潜孔锤钻进工艺及技术问题探讨

第ｌ９卷６期　中国煤田地质　Ｖ０ｌ－１９　Ｎｏ．６　２００７年ｌ２月　ＣＯＡＬ　ＧＥＯＬＯＧＹ　ＯＦ　ＣｔｔＩＮＡ　Ｄｅｅ．　２００７　文章编号：１００４—９１７７（２００７）０６—００７６—０３　潜孔锤钻进工艺及技术问题探讨　袁新民　（山西省煤炭地质１４８勘查院，山西太原０３００５３）　摘要：在介绍国内外潜孔锤钻进配套设备及：［具性能、规格的基础上，对比了其在钻进深度、钻进效率、使用寿命、　钻进参数选择等方面的差异。指出制约当前潜孔锤钻进的技术问题主要有水文地质问题、岩石破碎程度、风压、孔　径、泡沫冲洗液等因素，并对不同岩性地层条件下如何选择适用钻头类型进行了探讨。　关健词：潜孔锤钻进；配套器具；钻头　中图分类号：Ｐ６３４．５　文献标识码：Ａ　１　潜孑Ｌ锤钻进技术概况　潜孔锤可有效提高钻进效率，与１ＭＰａ压力以下的　潜孔锤钻进工艺，是利用压缩空气（或气液混　潜孔锤相比。钻速可提高３～４倍。　合）驱动潜孔冲击器活塞，以较大的冲击功和高频　目前国内已生产潜孔锤型号多种，钻头规格　冲击潜孔锤钻头，同时在钻机转盘的带动下，钻头　９０～３８０ｍｍ不一．其中高压无阀式结构的潜孔锤约　低速回转，使岩石破碎，所产生的岩屑被高压气流　占４Ｏ％左右，工作气压０．６～２．４６ＭＰａ，冲击功一般为　携带返至地表。潜孔锤具有钻井凿岩效率高，钻头　７０～６８６Ｊ，冲击频率１　ｌ～３０Ｈｚ。　寿命长，钻井质量好的特点。目前，潜孔锤钻进技术　１．２呈向大孔径、深钻孔钻进趋势　作为一种高效钻井手段，愈来愈广泛地应用于矿山　据资料介绍，国外目前较大规格的潜孔锤（单　爆破孔、地质（煤田）勘查孔、水文水井孔、煤层气钻　锤）有德国产的大直径ＲＣ一４２０型潜孔锤。该潜孔锤　孔以及各种用途的技术孔。尤其是在钻进中硬一硬　可在较低的气压（１ＭＰａ）下钻进硬岩，同时还能用于　岩层时，更有效。　气水混合的反循环钻进。钻头规格分别为ｑＤ７２０ｍｍ，　近年来．随着潜孔锤钻进工艺与各种专用配套　ｑ￣７７０ｍｍ，ｑ￣８４０ｍｍ，　作时耗风量仅有２０ｍ３／ｍｉｎ，钻　设备及工具的不断发展和完善（包括潜孔锤、钻头、　头转速４～９ｒ／ｍｉｎ。潜孔锤钻进最深孔是由英国一家　钻杆、空压机、钻机和泡沫冲洗剂等），以及对潜孔　钻探公司创造的，钻进孔深达７８２ｍ，所用空压机最　锤钻进、气液混合驱动潜孔锤钻进等各项钻进规程　大输出风压为３．５ＭＰａ，在完成该孔时，一般风压　参数、潜孔锤结构性能参数的理论研究，使这项技　２．Ｏ３ＭＰａ，耗风量是３６ｍ３／ｍｉｎ。　术有新的进展和突破，归纳起来主要有下述几方　国内目前生产的大规格潜孔锤钻头直径可达　面。　３５０～３８０ｍｍ．额定气压０．７ＭＰａ．最大耗风量是４０ｍ　／　１．１规格型号多样化、性能好　ａｒｉｎ。地矿系统采用国产潜孔锤配以ｑ￣２６５ｍｍ的球　从国外发展情况看，目前潜孔锤钻进应用比较　齿钻头，所钻基岩水井孔深达到４５５．３ｍ，以ＡＤＦ一１　普及，潜孔锤型号也较多。其中无阀式结构约占　型泡沫剂为气水混合液，工作耗风量是１４ｍ３／ｍｉｎ（地　９０％多以上，有占一半以上的潜孔锤可在１．４～　表流量表读数，两台空压机并车送风），压力表读数　１．７ＭＰａ压力下工作，最大可达３．５ＭＰａ，钻进效率　１．３ＭＰａ。　高，结构简单，活动零件少，即使在水、空气进入潜　１．３钻进效率高，钻头寿命长　孔锤的情况下，仍可正常工作，并保持较高的寿命，　。　由于潜孔锤结构性能不断改进和配套设施逐　有利于较大口径的钻孔钻进。由于其零件加１二精度　步完善，机械钻速大为提高，钻头和冲击器寿命延　高，价格较贵。　长，钻探成本显著降低。美国英格索兰公司的ＤＨＤ　冲击功为２００～３　６８０Ｊ、冲击频率为２３～２７Ｈｚ的　系列潜孔锤，钻速最高可达４０．８４ｍ／ｈ（风压　２．１１ＭＰａ，风量２４．９２ｍ　／ｍｉｎ，钻头直径１５２．４ｍｍ）：大　作者简介：袁新民（１９６９一），男，助理工程师，１９９ｔ年毕业于长兴煤　直径的ＤＨＤ１１２型潜孔锤平均时效可达１７．９８ｍ／ｈ　田地质学校钻探工程专业　（风压１．４ＭＰａ、风量３９ｍ　／ａｒｉｎ、钻头直径３０４．８ｒａｍ）。　收稿日期：２００７—１ｌ一０ｌ　米森公司研制的Ｓｉｌｖｅｒ＆ｉｌｌ新型潜孔锤．结构采用了　责任编辑：孙常长　加重镀铭活塞．与热处理强化缸体配合，使冲击器　维普资讯 http://www.cqvip.com

