救援井用大直径反循环潜孔锤如图1左图所示, 其内部结构如图1右图所示。其内部结构区别于常规正循环潜孔锤的主要特征在于空心结构, 即内部中心设置有贯通孔, 该贯通孔与双壁钻杆内管一起将孔底和地表连通, 构成岩渣屑、压缩空气和地层流体等介质的反循环上返通道^[7]。其部分零部件结构设计具有以下特点:

图1

Fig.1

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	图1 救援井用大直径反循环潜孔锤及钻头Fig.1 Large-diameter reverse circulation DTH air hammer and drill bit for rescue well drilling

(1)上接头和花键套设计有4个螺纹孔和8处沟槽, 便于对大直径潜孔锤进行拧卸安装。

(2)在保证逆止阀具有足够强度且运动灵活的前提下, 对逆止阀进行分体式设计, 由逆止阀基体和耐磨套共同组成。耐磨套选用耐磨材料加工而成, 以提高耐磨性, 耐磨套与逆止阀基体采用过盈配合方式进行装配。此外, 为保证橡胶密封圈的牢固性, 对逆止阀基体上橡胶密封圈槽采用里面大、开口小的设计, 以增大对橡胶密封圈的周向包裹力, 使其不易脱落。

(3)芯管总成在保证功能不变的前提下, 采用分体式设计, 由上芯管、配气盘和下芯管组成, 可以节省加工材料、便于加工, 且拆卸方便。上芯管与配气盘采用焊接方式固定; 在配气盘下部设计一个圆弧形沟槽, 可以起到缓冲气垫的作用, 防止活塞在回程运动时与配气盘发生碰撞; 下芯管上端直接插入配气盘通孔内, 并采用密封圈进行轴向密封, 以防止后气室内的压缩空气通过配合间隙泄露到芯管内部中心排渣通道, 影响反循环的形成。

(4)半圆卡上设置有8处通孔, 以增大钻头与半圆卡连接处的过风断面积, 减少压力损耗。

供风压力和供风量是空压机的两大核心参数, 同时也是潜孔锤设计过程中主要考虑的两个技术参数。在潜孔锤具体结构尺寸确定后, 研究潜孔锤工作风压和耗风量十分必要, 其可以对现场空压机的配套起到指导作用。而潜孔锤冲击碎岩主要依靠活塞的动能转化, 并与活塞冲击末速度、单次冲击能、冲击频率、冲击功率及能量利用率有关, 因此研究潜孔锤在不同供风压力条件下的这几项性能参数十分有意义。

风动无阀式潜孔锤模拟仿真电算程序是采用VB语言编写; 面向对象的设计方式; 基于热力学及动力学等理论, 利用有限差分原理, 对气体流动方程、气体状态方程、气体能量守恒方程以及活塞运动微分方程进行求解^[8]。

将表1中救援井用大直径贯通式潜孔锤的相关结构尺寸参数输入到风动无阀式潜孔锤模拟仿真电算程序中, 可获取该潜孔锤在不同供风压力值条件下的工作性能参数。表2为该潜孔锤在9种不同供风压力条件下的仿真电算结果。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 救援井用大直径贯通式潜孔锤结构参数 Table 1 Structure parameters of large diameter hollow-through DTH air hammer for rescue well drilling 潜孔锤外径/mm 400 活塞结构行程/mm 175 活塞上端直径/mm 295 前气室进气行程/mm 61 活塞下端直径/mm 270 前气室膨胀行程/mm 45 芯管配气杆直径/mm 140 后气室压缩行程/mm 36 活塞质量/kg 250 后气室排气行程/mm 48

表1 救援井用大直径贯通式潜孔锤结构参数 Table 1 Structure parameters of large diameter hollow-through DTH air hammer for rescue well drilling

