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摘要：砂卵石地层是钻探中常见的复杂地层，在该地层快速成孔的技术一直困扰着钻探人员。通过分析目前砂卵石地层常用的钻进方法，提出用潜孔锤偏心跟管钻进技术在该地层快速钻进成孔。理论结合实践证明，该技术在砂卵石地层能够快速成孔，并具有广阔的应用前景。
关键词：潜孔锤；跟管钻进；砂卵石地层
1.砂卵石地层钻进技术现状
砂卵石地层复杂，分布无规律，结构松散变化大，粒径不一，常有粒径20～30cm的漂石，甚至有粒径1m以上的大孤石，架空现象严重，透水性强。在钻进过程中总会遇到钻进难和护壁难等难题[1－4]。
1.1锤击跟管硬质合金取芯钻进技术[5]
该技术通常采用硬质合金和钢粒钻进，吊锤击打套管跟进。当孔壁坍塌影响钻进或钻遇大孤石时，采用孔内爆破技术进行爆破。该方法的缺点是钻进效率低、取芯率低和孔故率高。
1.2金刚石取芯钻进技术
该技术在砂卵石地层钻进时，通常以植物胶作为冲洗液配合金刚石钻头钻进和用单动双管取芯钻具取芯。该技术能够提高取芯质量、提高钻进效率和降低孔故率。但在水敏性地层和极破碎等复杂地层钻进效果较差。
1.3冲击钻进、粘土护壁法
该方法利用钻头的冲击挤密和孔内填加粘土的办法,可有效护壁,保证孔壁稳定。但是一般钻孔直径较大，效率较低，且孔内遇水或孔隙较大时，孔壁不稳定，钻进效果较差。
1.4空气潜孔锤跟管钻进技术
空气潜孔锤跟管钻进技术是一种钻进、排渣和护壁同时进行的钻进技术，可以较好的解决护壁问题，具有地层适应性强、钻进效率高、孔壁稳定的优点。近年来已广泛应用于砂卵石地层钻进。其有同心跟管钻进和偏心跟管钻进两种方式。目前应用较多的为空气潜孔锤偏心跟管钻进。
通过对比分析，使用空气潜孔锤偏心跟管钻进技术能较好的解决在砂卵石地层快速成孔的问题。
2.空气潜孔锤偏心跟管钻进原理
以单偏心潜孔锤偏心跟管钻具为例[6]说明其跟进原理，跟管钻具结构见图1。钻进时，压缩空气经钻杆进入冲击器，推动冲击器的活塞做高频冲击导正器的往复运动，冲击器通过导正器将冲击波和钻压传递给中心钻头和偏心钻头以破碎孔底岩石。同时，钻机通过钻杆传递给冲击器的回转扭矩作用到冲击器的花键上，由花键带动跟管钻具的导正器转动。导正器转动时偏心钻头张开，并在开启到设计位置后被限位，使中心钻头、偏心钻头能够同时随导正器旋转。偏心钻头钻出的孔径大于套管的最大外径，可以减少套管跟进阻力，套管可凭借自重和冲击器冲击力跟进护壁。当套管的重力大于地层对套管外壁的摩擦阻力时，套管以自重跟进；当套管重力小于地层对套管外壁的摩擦阻力时，潜孔锤偏心跟管钻具继续破碎岩石前进，前进破碎岩石至导正器上的台肩与套管靴上的台肩接触时，冲击器的部分冲击能量传递给套管靴，再加上钻具自重以及钻压的作用，迫使套管靴带动套管与钻具同步跟进。
图 1 单偏心跟管钻具
3.工程应用实例
3.1工程区域地质概况
工程区域位于洛阳市洛龙区槐树湾村与偃师市诸葛镇裴村附近，交通便利。区域地貌单元属于伊河河床、河漫滩，地层共分为13个主层，上部以第四系全新统、上更新统冲洪积形成的卵石为主，下部为上第三系洛阳组粘土岩、砂岩和砾岩。卵石粒径一般为20～60mm，大者在70～140mm，偶见漂石。
3.2设备
钻机选择无锡双帆产的YG50坑道钻机。该钻机为全液压动力头钻机。空压机选用英格索兰WWHP400WCU。冲击器与钻具选用无锡双帆产的QCW－100和QCW－80冲击器以及配套使用的Φ108套管和Φ146套管，套管长度为1m和1.5m两种，钻杆为Φ73×1m，Φ73×1.5m两种。拔管机选用无锡双帆产的YB70液压拔管机。此外还有配套的柴油发电机组和辅助设备。
3.3钻进参数
