空气潜孔锤技术在矿山充填钻孔应用中常见问题及处理措施浅析

　　摘　要：本文通过对在充填工程中空气潜孔锤钻进技术的关键技术点进行剖析,从合理选择空压机和冲击器的选择，优化选择钻进技术参数入手，确保空气潜孔锤钻进技术的正确使用，同时对在具体施工过程中常见的制约因素、从机理方面入手进行分析，提出合理化的技术措施，使潜孔锤钻进技术在实际应用中得到了极大的扩展‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　关键词：充填孔; 空气潜孔锤; 防斜; 排粉; 孔壁失衡

　　充填钻孔是一种要求高垂直度的大口径钻孔施工，在施工方法中有多种方式进行，目前主要采用的是两大类型钻进方式，一类是泥浆护壁、牙轮钻头+钻铤的钻具组合进行钻进，另一类是以空气或泡沫为循环介质，空气潜孔锤为主的钻具组合进行钻进‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 两类钻进方式各有优缺点，第一类钻进方式适用范围广，能够有效地控制孔内压力和孔壁稳定，但其钻进效率受其切削方式的影响，钻进速度低下; 第二类钻进方式钻进效率高，孔斜控制有力，但因其循环介质是空气和泡沫，对孔内压力和孔壁稳定不能进行有效的平衡，从而适用的地层较少‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　在充填孔这类钻孔施工过程中，为了在规定的时间段内，达到钻孔垂直度的高标准要求，就需要对所采用的钻进方法进行优化组合，最大效率地发挥其优势，采取不同的技术措施改变其劣势，才能达到高质量高效率的项目任务。

　　青海省核工业放射性地质勘查院在新疆哈密地区铜镍矿区充填钻孔施工中主要采用了空气潜孔锤钻进工艺，通过实践，对空气潜孔锤钻进工艺在充填钻孔施工通过几个关键技术点进行过程控制，达到了工艺最优化组合，最终完成工程高效高质量的目的。

　　1　空气潜孔锤施工工艺的技术关键点分析

　　空气潜孔锤钻进技术利用压缩空气做为动力，达到充填孔施工过程中的碎岩、排粉、冷却钻头目的，在使用过程中技术发挥到最优状态主要表现在以下三个技术关键点上：首先是正确选择适应地层的设备和器具; 其次是使用过程中采用正确的钻进参数让空气潜孔锤达到最佳的应用状态; 最后是在一些特殊地层中进行辅助技术应用，从而使之达到最优化的应用和最大的使用范围。

　　2　设备和器具选择

　　(1)根据施工已知的条件，计算所需要的额定风压和风量大小。

　　(2)充分对复杂地质环境进行分析，主要是孔内漏失、破碎和岩石硬度等情况，由此所产生的风压和风量的非正常损耗。

　　(3)取额定的风压和风量的最大值，再加上非正常损耗所需的风压和风量，就是最终所需空压机设备的风压和风量。

　　根据空气潜孔锤施工实践，风压主要是作用到冲击破碎方面，因此一般空压机都能够满足要求，但是孔内由于很少不存在裂隙等情况，风量损失都很严重，因此在实际选择中一般超过需要的风量时，可采用多台空压机进行并联使用。

　　冲击器根据地层以及钻进方法进行选择，在矿山多选用无阀高风压冲击器，另外冲击器的大小选择时要考虑钻杆，钻孔孔径大小所形成的环状间隙，以确保岩粉的最佳排出，必要时可采用二级成孔方式进行。

　　泡沫泵的选择主要根据两个参数进行，泵压最小泵压必须远大于风压最高值，并且泵压可调，流量根据环状间隙、岩粉产生的颗粒大小等情况进行，排粉所需的泡沫量。

　　3　主要钻进参数选择

　　空气潜孔锤回转钻孔技术利用空气作为携岩介质，岩粉直接排至井筒工作面，另外一方面利用空气作为潜孔锤冲击的动力来源，钻进过程中主要保证碎岩、排粉两个方面内容，因此钻进参数选择主要是风压、风量，钻进过程中采用低转速、低钻压钻进。

