一、内容概述
1.成果简介
潜孔锤跟管技术是中国地质科学院探矿工艺研究所多年研究和开发应用的一种适用于基岩地区快速钻井和成井的工艺方法。该工艺方法采用高压空气作为动力，不仅钻进速度快，而且钻进中不需要水或只需极少量的水，极大地减轻了干旱、缺水地区的供水压力，特别适合在干旱、缺水地区进行地下水勘查和探采。
2.基本原理
水文地质钻探是水文地质勘查工作中取得地下水水文地质资料的主要技术方法，也是开发利用地下水进行钻井工程的唯一手段。根据原有的地质资料，此次成井的地层主要分为两大类，一类是上部有3～50m覆盖层，下部为基岩；另一类是由全覆盖层组成的泥质粉砂或砂层，间或部分地层中有古生物埋藏而产生甲烷气体，此类地层不易成孔，偶有井喷或缩径现象，根据两类地层选用不同的钻进工艺。其成井工艺流程图如图1，图2所示。
第一类地层：地下水为基岩裂隙水。用Ф168mm套管跟管钻进到基岩后继续跟进基岩1～1.5m，然后换用Ф138mm钻头直接钻进到预计深度，停钻后用高压空气吹洗井1～2h，待水清后提钻，然后测水位，下花管，花管下完后用水泵进行抽水试验，测井深，必要时绘Q-S曲线。
第二类地层：地下水为第四系松散层孔隙水。因钻进要穿过若干隔水层和含水层，一些含水层的水不能饮用，需隔离，含甲烷气体的地层也要隔离，因此比较复杂。若采用普通回转钻进的方法必须采用高质量的加重泥浆才能成孔。在深度70m左右的此类地层中，潜孔锤跟管钻进方法也能应付，用Ф168mm套管直接跟管，钻至所需含水层的地板隔水层时（此时隔水层多为黏泥、炭质软泥，可能产生缩径），提出跟管钻进钻具，下入Ф135mm的刮刀钻进沉砂段。沉砂段根据情况钻进5～10m，在下入桥式过滤器前要筛分取出的砂样以便确定过滤器外包滤网的目数（孔眼大小）和填砾粒度的大小。在粉砂层取水只能采用以沙治沙的工艺，以粗沙治细沙，以使其尽早形成反滤层，实现水清沙净，也能防止抽沙过多引起地表沉降。
下入滤管和井管后拔出Ф168mm套管，此时特别注意要在套管内注满水，以防拔管时砂层由于压差大而突然涌入套管和滤管之间的环状间隙将两层管卡住。套管拔完后马上填砾，填砾要在四周慢慢下倒，经常摇动井管，防止填砾在中途架桥。在填砾时应同时抽水，使填砾能够到位。填砾填到位后上部用黏土和水泥封堵，以免不需要的层位水混入井内。
3.技术特点
由于钻孔要穿过沉积碎屑岩、松散粉砂岩及黏土，用常规方法往往由于地层太破碎复杂而不能有效成孔。潜孔锤跟管钻进方法在钻进松散沉积岩土体方面提供了一种快速、有效、安全的方法。潜孔锤跟管钻进方法是与空气潜孔锤相结合的扩底钻进并同步跟下套管的一种钻进技术，钻进时偏心钻头在套管管靴前钻出比套管直径略大的钻孔，潜孔锤同时锤击套管管靴使套管同步跟进，起到保护钻孔的目的。当套管跟至完整地层时，偏心钻头回缩，使之从套管中提出。该种钻进工艺既能利用空气潜孔锤的高速钻进特点，又能使松散的第四系覆盖层、松散的粉砂岩在高速气流冲刷下能保持孔壁稳定的方法，有利于成孔安装井管。潜孔锤钻进过程中对含水层具有保护作用，可实现负压钻进，能有效地提高出水量，用此工艺完成水井的出水量较其他工艺可提高30%左右。
图1 成井工艺流程图
图2 成井工艺流程图
因为高压压缩空气在钻头底部压力突然降低，吸收周围热量，这样不但有利于冷却钻具，而且改变了钻头的工作环境，延长了钻头寿命，减少了起下钻时间；由于空气本身黏度小，又以高速吹洗孔底，使孔底净化程度高，几乎没有重复破碎现象。钻进效率很高可大大缩短施工周期。另外，由于空气作循环介质，对目的层不存在污染问题，所以基本上不用洗井，从而大大缩短成井周期。