潜孔锤偏心跟管钻进钻压分为两部分，一部分是给岩石一定的预压力，使其产生裂隙，方便冲击器冲击破碎；另一部分是克服冲击器的反弹力。其钻进压力不是主要用来破碎岩石的，因此不易选择大钻压。可选择2～3MPa钻压，并在钻进过程中根据实际情况再调整。
潜孔锤转速的高低主要和冲击器的冲击频率，规格大小以及钻岩的物理机械性质有关。潜孔锤钻进以冲击碎岩为主，回转速度只为改变钻头合金的冲击破岩位置，避免重复破碎。一般转速选20r/min左右为好，转速过高会造成钻头的严重磨损和钻进效率的降低。
潜孔锤钻进的空气清耗量是根据冲击器的性能参数（耗气量）及清除孔内岩屑的最低上返速度而确定。根据文献资料推荐，取芯钻进时，上返速度V=10～15m/s，全面钻进时V=20～25m/s。因此，本次风量为9～11m3/min。
从冲击器工作要求来看，工作风压要大于上下配氣室的压差，潜孔锤活塞才能做上下往复运动。在钻进时，还需要考虑随孔深增加而带来的沿程压降（0.0015MPa/m）和克服水位以下的水柱压力。因此钻进过程总风压可以稍高于冲击器规定风压，本次风压为0.9MPa。
钻进参数在钻进过程中应随地层变化随时调整参数。
3.4钻进效果
本次共钻进3个钻孔，共计68.9m，Φ146套管最大跟管深度为18m，Φ108套管最大跟管深度为24m。在含砂和细小颗粒较多的层中钻进速度最高可达15m/h，在颗粒较大的卵石层中钻进速度在6～8m/h，钻穿漂石的速度为4～5m/h。在钻进过程中孔故率极低。利用液压拔管机起拔套管安全稳定，不损伤套管，起拔速度为12m/h。
总体来说，采用空气潜孔锤偏心跟管钻进，钻进速率快，成孔率高。同地层情况下，其跟管钻进速率是金刚石钻进的3～5倍，是钢粒钻进的6～10倍。
4.常见问题及处理
4.1冲击器悬空不工作
钻遇砂层时，由于砂粒径较小，压缩空气瞬间吹净孔底砂粒，造成潜孔锤钻头悬空，钻头唇面接触不到孔底，冲击器无法正常启动。解决的办法是将钻具提升一定距离，停止送风，向套管内添加破碎过的细小砾石，再下钻送风钻进。
4.2冲击器堵塞
钻遇粘土层时，粘土堵塞冲击器风道，冲击器会出现间歇性工作或不工作的问题。解决的办法是停钻，向钻杆内加入水，然后连接空压机，瞬间开启送风阀门，将风量瞬时送入冲击器，反复几次。如果能够冲开风道，即可正常钻进，如果不能，则提钻清洗冲击器。
4.3不返屑
钻进中会出现长时间不返屑的情况。应根据钻进情况判断是否风量不够或钻遇特殊地层。如无风量及地层的原因，则是岩屑集中在钻头和冲击器与套管的连接处无法排出，钻头反复破碎岩屑。解决的办法是将钻具反转上提一段距离，强吹孔底直至正常返屑。
4.4冲击器反弹
钻遇大颗粒卵石时，潜孔锤无法在短时间内破碎岩石，冲击破碎岩石的反作用力会造成冲击器及钻具反弹。解决的方法是用重物增加钻机重量，保持钻机稳定，适当增加钻压，克服反弹力。
4.5钻头不能回收
孔底岩屑堆积会造成偏心钻头无法正常回收，解决的办法是向孔内注水并用强风吹孔。切记不可强行增大扭矩转动钻头，会造成钻杆和套管断裂，或钻杆和套管丝扣拧死无法拆卸。
5.应用前景
采用空气潜孔锤偏心跟管钻进在砂卵石地层中的钻进，地层适应性强，成孔速度快，孔壁稳定。较好的解决了回转钻进和单纯的冲击钻进在砂卵石地层钻进存在的问题。在工程施工钻探中有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 鲁慎吾，任德昌.深厚覆盖层建坝研究成果综述[J].四川水利发电，1988，12：11－21.
[2] 李海石，符国强.钻井取心技术[M].北京：石油工业出版社，1993.
[3] 李世忠.钻探技术学[M].地质出版社，1989.
[4] 林德恒.复杂地层分类及其治理措施[J].探矿工程，1993（5）：58－59.
[5] 李祥麟.潜孔锤钻进技术[M].地质出版社.1988，10.
[6] 韩永昌.复杂地层潜孔锤跟管钻进技术问题研究[D].成都理工大学硕士论文，2009.