６期　袁新民：潜孔锤钻进工艺及技术问题探讨　７７　的使用寿命达ｌ～３万ｈ。麦加金刚石公司研制的补　强钻头（在工作面包镶３层聚晶金刚石的硬质合金　块）使用寿命提高９８％，最长寿命１　７００ｍ，而一般球　齿钻头的寿命仅有６００～８００ｍ，钻进成本降低３３％。　地矿系统使用国产潜孔锤在Ⅳ～Ｖ级灰岩地层　钻进，潜孔锤钻进最高时效达３０．１６ｒｒｄｈ，平均时效　７．７７ｍ／ｈ（风压１．７ｌＭＰａ、风量ｌＯｍ３／ｍｉｎ、钻头　１．４，３空压机　由于潜孔锤钻进的孔径和深度愈来愈大，及水　文钻孔要求潜孔锤有较好的水下工作能力，因此对　空压机的输出能力要求也愈来愈高。现在比较流行　的是英格索兰ＸＨＰ一７５０型空压机，其输出风压　２．１ＭＰａ、风量２１ｍ３／ｍｉｎ、动力２９０ＨＰ（合２１６ｋＷ），优　点是性能稳定可靠，体积小，在相同的功率下比国产　空压机的输出能力高，钻进施工中遇突发情况（水、　溶洞、深水位等），不会影响空压机的输出能力。国产　空压机主要是蚌埠３Ｗ３．５—２０／４０型、３ＷＹ３．５—２５／７～　ｑ￣２６５ｍｍ），球齿钻头使用寿命８００～１　０００ｍ．冲击器　寿命２００ｈ。　１．４配套器具逐步完善　潜孔锤钻进工艺的配套器具是指钻杆、钻机、空　气压缩机和泡沫冲洗液等。　１．４．１钻杆　２５型、Ｗ一１０／６０型等。这些在干孔段钻进，性能尚　好，但在水下钻进和大直径深孔时，其输出能力常不　稳定，机械故障较多，柴油机耗油量大，需改进。　国外一些厂商为配合潜孔锤钻进研制出了精拔　钻杆，该种钻杆直径４８、４～１３９．７ｒａｍ．壁厚３．８～　１．５国产潜孔锤技术性能的评述　国产Ｊ系列、ＪＧ系列潜孔锤的价格较便宜，冲　击器和钻头寿命较长，在复杂条件下（如孔内涌水，　地层较破碎），能保持较好的工作状态，潜孔锤的维　１０．５ｍｍ，适应不同型号规格的潜孔锤钻进。其优点　是重量轻，钻杆与孔壁间的环状间隙小，提高了循环　气流的上返速度，减少对空压机输出能力的要求，实　现深孔钻进。此外，雷诺兹金属公司还生产出一种壁　护保养要求不高（耐用）。缺点是钻头类型少，对不同　岩性的地层钻进适应性差。同国外一些潜孔锤如　厚均匀、接头端部内螺纹有钢质半锁闭性、接头外径　不变的ＡＦＬＰ型合金钻杆．比一般钢钻杆总重量减　ＤＨＤ系列相比，在相同的规程条件下钻进同样岩性　的地层，钻进效率比较低，这反映了国产冲击器功率　利用率低。表１列举了ＤＨＤ系列与Ｊ系列潜孔锤在　不同压力条件下空气消耗量和钻进速度间的关系。　少４０％～５０％，强度高，钻进中还可吸收冲击负载，有　效地延长了钻杆和钻具的寿命，为大口径深孔钻进　创造了条件。这种钻杆外径为１０１．２～１１４．３ｒａｍ，壁厚　ｌ２．５～１２．７ｒａｍ，钻杆线密度（带接头）９．９～１１．３ｋｇ／ｍ。　国内潜孔锤钻进所用钻杆一般为ＤＺ一６５或　ＤＺ一７５钢级的ｑ￣７３ｍｍ、ｑ￣８９ｍｍ钻杆，对大１５Ｉ径　（ｑ￣３００ｍｍ以上）深孔钻进不利，同时，还影响冲击器　２潜孑Ｌ锤钻进若干问题的探讨　２．１制约潜孔锤钻进的因素　潜孔锤钻进工艺虽然有很多其它钻进方法所不　及的优越性，但也受一些条件的制约。首先是水文地　质因素，当所钻地层为水饱和地带、孔内水柱静压大　或井涌水量大时，影响潜孔锤的正常钻进，另外，还　和钻头的寿命　１．４．２钻机　性能优良、功能齐全的冲击回转潜孔钻机在不　断问世，发展方向是具有大扭矩、带回转头的全液压　需较多的配套设备，如中风量风压乃至高风量风压　的空压机、孔口及地表装置等，再者，钻进严重破碎　松散地层、急倾斜地层、含硫化氢气体或有较高压力　的砂泥岩石困难。上述因素都会造成潜孔锤钻进效　率低、钻孔质量差、钻进施工成本高等问题。