空气潜孔锤技术

空气潜孔锤配套设备———顶驱车载钻机~

1.顶驱车载钻机优越性
对钻井而言，提高效率分为两方面，一方面是钻进效率的提高，另一方面是辅助时间的缩短。空气潜孔锤改变了传统回转钻进工艺原理，解决了钻进效率难以提高的问题。车载钻机的应用是缩短钻井辅助时间的最好选择。车载钻机不需另外的吊装和运输，可直接开到井位并快速竖起井架，和常规回转钻机相比，大大节省了开钻前的准备时间，可达到当天搬迁当天开钻的水平。又因该钻机装配顶驱动力头，可实现自助给压回转目的，克服了常规钻机开孔无法给压的难题，开孔后可用空气潜孔锤施工。有的顶驱车载钻机自身携带空压机，可自身实现供气功能，可快速进行钻井施工。顶驱车载钻机施工，空气潜孔锤钻进，两者相互结合，实现了快速钻进目的。目前，在国内煤层气钻井领域应用较多的为T685WS顶驱车载钻机（图2－6）。

图2－6 T685WS顶驱车载钻

2.T685WS顶驱车载钻机主要配置及性能
T685WS顶驱车载钻机是美国Schramm公司生产的钻机，车身长14m，宽2.55m，自重26t，主要配置如下：
1）动力系统：主发动机为康明斯QSK－19型，功率563kW，由曲轴前法兰盘向液压泵提供动力，从飞轮一端驱动空压机。
2）回转及提升钻进系统：由全自动液压动力驱动，最大提升能力42t，最大钻进压力16t，最大扭矩12045N·m，转速0～143r/min无极调速。
3）井架结构：井架为焊接的巨型钢管结构，最大提升高度11.80m，井架底部最大开口直径为711mm。
4）空压机系统：配置两档油淹没旋转螺杆空压机，空压机最大排量38m3/min，最大排放压力34.5kg，并配有外接空压机、增压机接口。
5）操作系统：该钻机回转提升给进系统操作手柄集中，可根据井内情况调节给进压力、转速。该钻机还配有起下钻具、套管的专用起吊装置。

潜孔锤是空气潜孔锤钻进工艺施工所需设备，可能是行业说法不一样，风动潜孔锤与空气锤应该是一样的，都是以空气作为循环介质，作为动力能源达到连续钻进的目的。

1.空气潜孔锤的基本特点

空气潜孔锤工作特点是以压缩空气为动力（包括含泡沫的压缩空气），将压缩机产生的压缩空气的能量通过潜孔锤这个能量转换装置。对需要破碎的岩石产生高频的能量冲击，当这个能量冲击达到岩石的临界破碎功时，便产生体积破碎，通过钻机和钻杆的回转驱动，形成对岩石的连续破碎能力，同时工作后气体在一定的风速条件下将钻头进行冷却和排粉以实现钻进目的。

从岩石破碎的角度来看，潜孔锤钻进是以冲击碎岩为主，而回转是改变冲击碎岩位置同时起辅助碎岩作用。因此钻进效率的高低，在很大程度上取决于冲击器的性能和质量。其重要特点是钻进硬岩效率高、钻头使用寿命长、回转速度低、扭矩小、轴心压力轻。

2.空气潜孔锤的工作原理

如图2－5所示，在气缸中有一个活塞，当压缩空气从进气口进到气缸的上室时，由于压缩空气的压力作用在活塞的上端，推动活塞向下运动，到终点时冲击钻头尾部，在活塞向下运动过程中，气缸下室空间的气体从排气口排出。相反，压缩空气从排气口进入下室时，活塞就向上运动，上边的气体从进气口排出。如果不断改变进排气方向，就可实现活塞在气缸内的往复运动，从而反复冲击钻头尾部，实现冲击钻头连续工作。美国录码（NU－MA）气动潜孔锤的孔径范围89～1092mm，冲击频率1750～925次/min，工作压力2.4～1.4MPa；国产嘉兴气动潜孔锤的孔径范围85～450mm，冲击频率1200～840次/min，工作压力0.63～1.6MPa。