作者简介
李守圣，男，1981，锡伯族，辽宁省瓦房店市人，工程师，黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院技术研发部，从事钻探技术研发工作。
关键词：潜孔锤；跟管钻进；砂卵石地层
1.砂卵石地层钻进技术现状
砂卵石地层复杂，分布无规律，结构松散变化大，粒径不一，常有粒径20～30cm的漂石，甚至有粒径1m以上的大孤石，架空现象严重，透水性强。在钻进过程中总会遇到钻进难和护壁难等难题[1－4]。
1.1锤击跟管硬质合金取芯钻进技术[5]
该技术通常采用硬质合金和钢粒钻进，吊锤击打套管跟进。当孔壁坍塌影响钻进或钻遇大孤石时，采用孔内爆破技术进行爆破。该方法的缺点是钻进效率低、取芯率低和孔故率高。
1.2金刚石取芯钻进技术
该技术在砂卵石地层钻进时，通常以植物胶作为冲洗液配合金刚石钻头钻进和用单动双管取芯钻具取芯。该技术能够提高取芯质量、提高钻进效率和降低孔故率。但在水敏性地层和极破碎等复杂地层钻进效果较差。
1.3冲击钻进、粘土护壁法
该方法利用钻头的冲击挤密和孔内填加粘土的办法,可有效护壁,保证孔壁稳定。但是一般钻孔直径较大，效率较低，且孔内遇水或孔隙较大时，孔壁不稳定，钻进效果较差。
1.4空气潜孔锤跟管钻进技术
空气潜孔锤跟管钻进技术是一种钻进、排渣和护壁同时进行的钻进技术，可以较好的解决护壁问题，具有地层适应性强、钻进效率高、孔壁稳定的优点。近年来已广泛应用于砂卵石地层钻进。其有同心跟管钻进和偏心跟管钻进两种方式。目前应用较多的为空气潜孔锤偏心跟管钻进。
通过对比分析，使用空气潜孔锤偏心跟管钻进技术能较好的解决在砂卵石地层快速成孔的问题。
2.空气潜孔锤偏心跟管钻进原理
以单偏心潜孔锤偏心跟管钻具为例[6]说明其跟进原理，跟管钻具结构见图1。钻进时，压缩空气经钻杆进入冲击器，推动冲击器的活塞做高频冲击导正器的往复运动，冲击器通过导正器将冲击波和钻压传递给中心钻头和偏心钻头以破碎孔底岩石。同时，钻机通过钻杆传递给冲击器的回转扭矩作用到冲击器的花键上，由花键带动跟管钻具的导正器转动。导正器转动时偏心钻头张开，并在开启到设计位置后被限位，使中心钻头、偏心钻头能够同时随导正器旋转。偏心钻头钻出的孔径大于套管的最大外径，可以减少套管跟进阻力，套管可凭借自重和冲击器冲击力跟进护壁。当套管的重力大于地层对套管外壁的摩擦阻力时，套管以自重跟进；当套管重力小于地层对套管外壁的摩擦阻力时，潜孔锤偏心跟管钻具继续破碎岩石前进，前进破碎岩石至导正器上的台肩与套管靴上的台肩接触时，冲击器的部分冲击能量传递给套管靴，再加上钻具自重以及钻压的作用，迫使套管靴带动套管与钻具同步跟进。
图 1 单偏心跟管钻具
3.工程应用实例
3.1工程区域地质概况
工程区域位于洛阳市洛龙区槐树湾村与偃师市诸葛镇裴村附近，交通便利。区域地貌单元属于伊河河床、河漫滩，地层共分为13个主层，上部以第四系全新统、上更新统冲洪积形成的卵石为主，下部为上第三系洛阳组粘土岩、砂岩和砾岩。卵石粒径一般为20～60mm，大者在70～140mm，偶见漂石。
3.2设备
钻机选择无锡双帆产的YG50坑道钻机。该钻机为全液压动力头钻机。空压机选用英格索兰WWHP400WCU。冲击器与钻具选用无锡双帆产的QCW－100和QCW－80冲击器以及配套使用的Φ108套管和Φ146套管，套管长度为1m和1.5m两种，钻杆为Φ73×1m，Φ73×1.5m两种。拔管机选用无锡双帆产的YB70液压拔管机。此外还有配套的柴油发电机组和辅助设备。
3.3钻进参数
潜孔锤偏心跟管钻进钻压分为两部分，一部分是给岩石一定的预压力，使其产生裂隙，方便冲击器冲击破碎；另一部分是克服冲击器的反弹力。其钻进压力不是主要用来破碎岩石的，因此不易选择大钻压。可选择2～3MPa钻压，并在钻进过程中根据实际情况再调整。