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 大直径贯通式潜孔锤主要性能参数仿真电算结果 Table 2 Computational simulation results of main performance parameters on large diameter hollow-through DTH air hammer 序号 工作压力 /105 Pa 耗气量Q /(m3· min-1) 单次冲击能A /J 冲击频率F /Hz 冲击末速度V /(m· s-1) 冲击功率N /kW 能量利用率η /% 1 10 40.81 4074.27 11.05 5.60 45.02 32.60 2 11 44.64 4597.05 11.55 5.94 53.08 31.93 3 12 49.21 5109.96 12.01 6.27 61.34 31.30 4 13 54.32 5645.29 12.44 6.59 70.21 30.69 5 14 60.02 6174.07 12.85 6.89 79.36 30.15 6 15 66.66 6696.86 13.26 7.17 88.82 29.72 7 16 74.41 7232.67 13.64 7.45 98.70 29.35 8 17 83.06 7825.35 14.01 7.75 109.60 29.11 9 18 92.23 8354.71 14.35 8.01 119.87 28.95

表2 大直径贯通式潜孔锤主要性能参数仿真电算结果 Table 2 Computational simulation results of main performance parameters on large diameter hollow-through DTH air hammer

(1)风压与耗风量、活塞冲击末速度的关系

图2为供风压力与耗风量、冲击末速度的关系曲线。由图2可知, 在潜孔锤结构尺寸确定后, 其耗风量随着供风压力的增大呈指数形式增大, 冲击末速度也随着供风压力的增大呈线性增大, 并且在供风压力为18× 10⁵ Pa、耗风量为92.23 m³/min时, 冲击末速度增大到8 m/s, 达到活塞冲击末速度的许用极限值。由此可得, 潜孔锤的额定风压值为18× 10⁵ Pa, 额定耗风量为92.23 m³/min。若供风压力超过18× 10⁵ Pa, 且注气量超过92.23 m³/min时, 活塞的冲击末速度将超过8 m/s, 极易造成活塞永久性变形甚至断裂。

图2

Fig.2

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	图2 供风压力与耗风量、冲击末速度的关系曲线Fig.2 Effect of air pressure on air consumption and last impact velocity of piston

(2)风压与单次冲击能、冲击频率的关系

图3为供风压力与单次冲击能、冲击频率的关系曲线。由图3可知, 潜孔锤的单次冲击能和冲击频率都随着供风压力的增大而增加, 区别在于单次冲击能的增加幅度大, 而冲击频率的增加幅度不明显, 从而证明单次冲击能与供风压力有直接关系, 而冲击频率与供风压力的关系不大, 只与活塞的配气行程有关。

图3

Fig.3

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	图3 供风压力与单次冲击能、冲击频率的关系曲线Fig.3 Effect of air pressure on a single impact energy and impact frequency

(3)风压与冲击功率、能量利用率的关系

潜孔锤的冲击功率等于单次冲击能与活塞冲击频率的乘积。图4为供风压力与冲击功率、能量利用率的关系曲线。由图可知, 潜孔锤冲击功率随着供风压力的增大而呈线性增加, 并在潜孔锤达到额定风压值18× 10⁵ Pa、耗风量为92.23 m³/min时达到119.87 kW; 而潜孔锤的能量利用率则随着供风压力的增大呈指数形式减小。在救援井施工中钻进效率始终是首选的技术指标, 而能量利用率可以忽略。

图4

Fig.4

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	图4 供风压力与冲击功率、能量利用率的关系曲线Fig.4 Effect of air pressure on impact power and energy efficiency

救援井用反循环钻头是根据多喷嘴引射器原理设计而成。引射器的工作原理是利用高压气体从喷嘴喷出产生的卷吸作用^[9], 将被引射流体卷吸进入混合室内, 并与被引射流体产生动量和能量的交换, 逐渐形成均匀的混合流体^{[10, 11, 12]}。这种多喷嘴引射器式反循环是一种主动型的反循环方式^{[13, 14]}, 可以加强钻头的反循环形成效果, 在底喷孔发生堵塞的情况下, 即时遇到破碎、漏失地层, 反循环也能形成良好。

反循环钻头三维实体图如图5所示, 其结构设计具有以下几个特点:

图5

Fig.5

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	图5 反循环钻头三维实体图Fig.5 Stereogram of the large diameter reverse circulation drill bit

(1)钻头采用全断面碎岩设计, 钻头内部贯通孔与潜孔锤及双壁钻杆贯通孔直径一致, 以保证井底大量岩渣屑快速、及时、顺畅地排出, 避免因贯通孔内径不一致造成岩渣屑的卡堵。

(2)钻头底唇面采用内凹式设计, 既有利于喷射气体向钻头中心排渣孔流动并对破碎下的岩渣产生卷吸作用^[15], 也在钻进过程中井底有个岩石凸台形成, 可以起到良好的导正作用。