　　3.1　风量

　　风量的大小与冲击器的耗气量、井内环空面积、钻进深度及复杂井况相关，需满足上返风速20～30m/s 的要求，风量越大井底越清洁，重复破碎的机率越小，钻进效率越高。 风量和风压的确定需综合考虑钻具组合、井径、井深及地层涌水等因素。 在实际操作中，先算得参考值，再根据现场情况确定。

　　3.2　风压

　　高压空气为潜孔冲? 髌鞒寤? 做? ? 及克服空气排渣上返的阻力提供动力，同时须克服管道压力损失、孔内压力降、潜孔锤压降、井内液柱压力等; 风压计算公式：

　　P = QL + Pm + Pc + Ps

　　式中: P—风压，MPa; Q—每米干孔的压力降，一般为0.0015 MPa /m; L—钻杆柱长度，m; Pm—管道压力损失，取0.1 ～ 0.3 MPa; Pc—潜孔锤压力降，MPa; Ps—钻孔内水柱压力。

　　钻进中涌水、井内液柱压力增加致钻进中风压增大0.1～0.3 MPa(现场试验记录) 。 钻井中需根据井径、冲击器性能参数及井内涌水、漏风、超径等情况匹配空压机和增压机，提高钻进效率和经济效率。

　　3.3　钻压

　　合理的钻压可以保证锤头球齿与岩石紧密接触和克服冲击器及钻具的反弹力。 潜孔锤有钻压限值时，钻压应小于限值; 无限值时，以锤头直径(cm)乘以0.9kN为宜; 遇溶蚀发育、软弱互层频繁时，应适当减小钻压，以防止井斜和保护钻具。

　　3.4　转速

　　旋转钻具可以改变硬质合金刃破岩的位置。 通常潜孔锤钻进转速要求在30～50 r /min，在钻进施工中采用钻机的Ⅰ速(35r/min)。

　　4　特殊地层问题处理

　　4.1　排粉问题

　　岩粉排出其本质的问题是孔内每一个岩粉所受悬浮力是否满足排除要求，即上返作用力大于岩粉下降的自重力，在空气潜孔锤钻进时产生的岩粉是由空气做为动力进行排除，主要影响因素是风量和风压，同时与产生的岩粉颗粒大小、上返流速、悬浮介质等有直接联系。 在施工过程中遇到的地层往往是钻孔无法形成一个密闭的空腔，反而更像是多处漏气的布袋，而且产生的岩粉颗粒大小也是大小不一，因此排粉问题可以从以下几个方面入手：

　　一是通过合理的钻具级配使上返流速达到最优，以确保正常情况下岩粉的排出; 二是添加悬浮介质以增加岩粉的悬浮能力(即加入泡沫剂和稳泡剂)，使孔内岩粉排出范围进一步增加; 三是通过加大风量和风压，即采用选择高压力空压机，或者多台空压机进行并联，保证孔内有足够的风量和风压，使补足因孔深增加而造成的能量损失，使深孔处岩粉能够排出孔外; 四是通过对孔内裂隙等风量、风压漏失的地层进行封堵，以形成一个相对密闭的孔内循环空间，增加排粉的通畅性，比如在裂隙发育的硬岩，含水地层中可采用水泥灌浆或套管封隔方式排除风的流失。

　　4.2　孔壁失衡问题

　　空气潜孔锤钻进是采用空气做为循环介质，因此其井壁稳定主要取决于地层岩石力学强度是否足以支撑没有液柱压力平衡条件下的井壁，多数类型的地层岩石在气体钻进条件下井壁稳定，但塑性泥岩和盐岩等软弱岩体，以及黏土化较为严重的玄武岩和胶结疏松的砾岩等破碎性岩体是最易失稳的岩石类型。