潜孔锤转速的高低主要和冲击器的冲击频率，规格大小以及钻岩的物理机械性质有关。潜孔锤钻进以冲击碎岩为主，回转速度只为改变钻头合金的冲击破岩位置，避免重复破碎。一般转速选20r/min左右为好，转速过高会造成钻头的严重磨损和钻进效率的降低。
潜孔锤钻进的空气清耗量是根据冲击器的性能参数（耗气量）及清除孔内岩屑的最低上返速度而确定。根据文献资料推荐，取芯钻进时，上返速度V=10～15m/s，全面钻进时V=20～25m/s。因此，本次风量为9～11m3/min。
从冲击器工作要求来看，工作风压要大于上下配氣室的压差，潜孔锤活塞才能做上下往复运动。在钻进时，还需要考虑随孔深增加而带来的沿程压降（0.0015MPa/m）和克服水位以下的水柱压力。因此钻进过程总风压可以稍高于冲击器规定风压，本次风压为0.9MPa。
钻进参数在钻进过程中应随地层变化随时调整参数。
3.4钻进效果
本次共钻进3个钻孔，共计68.9m，Φ146套管最大跟管深度为18m，Φ108套管最大跟管深度为24m。在含砂和细小颗粒较多的层中钻进速度最高可达15m/h，在颗粒较大的卵石层中钻进速度在6～8m/h，钻穿漂石的速度为4～5m/h。在钻进过程中孔故率极低。利用液压拔管机起拔套管安全稳定，不损伤套管，起拔速度为12m/h。
总体来说，采用空气潜孔锤偏心跟管钻进，钻进速率快，成孔率高。同地层情况下，其跟管钻进速率是金刚石钻进的3～5倍，是钢粒钻进的6～10倍。
4.常见问题及处理
4.1冲击器悬空不工作
钻遇砂层时，由于砂粒径较小，压缩空气瞬间吹净孔底砂粒，造成潜孔锤钻头悬空，钻头唇面接触不到孔底，冲击器无法正常启动。解决的办法是将钻具提升一定距离，停止送风，向套管内添加破碎过的细小砾石，再下钻送风钻进。
4.2冲击器堵塞
钻遇粘土层时，粘土堵塞冲击器风道，冲击器会出现间歇性工作或不工作的问题。解决的办法是停钻，向钻杆内加入水，然后连接空压机，瞬间开启送风阀门，将风量瞬时送入冲击器，反复几次。如果能够冲开风道，即可正常钻进，如果不能，则提钻清洗冲击器。
4.3不返屑
钻进中会出现长时间不返屑的情况。应根据钻进情况判断是否风量不够或钻遇特殊地层。如无风量及地层的原因，则是岩屑集中在钻头和冲击器与套管的连接处无法排出，钻头反复破碎岩屑。解决的办法是将钻具反转上提一段距离，强吹孔底直至正常返屑。
4.4冲击器反弹
钻遇大颗粒卵石时，潜孔锤无法在短时间内破碎岩石，冲击破碎岩石的反作用力会造成冲击器及钻具反弹。解决的方法是用重物增加钻机重量，保持钻机稳定，适当增加钻压，克服反弹力。
4.5钻头不能回收
孔底岩屑堆积会造成偏心钻头无法正常回收，解决的办法是向孔内注水并用强风吹孔。切记不可强行增大扭矩转动钻头，会造成钻杆和套管断裂，或钻杆和套管丝扣拧死无法拆卸。
5.应用前景
采用空气潜孔锤偏心跟管钻进在砂卵石地层中的钻进，地层适应性强，成孔速度快，孔壁稳定。较好的解决了回转钻进和单纯的冲击钻进在砂卵石地层钻进存在的问题。在工程施工钻探中有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 鲁慎吾，任德昌.深厚覆盖层建坝研究成果综述[J].四川水利发电，1988，12：11－21.
[2] 李海石，符国强.钻井取心技术[M].北京：石油工业出版社，1993.
[3] 李世忠.钻探技术学[M].地质出版社，1989.
[4] 林德恒.复杂地层分类及其治理措施[J].探矿工程，1993（5）：58－59.
[5] 李祥麟.潜孔锤钻进技术[M].地质出版社.1988，10.
[6] 韩永昌.复杂地层潜孔锤跟管钻进技术问题研究[D].成都理工大学硕士论文，2009.
作者简介
李守圣，男，1981，锡伯族，辽宁省瓦房店市人，工程师，黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院技术研发部，从事钻探技术研发工作。