(3)采用在偏离钻头底面中心设置3个偏心距不等的排渣孔的方式, 可以有效地缩短外齿圈破碎下的岩渣屑沿扩压槽流入内部贯通孔的运移路径, 更有利于钻头底面不同位置处的岩渣屑及时排出和全井反循环的形成。排渣孔直径小于贯通孔直径, 可以有效地限制进入贯通孔岩块的最大尺寸, 避免反循环通道发生卡堵。

(4)底喷孔采用分段式设计, 将底喷孔的喷出口尽可能位于钻头底唇面外沿, 使从底喷孔喷出的压缩空气能够大面积地扫过钻头底唇面形成较大面积的低压区, 更有效地将外齿圈破碎下的岩渣屑抽吸进入扩压槽并携带至贯通孔上返。底喷孔出口根据受限贴壁射流原理, 设计为向钻头中心偏斜的射入方式。底喷孔个数为6, 喷出口直径为10 mm, 其轴线与钻头底平面夹角为15° 。

(5)内喷孔设置在花键槽内部, 其喷射轴线采用螺旋型喷射方式^[16], 可以有效地避免由于内喷孔多股射流集中碰撞产生的风帘效应所造成能量损失和阻碍反循环排渣的现象, 有效地提高反循环抽吸效果。内喷孔个数为6, 直径为18 mm, 仰角为45° , 偏转角为10° 。

(6)增加钻头尾部与活塞下表面的接触面积, 减小由于活塞高频往复冲击产生的应力, 消除钻头尾部应力集中现象, 提高钻头的整体强度, 延长钻头的使用寿命。

反循环钻头的工作原理如图6所示, 压缩空气经过潜孔锤前、后气室驱动活塞做功后进入钻头与花键套的环状间隙之中, 一部分压缩空气经钻头花键槽上的螺旋形内喷孔喷出, 产生旋转上升的流动且分布在贯通孔近壁面区域内, 在喷射流体的引射作用下, 贯通孔中心区域会形成一个流体的低压“ 空腔” , 不断抽吸着下部的混合流体向上运动, 共同形成反循环上返流体; 另一部分压缩空气经钻头下部底喷孔喷出, 并在喷出口附近形成低压区, 在压力差作用下卷吸外环间隙流体以及井底岩渣屑进入扩压槽内, 在喷射流体的引射作用下沿着扩压槽向排渣孔流动, 扩压槽的容腔体积不断扩大, 两股流体在扩压槽内不断进行动量和能量交换, 喷射流体的流速逐渐降低, 边界层逐渐向外扩展, 而被卷吸流体的流速逐渐增大, 被卷吸量也逐渐增多。进入贯通孔后, 喷射流体与被卷吸流体充分混合形成均匀混合流体向上流动。正常钻进时, 钻头连续回转, 底喷孔附近所形成的低压区形成连续的低压流体环状带, 有利于形成稳定的反循环。

图6

Fig.6

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	图6 反循环钻头结构原理图Fig.6 Schematic of large diameter reverse circulation drill bits

图7为试验现场设备连接示意图。现场设备配套情况如下:

图7

Fig.7

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	图7 现场设备连接示意图Fig.7 Schematic of the equipment for field test

(1)试验使用的是SD20型旋挖钻机, 并对旋挖钻机做适当改进, 卸下伸缩钻杆和动力头夹持机构, 连接上潜孔锤反循环钻进需要的双通道主动钻杆和双通道气水龙头。

(2)使用配套的140 mm非外平式双壁钻杆与大直径贯通式潜孔锤连接, 并传递SD20旋挖钻机施加的钻压和扭矩。每根钻杆长为3 m, 重量约为165 kg, 设计的极限抗扭强度为60 kN· m, 极限抗拉强度为250 kN。

(3)使用两台空压机给潜孔锤反循环钻进及排渣提供动力介质和循环介质。一台为Ingersoll Rand XHP900型空压机, 风量为25 m³/min, 风压为24× 10⁵ Pa; 另外一台为Atlas Copco XRXS1200 CD6型空压机, 风量为35 m³/min, 风压为30× 10⁵ Pa。