因此，在　钻机，使用中有较高的机动性和可靠性。目前约有　２５０余种性能优良的钻机，为施工大直径深井创造　了条件。国内对进行潜孔锤钻进的钻机性能要求不　高，一般能提供较低钻速即可。　供水方便，孔内水文地质条件又不适合潜孔锤钻进　表１　不同压力条件下空气消耗量、钻进速度之间的关系　Ｔａｂｌｅ　１　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ａｉｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ　５．６ＭＰａ　０．７ＭＰａ　０．８８ＭＰａ　１．０５ＭＰａ　１．４ＭＰａ　１．７　１　ＭＰａ　　．，　，　，　ＤＨＤ１６０　１５２．４　ＤＨＤ３８０　２０３．２　５．１０　８．２１　７．６２　８．５８　６．７７　１０．７６　１　１．８９　１０．９７　７．９０　１４．１６　１５．３５　１４．６３　１０．１７　１７．５６　１８．９０　１７．６８　２７．７４　２６．５２　１７．９８　１　８．９２　３Ｏ．Ｏ２　３５．６６　３３．８３　２４．９２　４０．８４　ＤＨＤ１　１２　３０４．８　ＪＧ１５０　１６０　ｌ１．３０　４．３９　１６．１１　７．Ｏ１　２２．８８　１　１．４３　２８．２６　１３．１　１　５　４．８　Ｊ２ｏｏ　２１０　２３　７．２６　Ｊ２５０　２６０　１８　３８　维普资讯 http://www.cqvip.com

７８　中国煤田地质　第１９卷　的条件下，可采用液动冲击器或其它钻进工艺，可获　得较好的综合技术经济效益。　根据潜孔锤的特点，该种方法对于钻进中硬一　②拱状唇面钻头。适用于各种地层的钻进，钻速　高，钻孔直、孔底清洁，在有裂隙的岩层中，钻头寿命　较高　缺点是定径硬合金块磨损快。　硬岩层或者含有碎屑材料的覆盖层可获得较高的钻　进效率；若使用空气泡沫剂则可进行含水层段钻进。　目前．国内在中等能力的空压机供风条件下。用　Ｊ２５０Ｂ型潜孔锤钻进孔深已达４５０ｍ，相信突破　６００ｍ以深的基岩水井孔是可行的。　③补强定径钻头。适用于钻进坚硬及研磨性岩　层，这种钻头的外表镶有两排定径硬质合金片，在硬　碎岩层，钻头寿命较高。但与其它类型的钻头相比，　钻进效率较低　④十字钻头。适用于钻进硬岩及中硬岩，钻头是　以切割和劈开的方法破碎岩石的，钻头机械钻速较　高。但不适用深孔钻进。　２．２气液混合潜孑Ｌ锤钻进合理孑Ｌ深　在一定的空压机供风条件下，潜孔锤所能钻进　的最大深度，是受钻孔直径、钻孔内水柱高度ｆ即背　⑤牙轮钻头。以牙轮钻头作为潜孔锤钻头钻进　松软地层，同球齿钻头相比。有较高的机械钻速，并　能较好地保持一定的孔径，尤其是钻进ｑ￣３８０ｍｍ以　下直径的钻孔．效果更好。笔者认为，在严重缺水地　压１、钻孔涌水量及泡沫冲洗液的注入量等因素影　响。目前。对潜孔锤所能钻进最大深度，在理论上尚　处于摸索阶段。　２．３不同地层钻头类型的选择　配套钻头一般为球形底面或平底面镶有球柱合　金。它在钻进完整中硬、硬岩层时，可产生有效的体　积破碎，钻进效率高，但在比较松软和有裂隙的地　层，钻速则不理想。因此，应有针对性地选择适用的　钻头类型。　区施工，钻孔覆盖层不厚（不超过５０ｍ），可用钢齿牙　轮，钻进效率比用常规牙轮钻头高。用牙轮钻头钻　进，规程参数需要调整，转速３０—５０ｒ／ｍｉｎ、钻压约　３０　３６ｋＮ（即要求比球齿钻头钻进压力高２／３），风压　和风量变化不大。改装的技术关键是将牙轮钻头的　连接丝扣部分改制成潜孔锤钻头联接方式ｆ键槽式　丝扣），同时作调质处理，增加抗冲击强度。此外，还　①凹心钻头。钻头的外形为锥形，锥体的中心有　一凹口，钻头有４个横向槽，用于通风。这种钻头适　需将牙轮钻头轴承换成耐冲击、强度高的材料，效果　更理想。由于所配套的牙轮钻头与同规格的球齿钻　头重量近似，故对冲击器的性能ｆ冲击功和冲击频　用于致密、研磨性较低的岩中钻进，优点是机械钻速　高，孔底清洁、钻孔直，缺点是对通风槽侵蚀大，定径　硬质合金块磨损快。　