摘要
空气潜孔锤钻进工艺钻进效率是常规钻井工艺的10~20倍，对提高矿产资源勘探开发效率，促进贵州省经济发展具有重大意义。西南（贵州）喀斯特地区是全球最大的喀斯特连片分布区，碳酸盐岩地层分布广泛，溶洞及溶隙、裂隙发育，在使用空气潜孔锤钻进工艺钻进时，容易发生漏风现象，导致返渣困难，甚至发生卡钻、埋钻事故。双壁钻杆空气潜孔锤局部反循环钻进工艺可以有效解决喀斯特地区空气潜孔锤钻进工艺使用困难的问题，但该工艺使用的封堵工具极易磨损，限制了该工艺在深井钻探中的使用。本项目主要以双壁钻杆空气潜孔锤局部反循环封堵工具为对象，通过调整封堵工具结构，增加封堵环旋转性能等手段，对封堵环进行改良和优化设计，增加封堵工具的使用寿命，实现双壁钻杆空气潜孔锤局部反循环钻进工艺在深井钻探中的应用。
贵州省是我国南方矿产资源大省之
空气潜孔锤正循环钻进工艺在具有较高的钻进效率的同时，也存在着明显的缺
图1 空气潜孔锤正、反循环钻进工艺钻遇溶洞情况对比
Fig.1 Comparison of direct and reverse circulation drilling with the air DTH hammer through karst caves
(a)正循环钻遇溶洞 (b)反循环钻遇溶洞
双壁钻杆空气潜孔锤局部反循环钻进工艺在施工时，压缩空气从双壁钻杆外管进入井下，通过正反工艺转换接头的空气流通通道进入空气潜孔锤，驱动潜孔锤冲击碎
图2 空气潜孔锤正、反循环钻进工艺工作原理
Fig.2 Working principles of direct and reverse circulation air DTH hammer drilling
环空封堵工具是一种用于封堵井筒与双壁钻具之间环形空间的工
图3 橡胶封堵工具与正、反循环转换接头实物和结构示意
Fig.3 Rubber sealing device and direct to reverse cross‑over, and their structures
图4 金属封堵工具实物
Fig.4 Metal sealing device
施工时，封堵工具在井内进行着2种运动，一种是轴向的上提和下放运动，另一种是随着钻具的转动而进行的绕轴旋转运动。因此，我们提出如下假说：封堵工具在井下与井壁发生2种相对运动，即轴向的运动和垂直轴向的运动，从而也受到2个方向的摩擦力影响；因钻具旋转速度与频率远大于上下活动的速度与频率，因此垂直轴向的摩擦力是磨损封堵工具的主要因素。如果能够减少或避免橡胶封堵工具的封堵胶环的绕轴转动，即可极大地提高封堵工具的使用寿命，达到深井钻探的使用要求。
本项目研究基于上述假设，通过在封堵工具的封堵胶环处增加旋转装置和调整封堵胶环结构，达到增加封堵工具寿命和确保封堵效果的目的，最终实现双壁钻杆空气潜孔锤局部反循环钻进工艺在深井钻探中的应
环空封堵工具由双壁短节外管、内管、紧定螺钉、扶正接头和密封环组成（见
图5 双壁环空封堵工具结构示意
Fig.5 Structure diagram of the dual‑wall annulus sealing tool
在不影响工具整体强度下，设计了由双壁短节外管、内管、紧定螺钉、扶正接头和密封环组成的双壁环空封堵工具。制定了焊接骨架，然后整体裹胶，车削成型的加工工艺。具体流程如下：
（1）加工双壁短节内、外管（完成工件外形、螺纹、密封槽加工）；
（2）加工密封环骨架（加工成环形基体后，线切割成均匀两瓣）；
（3）焊接密封环骨架（密封环骨架焊接后与外管本体间应留有径向及轴向间隙，防止粘磨；密封环骨架与外管本体间径向及轴向间隙间加注润滑脂，起到润滑和防止粉尘进入间隙导致预留间隙失效的作用）；
（4）裹胶（使橡胶缠绕、固定在骨架上）；
（5）车削胶盘（采用车削工艺，完成密封胶盘加工）。
密封环成型（见
图6 密封环成型样机
Fig.6 Sealing ring prototype
图7 扶正接头安装位置
Fig.7 Installation position of the centralizer ring
此外，密封环骨架与外管配合区域均采用渗氮处理工艺，可以提高耐磨能力。
双壁环空封堵工具核心部件为密封环，其随钻具入井时受上返岩屑冲击、井壁摩阻，需要具备很好的抗撕裂、磨损、耐热等性能。氢化丁腈橡胶是用于航空的一种橡胶，具有良好的耐油、耐氧、耐老化、耐磨、耐化学腐蚀等性能，因此被选为封堵工具密封环橡胶材料。
2018年6月，在贵州省榕江县忠诚镇地热井施工中开展了反循环环空封堵工具现场试验。现场使用钻机为RB-T100型全液压多功能车载钻机，使用2台寿力1400XH型空压机提供动力，试验井段为30~600 m，试验地层为三叠系下统永宁镇组灰岩，白云质灰岩及泥质灰岩，钻进组合为：Ø311 mm锤头+冲击器+正反循环转换接头+环空封堵工具+Ø273 mm双壁钻铤+Ø219 mm双壁钻杆。试验中钻进参数为风量35~70
入井前仔细检查了工具外包装及工具密封环（见
图8 工具入井
Fig.8 RIH of the device
图9 使用后的封堵工具
Fig.9 Sealing device after use
（1）通过增加旋转功能，新型环空封堵工具有效降低了工具在钻进过程中与井壁的摩擦，提高了工具使用寿命，为解决双壁钻杆空气潜孔锤局部反循环钻进工艺在地热井施工中的“瓶颈”问题提供了较好的思路。
（2）组合式胶盘密封有效提高了环空密封的可靠性。
（3）现场试验证明，为解决大直径双壁钻具设计无法采用整体式结构的问题而采用的两瓣式焊接技术，通过裹胶、车削胶盘形成密封机构。这种工艺加工的环空封堵工具使用效果良好。
（4）工具起出井筒时，上下封堵橡胶环出现破损，但其他胶盘仍然具备密封效果，该工具胶盘还需进一步优化改进。
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