摘要
王台铺矿矿井关闭后的涌水对临近矿井安全生产造成了严重的影响，实施大直径直排井进行排水是降低上述影响的重要手段。根据煤层地质及涌水量，直排井井眼直径设计为Ø650 mm，垂深205 m。由于目的层为巷道且穿过3号煤层采空区，常规钻进方法对目的层安全产生一定的影响，且其钻速慢、成本高。为此，提出了一种大直径潜孔锤跟管钻进新技术，利用潜孔锤进行碎岩，利用跟套管降低环空上返面积进而降低风量要求，有效解决了大直径井眼空气钻进风量需求大、成本高的技术问题。该技术在王台铺矿3口大直径直排井施工中的应用表明，该跟管钻进技术耗气量低、排渣效果好、密封性能优良，平均建井周期20天，平均时效10 m，大幅提高了大直径井眼的钻进效率，降低了钻探成本。
王台铺矿隶属于沁水盆地晋城矿区，历经60多年的开采，其煤层资源已经枯竭，整个矿区于2017年关闭。受矿井开拓延伸及开采环境等因素的影响，王台铺矿矿井关闭后涌水量大幅增加。由于其15号煤层底板高于相邻的凤凰山生产矿，其涌水对凤凰山矿的安全开采产生重要的影
王台铺直排井位于山西省晋城市北石店镇朝天宫村1号风井院内，主要负责排除矿井620水平主排水点附近的涌水，涌水量约600
图1 王台铺直排井井身结构示意
Fig.1 Profile of the straight drainage well in Wangtaipu Mine
一开：用Ø850 mm钻头钻至10.7 m，下入Ø720 mm、壁厚8 mm的J55级表层套管10.7 m，封固地表疏松层，固井水泥返至地面。
二开：用Ø650 mm钻头钻至205 m，下入Ø560 mm、壁厚12 mm的J55级生产套管205.5 m，生产套管高出地面0.5 m，不固井。
由于二开直径设计为Ø650 mm，井深达205 m，常规技术钻进较为困难：
（1）无法采用常规钻井液进行钻进。Ø650 mm井眼采用常规钻井液钻井时，受排量限制环空返速低，携岩较为困难，机械钻速低，如元坝103H井平均机械钻速仅为1.18 m/h，且由于直排井二开底部直接与620东大巷巷道连通，若采用常规钻井液钻通巷道时，钻井液会瞬间漏失，易造成井壁坍塌，并对巷道安全产生重要影响。
（2）采用常规气体钻进时，所需气体排量理论上应大于300
（3）贯通式潜孔锤反循环钻进可满足大尺寸井眼钻进需要，但该技术需要双通道水龙头、双壁主动钻杆和双壁钻杆等钻具配套，且对钻机要求高，施工成本较高。
针对上述问题，本文提出了一种大直径潜孔锤跟管钻进工艺技术，采用随钻跟管技术解决王台铺直排井大井眼施工的技术难题。
大直径潜孔锤跟管钻进系统如
图2 大直径潜孔锤跟管钻进系统示意
Fig.2 Schematic diagram of the large‑diameter DTH hammer casing drilling system
工作时，高压气体经钻杆中心通道进入潜孔锤，驱动其冲击碎岩，然后进入钻头中心通道下行冷却钻头，并携带岩屑经钻头与孔壁间的环形间隙上返。由于跟管机构与井壁间的环形间隙较小且环形空间由孔口密封装置密封，当气体与岩屑流经潜孔锤顶部时，在压差作用下进入跟管机构，然后经内套管与钻杆之间的环形间隙上返，最后经由孔口密封装置进入排砂管排出孔外。显然，内套管与钻杆之间的环形空间远小于钻杆与孔壁的环形间隙，因此可大幅降低空气量的需求。
钻进时，其工作原理如
图3 大直径潜孔锤跟管钻进工作原理
Fig.3 Working principle of large‑diameter DTH hammer casing drilling