图2－5 空气潜孔锤工作原理示意图

3.冲击器的类型

1）按冲击器的配气方式和特点，可以分为有阀和无阀两种类型。有阀冲击器的配气特点是由配气机构的阀片控制配气的。按排气方式可分为旁侧排气和中心排气两种。旁侧排气使用最早，因其气缸内的气体由钻头两侧排出，故称旁侧排气冲击器。中心排气是气缸内的气体经钻头的中心孔排出，结构比旁侧复杂，加工精度高，这种冲击器能及时排出岩粉、不重复破碎，减少了钻头磨损，提高了钻凿效率。此结构是在旁侧排气基础上改进的，现基本上都用此种结构类型。

无阀式冲击器没有阀，控制活塞往复运动的配气系统是布置在气缸壁上的，当活塞运动时自动排气，由于这种冲击器不用阀片配气，而能够利用压缩空气的膨胀功推动活塞运动，从而减少了动力消耗。特点是零件少，结构简单，加工方便，与有阀冲击器相比，压力消耗量可节省30％左右。无阀式冲击器按排气方式还分为旁侧排气和中心排气两种。现在使用的多为中心排气的无阀冲击器。

2）按冲击器额定工作压力可以分为低风压冲击器和中高压冲击器。一般额定工作压力在0.5～0.8MPa的为低风压冲击器，0.9～1.4MPa的为中风压冲击器，大于1.5MPa的为高风压冲击器。

3）按冲击器的钻进口径可分为小口径冲击器和大口径冲击器。口径在200mm以内的为小口径，大于200mm的为大口径。

4）按潜孔锤的中心通孔形式可分为普通式、中空式和偏心式，应用范围各有不同。

5）为扩大应用领域，还包括有单头大口径气动潜孔锤和多头大口径集束式气动潜孔锤。

4.潜孔锤钻头

潜孔锤钻头是传递冲击能量并直接破碎岩石的工具，它与冲击器形成整体机构，钻头的结构形式和制造质量的好坏，直接影响着潜孔锤的使用效果。所以根据岩石物理机械性质的不同，合理选用不同形式不同结构的钻头是提高钻进效率、增加钻头使用寿命的重要技术条件。

潜孔锤钻进所用的钻头形式，基本有：①同心式合金球齿钻头，②偏心式合金球齿钻头，③刃片型合金钻头，④反循环合金球齿钻头。

5.潜孔锤钻进技术参数

潜孔锤钻进操作技术虽比较简单容易，但必须科学和熟练的操作，才能取得理想的钻进效果。钻进效率的高低，不仅取决于所用空压机、冲击器和钻头的性能，还必须做到合理的操作，正确选用钻进技术参数。

（1）风压与风量

在潜孔锤钻进时，其钻进速度与所用压缩空气的压力密切相关。选用空压机时，在充分参考潜孔锤规定风压值的同时，也要考虑因管路消耗、克服水柱背压、启动潜孔锤的压力及维持空气或空气泡沫循环的压降等组成的额外压力。一般来说，较高的空气压力将增加潜孔锤的工作效率，空气压力还决定了潜孔锤的钻井深度。钻井深度越深，所需空气压力越大，这就是潜孔锤钻进配备增压机的原因。

关于潜孔锤钻进所需风量，一是碎岩钻进所需风量，二是此风量值也能满足排岩屑的需求。由于潜孔锤钻进速度快且岩屑颗粒大，所以需较大的风量才能使井底干净。对于常用的潜孔锤正循环钻进而言，岩屑从孔底经钻杆与孔壁的间隙排送到孔外要依靠气流，其速度应尽可能达到20m/s，一般情况下不小于15m/s，否则孔内岩屑多，会严重影响钻进效率。

（2）钻压

空气潜孔锤的基本工作过程，是在静压力（钻压）、冲击力和回转力3种力作用下破碎岩石的。其钻压的主要作用是为钻头齿能与岩石紧密接触，克服冲击器及钻具的反弹力，以便有效的传递来自冲击器的冲击功。钻压过小，难以克服冲击器工作时的背压和反弹力，直接影响冲击功的有效传递；钻压过大，将会增加回转阻力，使钻头早期磨损。对于216mm孔径的潜孔锤来说，最佳压力在1.5t左右。一般来说，按潜孔锤直径计算，每增加1cm可增加压力0.5～0.8kN，可根据地层情况适当调节。

