦发现上返风量有变，应及时注水清孔或采取其他措施。

4.2.2 常用的套管为T型螺纹连接，参照《YB-235》[3]，在螺纹底部受力截面最小，应力最大，易在此处断裂，故此将螺纹平扣改为锥扣。

4.2.3 在更深的40～50m施工中，使用二级跟管组件。先用φ273套管跟管至10～20m，再提钻换用φ245跟管钻头继续跟管钻进。由于φ245中心钻头直径为φ219，三瓣式钻头张开后圆径约为φ270，据此设计了二级跟管组件。（图3）

在使用中先将φ273组件安装于φ245跟管钻头之上，卡好卡环，下入φ273套管，整平对中后开孔钻进。要注意φ273跟管最好终止于非砂地层位置中，以防止二级φ245跟进时，在底部冲入砂砾夹在φ273与φ245套管间，额外地增加了跟进阻力。另外在二级跟进时要将孔口φ245外壁与φ273内壁之间加一胶圈密封，防止泥沙灌入。此最终，二级跟管深度可达50～60m。

5 结束语

潜孔锤跟管钻进技术是一门新兴又比较成熟的技术，在水井钻进施工中，具有高效率、成本低、使用方便等一系列优点。在实际应用中，应根据地层地质情况及设备条件，合理地选配跟管设备形式，在保证安全生产的基础上，兼顾经济效率与时间效率，选择对应的施工工艺，最大程度地发挥潜孔跟管钻进技术的优势。

参考文献

[1]John Rowley etal.Advanced drilling system for drilling geothermal wells an estimate for cost savings. Proceedings of world geothermal congress， 2000.

[2]施世久.滑坡治理中预应力锚索施工技术[J].西部探矿工程，2001（1）.

[3]Pierce，K.etal.Advanced Drilling Engine.Proceedings of the ASME Energy Sources Technology Conference，1998.

作者简介：郭文建（1972，12-），男，山东郓城，本科，项目经理，助理工程师，地质工程。