钻进中不需要水或只需极少量的水，极大地减轻了干旱、缺水地区的供水压力，特别适合在干旱、缺水地区进行地下水探采。
4.技术指标
空气潜孔锤跟管钻进时，要保持孔内岩屑排除干净，孔内空气上返速度须在15～35m/s 之间。由于在第四系地层中或破碎地层中下入套管，如果钻孔间隙面积过大，使上返风速达不到要求则造成孔内岩屑重复破碎，降低钻进效率、提高了施工成本。根据公式V=Q/A（V为上返风速，m/s；Q为空压机风量，m3/ s；A为钻孔间隙面积，m2）计算，得知钻孔直径在Ф144mm～194mm 之间，可满足上返风速要求，达到排渣效果。
钻具组合为：Φ168mm偏心钻头+CIR110（WC130）冲击器+Φ89mm钻杆。
钻进参数：钻压10～15 kN，转速20～40rpm，风量21m3/min，风压0.7～1.5 MPa。
二、应用范围和应用实例
跟管钻进技术不仅可以应用于基岩地区地下水勘查与应急抗旱找水打井，同时可以应用于地质灾害防治领域，在锚索（锚杆）孔的钻进中均可采用该项技术进行钻孔施工，特别是复杂地层和较厚覆盖层的钻进更能体现该项技术的优势。
在2010年国土资源部组织的滇黔桂三省区抗旱找水打井行动中，探矿工艺所承担了云南省曲靖地区马龙县、陆良县、会泽县和宣威市抗旱井的勘查和成井工作。利用潜孔锤跟管技术，4月3日下午2时30分到4月4日，在马龙县下袜度村作业的钻井分队仅用了19个小时钻成一口深度达104.5m的水井，成功找到地下水，该井是国土资源部支援云南省抗旱地下找水的第一口出水井，快速、高效的钻进方法更是创造了云南省抗旱打井最快速度。4月6日，中央电视台“新闻联播”、“新闻三十分”节目和云南电视台报道了我所打出第一口出水井成功的喜讯。通过50 多天的努力和拼搏，全面完成我所在云南省曲靖地区的抗旱找水任务，得到了国土资源部抗旱指挥部和云南省当地群众的高度评价。
三、推广转化方式
该技术推广应用可以采取联合或我所单独承担的方式，针对用户的需要和当地的水文地质情况开展地下水的勘查和探采；需要利用该项技术进行边坡锚固、深基坑加固、地基抗浮等单位，我所可以承担该类工程项目的施工。
技术依托单位：中国地质科学院探矿工艺研究所
联系人：郭启锋
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联系电话：028-66529383
电子邮件：gqf28@163
我院具备承担钻井工艺技术研究、破岩机理研究、固控技术研究、钻井仪表技术研究、保护油气层钻井完井液技术研究以及三次采油——聚合物驱油技术研究的攻关能力。目前已在水平井、径向水平井、小井眼钻井、套管开窗侧钻井、欠平衡压力钻井等方面积累了很多宝贵的施工经验。计算机控制下套管技术、套管试压技术、随钻测斜技术、密闭取心技术、固控装备、钻井仪表、钻井液监测技术、MTC固井技术及化学堵漏技术服务已走出中原，扩展到长庆、南阳、江苏、胜利、江汉、新疆等兄弟油田。如TZC系列钻井参数仪作为技术产品曾多次参与国内重点探井及涉外钻井工程技术服务，并受到外方的认可。
通过近二十年的不懈努力，我院在硬件设施上也打下了良好的基础。先进的钻井工艺实验室、固控设备实验室、钻井仪表实验室、油田化学实验室、高分子材料试验车间、全尺寸科学实验井等满足了各种钻井工程技术开发与应用的需要。拥有多套进口设备与先进的服务手段和经验，促进了油田钻井工程技术的发展，保证了我院科研、生产、经营的正常运行，为中原油田钻井技术的进步和油田科技事业的发展做出了积极的贡献，并取得了良好的经济效益和社会效益。