（3）转速

潜孔锤回转速度对于顺利钻进和延长钻头寿命起着决定性的作用。潜孔锤钻进时，回转的唯一目的是锤头上的球齿在每经过一次冲击后都能落在新的岩面上，在钻头外缘上的球齿对回转特别敏感。假若回转速度过慢，钻头上的球齿将打入先前冲击过的坑穴中，会引起钻头的不稳定，使回转受阻，并使钻进效率下降；若回转速度过快，钻速不会增加，而钻头的球齿由于强大的摩擦力将引起过早磨损。所以合适的锤头回转速度将延长钻头寿命，但合理的回转速度选择，主要与冲击器所产生的冲击功的大小、冲击频率的高低、钻头的形式以及所钻岩石的物理机械性能有关。

最优的钻头回转速度，以获得有效的钻速、平稳的操作和经济的钻头寿命作为一般要求。美国水井学会（NWWA）康伯尔认为：潜孔锤旋转存在着最优转角，其值为11°，最优转角与转速、冲击频率之间的关系为：

现代煤炭地质勘查技术

式中：A为最优转角（°）；n为转速，r/min；f为冲击频率，次/min。

（4）潜孔锤的操作技术

1）开孔阶段操作必须小心，不要使锤头偏离孔口，并防止吹塌孔口充填物。

2）当钻孔开始钻进时，需降低空气压力，使空气仅能推动潜孔锤运转即可，等工作平稳后再增大压力提高效率。

3）正循环钻进时要加注泡沫剂，它有助于钻进过程中岩屑的清理，孔壁的稳定，并能控制孔内涌水。

4）潜孔锤必须在要求的气压下工作，气压过高会明显缩短零件的使用寿命，过低会降低凿岩效率和缩短锤头的使用寿命。

5）为了及时清除孔内岩渣，减少钻具的磨损，应经常从孔底提起潜孔锤，对孔内进行充分的排渣。

6）如果孔内实然发生坍塌，应保持潜孔锤工作并立刻在孔内上下活动。必要时还可增加转速，一直到潜孔锤能自由上下、使岩渣从孔内排净为止。

7）加接钻杆时，要特别注意钻杆内的清洁，以避免砂土及管内铁锈等脏物进入潜孔锤内，引起零件损坏或发生停钻事故。所以必须保证气路清洁通畅，并对钻杆丝扣涂抹丝扣油。

8）一根钻杆打完后，必须先将孔内岩渣吹扫干净，进而减小气量，慢慢放入孔底，过一会儿再慢慢的停气，然后才能加接钻杆，以防岩渣倒流到潜孔锤内。

9）更换钻头时，要保证所换钻头直径小于被换下的钻头直径，以防钻头下不去。

10）严禁钻具反转，以预防钻具掉入孔内。

5.空气潜孔锤钻进的特点及应用范围

1）该工艺方法钻进效率高，钻头寿命长，所需回转速度低，扭矩小，轴压小，并且有预防孔斜和纠斜作用。同时设备和钻具的损耗也很小，已得到人们的公认。

2）潜孔锤钻进是目前提高硬岩钻进效率最有效的方法之一。生产实践表明，其钻进效率比回转钻进高10倍左右，尤其在干旱缺水地区和地表出露岩石地区，可以有效的钻进，达到提高生产效率，降低施工成本目的。

3）空气潜孔锤钻井工艺携带岩粉的能力主要取决于空气上返速度，钻井外环空间隙过大时岩粉上返困难，空气潜孔锤钻进适用于井径400mm以下的钻井施工。

4）空气潜孔锤钻进适宜钻进较硬地层，在第四系表土层尤其是松软土层冲击钻进时，容易造成孔壁垮塌。钻进裂隙发育的地层时，由于空气漏失、岩屑很难返出，造成空气潜孔锤钻进无法施工。

5）空气潜孔锤钻进属于负压欠平衡钻进，地层水容易侵入钻孔，如果出水量大于10m³/h，钻效将降低甚至无法施工。这种情况下，需要在空气中加入泡沫施工，必要时通过外置空压机增加风量、通过增压机增加风压，这时钻井成本将上升。

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