率１无额外要求，不需增加其它配套设备。　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｄｏｗｎ——ｔｈｅ——ｈｏｌｅ　Ｈａｍｍｅｒ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　Ｙｎａｎ　Ｘｉｎｍｉｎ　（Ｓｈａｎｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｃｏａｌ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔａｉｙｕａｎ，Ｓｈａｎｘｉ　０３００５３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｄｏｗｎ——ｔｈｅ——ｈｏｌｅ　ｈａｍｍｅｒ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｔｏｏｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｂｏｔｈ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ，ｃｏｎｔｒａｓｔｅｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｄｅｐｔｈ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ，ａｎｄ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｌｉｆｅ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｓｅｃｔｉｏｎ．Ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｒｅｓｔｉｒｃｔｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｈａｖｅ　ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｒｏｃｋ　ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ａｉｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｂｏｒｅｈｏｌｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｆｏａｍ　ｆｌｕｓｈ　ｌｆｕｉｄ　ｅｔｃ．，ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｓｅｌｅｃｔ　ｂｉｔ　ｔｙｐｅ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｒｏｃｋｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｏｗｎ—ｔｈｅ—ｈｏｌｅ　ｈａｍｍｅｒ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　ｆａｃｉｌｉｔｙ；ｂｉｔ　（上接第６４页）　Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｃｏａｌ　Ｓｅａｍ　Ｓｃｏｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｇｏｂ　Ａｒｅａ　Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　Ｄａｌｏｎｇ　Ｃｏａｌｍｉｎｅ　Ｚｈｅｎｇ　Ｙａｎ　，Ｃｈｅｎｇ　Ｚｅｎｇｑｉｎｇ　，Ｗａｎｇ　Ｙｏｎｇｚｈｅ　，Ｓｏｎｇ　Ｇｕｏｗｅｎ　ａｎｄ　Ｎｉｕ　Ｐｅｎｇｃｈｅｎｇ　（１．Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＮＡＣＧ，Ｚｈｕｏｚｈｏｕ，Ｈｅｂｅｉ　０７２７５０；２．Ｔｉｅｆａ　Ｃｏａｌ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｄｉａｏｂｉｎｇｓｈａｎ，　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１　１　２７００；３．Ｈｅｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｌａｎｄ　ａｎｄ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，Ｈｅｎａｎ　４５００５３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　Ｄａｌｏｎｇ　ｍｉｎｅｆｉｅｌｄ　ｉｓ　ｌｏｃａｔｅｄ　ａｔ　ｍｉｄ—ｗｅｓｔｅｒｎ　Ｔｉｅｆａ　ｃｏａｌｉｅｌｆｄ，ｗｏｒｋａｂｌｅ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍｓ　ａｒｅ　Ｎｏｓ．４　ａｎｄ　７　ｉｎ　ｕｐｐｅｒ　Ｊｕｒａｓｓｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｓｃｏｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｇｏｂ　ａｒｅａ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｔｉｍｅ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ（ｓｅｉｓｍｉｃ　ｗａｖｅ　ｌｉｎｅｕｐ　ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｓ　ｏｒ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｓ）ａｎｄ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｓｌｉｃｅ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｎｇ　ａｌｏｎｇ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍｓ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｏｔｈｅｒ　ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｅｄ　ｇｏｂ　ａｒｅａ　ａｎｄ　Ｎｏ．４　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｓｃｏｕｒｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｅｓｔ　ｏｆ　Ｎｏ．２０６　ｂｏｒｅｈｏｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｕｔｈｅｒｎ　ｍｉｎｅｆｉｅｌｄ　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：３Ｄ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ；ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｓｃｏｕｒｉｎｇ；ｇｏｂ　ａｒｅａ；ｄａｔａ　ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ；ｃｏａｌｍｉｎｅ．