大直径工程井气举反循环钻进施工问题与改进
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[摘要]由河南省煤田地质局自主研发的Φ219.1/168.3mm大口径气举反循环钻具已成功应用于大直径工程井钻井施工，并取得了良好效益。由于该规格钻具属国内首创，在首次生产试验过程中曾出现一些问题和不足，本文分别从气道短路、气水龙头漏浆漏气及岩心堵塞等几个方面作详细阐述，以供同行参考借鉴。
[关键词]大直径工程井 气举反循环 气道短路 漏浆 岩心堵塞
[中图分类号] P641.4+61 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-8-344-2
由河南省煤田地质局自主研发的Φ219.1/168.3mm大口径气举反循环成套钻具已成功应用于大直径工程井施工，并取得了良好的经济和社会效益。从平煤十矿瓦斯抽排井生产试验现场应用情况来看，同等条件下钻进速度较正循环提高了74.3%，携岩效果及钻孔质量较正循环均有大幅提升。尽管如此，种种原因导致现场使用过程中仍然发现存在不少问题及需要改进的地方，下面分别从气道短路、气水龙头漏浆漏气及岩心堵塞等几个方面对其作详细阐述。
1气道短路
现场气举反循环钻进正常运行一段时间后，逐渐开始出现泥浆上返流量减小，空压机工作压力降低，上返岩屑粒径减小，钻效降低等状况。初步分析认为随着钻孔加深，空压机风压、风量逐渐不能满足气举要求，遂换上额定风量21.7m3/min的复盛PESG760型空压机，起初泥浆上返量得以恢复正常，上返岩屑粒径也有所增大，钻效上升明显，但很快上述不良状况依旧出现。综合分析认为钻效降低与空压机并无直接关系，极有可能在双壁钻具处出现气道短路，导致压差降低，反循环效果不佳。起钻后对钻具、钻头展开仔细检查，对可能原因逐一排除。很快发现气举反循环双壁钻具内管接箍外螺纹损伤明显，外管联接内管接箍处内螺纹甚至被磨平。
由图1双壁钻杆联接结构图可以发现内管接箍上端面与外管下端面之间存在一定间隙（约8mm），这一间隙的存在为双壁钻具内管接箍倒扣提供了空间，由于该扣是一种锥形扣，一旦发生倒扣，螺纹牙间接触面积减小（如图2），螺纹牙尖部分发生应力集中，形成疲劳破坏。此外由于钻具在孔内呈竖直状态，反循环过程中泥浆沿内管内通道向上运输，压缩空气沿内外管环状间隙向下走，根据流体力学，泥浆的流阻系数较空气大得多（气体流阻系数甚至可以忽略不计），双壁钻杆内管内表面受到泥浆流阻较外表面受到空气阻力大。因此当气举反循环钻进时，内管主要受到向上泥浆阻力和自身重力作用，事实表明泥浆在内管内通道中流速极高（现场试验最高达2.20m/s），当向上阻力大于自身重力时，内管相对外管就有向上运动趋势。内管接箍上端面与外管下端面之间存在间隙较大时，内管就在该间隙区间发生频繁往复运动，久而久之即导致内管接箍外螺纹与外管内螺纹端部出现非正常磨损。
发现问题根源后，对新加工的双壁钻具进行了改进，具体措施包括：
（1）结构上将内管接箍上端面与外管下端面之间间隙由8mm缩小到1mm以内；
（2）加工工艺上分别从材质、硬度、表面光洁度等方面对螺纹部分进行耐磨处理。
由于措施得当，双壁钻具螺纹部分保护较好，压缩了内管活动空间，使钻具密封性能更好，杜绝了气举反循环时出现高压空气未经气水混合器直接从上部钻具内管插接部分进入内管的现象（短路），最终保证了气举反循环的长期正常运行。
2气水龙头漏浆、漏气
现场气举反循环钻进正常运行一段时间，气水龙头出现漏浆、漏气等现象（图3）。拆开气水龙头后发现空气密封盒两端的6道密封圈（其中4道气密封，2道泥浆密封）其中多道已经严重失效（图4），立轴表面也损伤明显（图5）。
发现上述问题后，迅速采取措施，先后采用更换密封圈、修复立轴、添加机油、勤注脂等办法，但是改善却并不明显。经反复研究探索，排除缺油脂等因素，最终认为导致立轴和密封圈非正常磨损的根本原因在于有部分泥浆进入到立轴与壳体之间，由于泥浆中存在固相含量，立轴与壳体发生相对运动时，固相含量对密封圈和立轴形成机械磨损。因此要从根本上解决这个问题需要阻止泥浆进入到立轴与壳体之间。
改进的方法是，在原来的连接座基础上再增加一道防线，将空气盒中的压缩空气通过迷宫形式引入到泥浆密封区，由于压缩空气压力始终大于泥浆压力，加上盘根作用，泥浆很难进入到立轴与壳体之间。这样即减少了对密封圈和立轴的非正常机械磨损，保证了气水龙头良好的密封性，延长了密封圈的使用寿命。
3岩心堵塞
为增强试验对比效果，现场气举反循环钻头以全面牙轮钻头为主，还设计了一些取心牙轮钻头，PDC复合片钻头等，见图6、7所示。
取心钻头岩石破碎面积小，钻效相对全面钻头要高，但同时也增加了钻具内通道被大体积、形状不规则岩心堵塞的可能性，一旦钻具被岩心堵塞，处理起来就相当麻烦，甚至严重影响气举反循环钻进效率。
为了解决岩心堵塞问题，对反循环钻头分别进行了如下改进：（1）对取心牙轮钻头，割心楔块材质选择硬度高、耐磨性好的材料。楔块与岩心接触表面合理布置硬质合金，进一步提高耐磨性，防止楔块被岩心磨损造成割心失败。（2）对PDC钻头，严格控制进入钻头排渣口岩屑粒径，如图8所示，在排渣口处焊接一定长度钢管，并保证露出排渣口一定高度，以防止大块、形状不规则岩心直接进入排渣口后造成堵塞。
4结论
在平煤十矿大口径气举反循环钻具首次生产试验获得成功基础上，通过持续跟进，深入分析，对气举反循环双壁钻具、气水龙头及反循环钻头等进行了改进，经改进后新加工的一批钻具在新密和成煤矿瓦斯抽排井施工现场得到成功应用，气举反循环运行效果良好，故障率大幅降低，纯钻时间延长，取得了非常好的经济效益。
参考文献
[1]武汉地质学院编著，《钻探工艺学》，北京，地质出版社，1981.
[2]翁家杰，《井巷特殊施工》，北京，煤炭工业出版社，1991.
[3]张永成，《钻井施工手册》，北京，煤炭工业出版社，2010.
[4]地质部主编，《水文水井地质钻探规程》DZ/T 0148-94，1994.
[5]缑延民，耿建国等.《煤矿大口径输冰井施工技术研究报告》 [R].河南省煤田地质局四队，2011.