从大直径潜孔锤跟管钻进工作原理可知，该技术的最大优势在于钻杆与井壁之间设计了一层内套管，气体携带岩屑从内套管与钻杆间的环形间隙上返，流动通道面积大幅减小，降低了空气消耗量，且气体对孔壁的扰动较小，复杂地层钻进时能有效降低井壁的坍塌、掉块等风
与常规潜孔锤技术相比，大直径潜孔锤跟管钻进的关键在于跟管机构和孔口密封装置的设计。
跟管机构如
图4 跟管机构示意及实物
Fig.4 Schematic diagram and physical product of
the casing drilling mechanism
跟管机构可采用普通钻井套管焊接而成，可就地取材。钻进时，其主要依靠重力沿内套管下行，结构简单可靠。
孔口密封装置是大直径潜孔锤跟管钻进技术的重要组成部分，主要用于孔口密封并将岩屑引导至泥浆池
图5 孔口密封装置示意及实物
Fig.5 Schematic diagram and physical product of the wellhead sealing device
旋转密封系统由胶塞、轴承和外管组成。轴承内圈直径大于钻杆直径，两者之间通过胶塞密封，胶塞可随钻杆回转。旋转系统外管上设有排砂管，将气体和岩屑引到泥浆池。该旋转密封系统可防止岩屑从钻杆与壳体之间的环空上行，可视为孔口密封装置的二级密封。
旋转密封系统顶部设有端部密封系统，防止旋转密封系统失效后气体携带岩屑从孔口逸出，影响现场作业安全。
气动潜孔锤是利用压缩空气交换进入前后气室，推动潜孔锤活塞往复冲击钻头，破碎孔底岩
TH24-650型钻头底面形状为中心下陷型，在采用低—中风压钻进软—中硬以及裂隙地层时，有较好的钻进效率和钻孔垂直度，适用于煤层及煤系地层的大直径孔项目施
图6 TH24-650型大直径潜孔锤及钻头
Fig.6 TH24-650 large‑diameter DTH hammer and bit
随钻进深度的增加，套管连接数增加，其自身重力随之增加，内部应力达到屈服极限时，套管便会发生断裂失效。因此，建立套管应力理论模型，确定不同钻进深度所需的套管参数，对保证潜孔锤跟管钻进安全具有重要意义。
根据套管受力情况（见
图7 套管轴向受力示意
Fig.7 Axial force on casing
从
| （1） |
式中：——轴向力引起的套管截面正应力，Pa；F——套管柱所受拉力，N；P——套管所受压力，N；n——套管安装节数；l——单节套管长度，m；——单位长度套管质量，kg/m；A——套管螺纹根部断面面积，
则套管纵向破坏荷载校核如下式：
| （2） |
式中：σs——材料屈服强度，Pa；S1——安全系数，考虑套管跟管钻进时会受到地层摩擦力、退刀槽截面会产生应力集中造成疲劳破坏，S1数值一般取3~5。
本技术采用Ø273 mm套管进行跟管钻进，套管屈服强度400 MPa，轴向压力为0，单节套管长度8 m，螺纹牙高1.5 mm，由于跟管钻进过程中，套管所受扰动较小，因此安全系数取3。根据《地质钻探手册》套管规
图8 不同壁厚套管可跟管深度
Fig.8 Casing drilling depth of casing with different thickness
由于王台铺矿直排井井深仅205 m，因此选用壁厚7.1 mm的套管进行跟管钻进，以减少施工成本。
该直排井设计井深205 m，选用TSJ-2000型水源钻机。该钻机依靠转盘带动钻杆与潜孔锤回转，传动平稳，密封性好，广泛用于水源、中浅层石油、天然气等钻探，也可用于地热、地质等其它工程钻孔。额定钻进深度1500~2000 m，转盘最大扭矩18 kN·m，卷扬机最大提升力90 kN。
空压机选用1070P型空压机，额定风压2.4 MPa，额定风量30.3