(4)在高压送风管路中加接油雾器。油雾器可以连续不间断往潜孔锤内部输送均匀油雾, 润滑潜孔锤内部活塞往复运动的配合面, 起到降温减阻并延长潜孔锤寿命的功能。

(5)将井口台架放置在井口处, 一端与旋挖钻机底座连接固定, 为加接拧卸钻杆提供操作平台, 架子上设计有卸扣油缸, 用于拧卸钻杆接头。

现场钻进的情况如图8所示, 试验过程中潜孔锤工作正常, 外环间隙没有岩粉排出, 孔口无污染, 排渣管出口有大量岩渣屑、水和空气的多相混合流体排出。随着供风量增大, 潜孔锤活塞产生的冲击能量也随之增大, 冲击碎岩效果更好, 破碎下的岩渣屑都能在压缩空气的引射卷吸作用下及时、快速地被携带至钻头内部贯通孔实现反循环排渣。

图8

Fig.8

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	图8 反循环形成良好Fig.8 Formation of reverse circulation is excellent

图9为收集到的岩渣屑颗粒情况。由图9可知, 既有大颗粒的岩块也有细小颗粒的岩屑, 最大颗粒的岩块直径约为68 mm, 几乎与钻头排渣孔的通孔直径一致, 说明压缩空气在钻具中心通道流速高, 携带不同颗粒大小岩渣上返能力很强。

图9

Fig.9

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	图9 反循环排出的大颗粒岩块Fig.9 Large particles of rock cuttings obtained by reverse circulation drilling technology

在现场试验过程中多次往井内注水, 以观察钻头的反循环抽吸效果。从试验效果看, 正常钻进时, 反循环通道会连续不间断地排出流体介质, 这说明钻头的反循环抽吸能力强, 能够将外环间隙中的流体介质连续不断地卷吸进入中心排渣通道上返, 且不存在向外环间隙泄漏岩粉的现象。

图10为潜孔锤提离孔底一定高度进行强吹孔时的反循环排渣情况。由图可知, 排出的多相混合流体较为干净, 固相岩渣屑量很少, 说明正常钻进结束后, 孔底无多余沉渣, 钻头冲击破碎下的岩渣屑都能及时地被底喷孔高速喷出的压缩空气卷吸进入钻头内部贯通孔实现上返。

图10

Fig.10

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	图10 强吹孔时反循环排渣情况Fig.10 Status of reverse circulation discharge with air-blowing

以第一口试验井在23.8~50.8 m的钻进试验数据(见表3)为例子进行分析研究, 可以得出:

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 第一口钻井部分钻进试验数据 Table 3 Test data of the first drilling hole 序 号 井深/m 钻进效率/ (m· h-1) 转速/ (r· min-1) 注气量/ (m3· min-1) 注气压力/ MPa 1 23.8~26.8 3.16 4.5 35 1.5 2 26.8~29.8 3.33 5 35 1.5 3 29.8~32.8 3.75 8 35 1.6 4 32.8~35.8 4.19 4.5 60 1.6 5 35.8~38.8 4.39 5 60 1.6 6 38.8~41.8 4.50 5 60 1.7 7 41.8~44.8 5.45 8 60 1.7 8 44.8~47.8 6.00 8 60 1.8 9 47.8~50.8 5.80 8 60 1.8

表3 第一口钻井部分钻进试验数据 Table 3 Test data of the first drilling hole

(1)在注气量一定条件下, 旋挖钻机转速越大, 潜孔锤碎岩效果越好, 钻进效率越高。

(2)在旋挖钻机转速一定条件下, 随着注气量的增加, 潜孔锤产生的冲击能也在不断增大, 冲击破岩效果明显改善, 钻进效率更高。

(3)随着注气量的增大及井深的增加, 压缩空气沿程阻力及所承受的井内环空背压值也逐渐增大, 空压机注气压力也随着逐渐增大。

(4)该救援井用大直径贯通式潜孔锤及反循环钻头, 在注气量达到60 m³/min、转速为8 r/min的条件时, 最高钻进效率可达6 m/h, 平均钻进效率达到在4.5 m/h。

从试验效果总体来看, 该救援井用大直径潜孔锤工作稳定、冲击能量大、钻进效率高, 反循环钻头排渣能力强, 可以充分满足救援井施工需要。