　　在无孔内液柱压力支撑下，软弱岩体井壁失稳主要表现为缩径、坍塌，破碎性岩体则主要表现为崩落、掉块和大面积扩径坍塌，同时钻具的碰撞作用和高速气固两相流的冲刷也会加剧失稳程度。 另外，若孔内存在含水层等情况下，一些水敏性地层会因为水化作用，而使原先地层的力学特征发生改变，从而变得不稳定。

　　对于空气钻进过程中，孔壁失衡问题的处理一直是很难克服的世界性问题，处理的方案很少，这也是阻碍空气钻进应用的巨大障碍。 首先排除一些无法克服的地层，采用常规泥浆体系进行钻进，如弱胶结的砾岩、破碎性火山岩、糜棱岩、破碎性煤岩、隐性裂缝发育的硬脆性泥岩等，本身的胶结强度如不足以支撑井壁。 其次，在一些地层可以采用膨胀管封堵技术、水泥封堵技术以及注入封堵剂封堵技术进行随钻封堵。

　　4.3　钻孔垂直度问题

　　空气潜孔锤的碎岩机理决定了碎岩过程中主要依靠垂直于岩石表面的冲击波作用，因此具有很好的防斜性能，但是在一些强造斜地层中由于受力的不均匀，以及钻具本身的倾斜，还是会发生钻孔偏斜。 根据井斜理论，钻孔发生偏斜的主因是地层的倾斜和非均质性造成，其次是钻具在孔内发生弯曲，使钻头发生偏斜并加剧其受力不平衡造成井斜。 通过孔内钻具的受力分析得知，发生孔斜原因是地层的造斜力大于钻具作用于钻头的侧向力。 因此保证孔斜度最本质的要求就是增加钻具的侧向力，以克服地层的造斜力。

　　首先是把好“孔口关”，即设备安装符合要求，校正天车、转盘、井口三点在同一铅垂线上，孔口孔段控制钻压，轻压慢打，确保进入易斜井段良好的井身质量，创造“以直打直”的条件; 其次是可以借鉴石油钻进技术中防斜钻具的配置，比如在冲击器上部采用满眼钻具组合、钟摆钻具组合进行防斜; 最后是钻进过程中控制钻压的大小，在保证碎岩的前提下，保证孔斜的要求。

　　地质论文投稿刊物：《地质装备》(双月刊)创刊于2000年，是由中国地质装备总公司;北京探矿工程研究所联合主办的刊物。读者对象：包括地矿、有色、冶金、煤田、核工业、水电、化工、建材、石油、机械、建设、交通、铁路、环保、军工等部门从事地质装备研究、设计、制造和使用等单位的科研人员、技术人员、管理人员和和现场施工人员,以及大专院校的师生。

　　5　结论

　　(1)空气潜孔锤技术因其碎岩方式在矿山充填孔工程中发挥了高效、高质量的优势，同时也因其工作原理在一些矿区地层应用中受到了很大的限制。

　　(2)应用好空气潜孔锤技术的首要条件是充分分析研究矿山地质。

　　(3)在有些特殊地层中会对空气潜孔技术的应用受到很大限制，通过对受限的原理进行根本性的分析，采取正确的技术措施对潜孔锤技术的应用范围进行扩展，使其高效率高质量的特性得到充分发挥。

　　参考文献

　　[1] 白家祉，苏义脑.井斜控制理论与实践[M]. 1990.

　　[2] 张峰.空气潜孔锤在矿区充填孔施工中的应用[J].地质装备，2018，019(004)：12-14.

　　[3] 张辉，高德利，段明星.气体钻井井斜机理研究[J].石油天然气学报，2012，(2):103-105，109.

　　[4] 李皋，孟英峰，刘厚彬.气体快速钻井井壁失稳研究[J].钻采工艺，2013(04):8-9+40-44.

　　[5]曾南中.空气泡沫钻进中应注意的几个问题[J].西部探矿工程，1995，7(4):65-66，68.

　　[6] 王平.潜孔锤钻进技术发展现状及若干问题讨论[J].地质与勘探，1992，28(2):57-62.

　　作者：许青海　白宝云　王　宁