钻塔垂直高度24.5 m，最大负荷500 kN。
潜孔锤钻进工艺参数包括钻压、转速、供风量和风压等参数。合理选择钻进规程有利于提高设备工作效率、保持孔底清洁、提高机械钻速、降低开发成本等。
潜孔锤钻进时，供风量须同时满足潜孔锤工作和携岩需求，注气量不足时，难以有效地将井下岩屑顺利、连续地输送至地表，会在井内聚集造成沉降卡钻，同时降低潜孔锤输出功率，影响碎岩效率及钻进速度。当注气量过大时，尽管可提高潜孔锤冲击功，但其能量利用率降低，能量损失大，且易发生活塞断裂、钻头快速磨损等复杂事故。正常作业时，空压机压力主要克服压缩空气在循环系统中的沿程损失、局部损失和温度变化产生的压力降，以保证潜孔锤正常作业、岩屑顺利上返至地表。通常情况下，相同条件下的潜孔锤，风压越高，冲击能量越大，钻速也随之增
供风量可按
| （3） |
式中：Q——压风机的供风量，
依据王台铺矿直排井井身结构、地层出水量及施工工艺，由
潜孔锤工作时，静载钻压能克服其回弹，保证切削具与岩石紧密接触，将冲击波传递给岩石，实现高效碎岩。但钻压过大会导致钻头回转扭矩及摩擦力增大，引起切削齿过度磨
王台铺直排井所使用的大直径潜孔锤钻头直径为650 mm，故推荐钻压的取值范围为32.5~65 kN。
（1）一开井段施工。为施工便利，降低施工成本，利用Ø850 mm旋挖钻机及人工开挖的方式，钻进10.7 m穿过表层土层。钻进完毕后下入Ø720 mm表层套管1根，经48 h固井候凝后开展二开钻井施工。
（2）二开井段施工。二开钻井主要使用潜孔锤跟管钻进技术，钻柱组合为：Ø650 mm潜孔锤钻头+Ø525 mm潜孔锤+Ø178 mm钻铤+扶正器+Ø127 mm钻杆+方钻杆。跟管机构内套管采用常规Ø273 mm套管。
王台铺矿3口直排井均采用本文提出的新型大直径潜孔锤跟管钻进技术，总进尺为583 m。根据施工情况，大直径潜孔锤跟管钻进技术取得了较好的效果。
（1）钻进效率高、施工成本低。王台铺矿3口直排井平均建井周期20 d，平均钻效10 m/h，钻进效率大大提高。钻井过程中供风量为60.6
图9 跟管钻进上返的岩屑
Fig.9 Cuttings returned in casing drilling
（2）全井测斜、纠偏，保证了钻孔垂直度。为保证成孔质量，王台铺矿3口直排井均进行全井测斜，每9 m测斜一次。井斜角超过1°时，下入无磁钻铤准确测定钻孔倾角及方位角，同时开展钻孔纠偏作业。3口井完钻时，全井井斜均低于1°，“狗腿”度小，井身质量优秀。
（3）王台铺矿3号煤层已开采完毕，形成采空区，其地质条件复杂，易造成地层失稳、坍塌、漏风等现
大直径孔钻探施工不仅对人员综合技术水平、钻探设备能力及配套设备要求高，而且钻孔质量控制难度大，因此在王台铺矿直排井项目施工中，设计了一种新型潜孔锤跟管钻进技术，经现场应用得出以下结论：
（1）大直径潜孔锤跟管钻进技术成功应用于王台铺矿3口直排井的施工，总进尺583 m，平均钻速10 m/h，全井空气钻进过程较为顺利。
（2）大直径孔施工中加入跟管机构后，有效减少空气消耗量，只需配备2台空压机，即可满足空气消耗量要求，大幅降低了施工成本；且跟管机构由现有规格套管加工而来，结构简单，安装方便。
（3）孔口密封装置密封效果良好，有效防止了空气和岩屑从孔口溢出，保证了跟管钻进顺利进行。
（4）钻遇3号煤层采空区时，由于循环漏失导致岩粉无法上返，因此需对跟管机构进行改进，以提高大直径潜孔锤跟管钻进技术在穿采空区施工的能力。
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