空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在豫西抗旱找水打井施工中的應(yīng)用

陳鑫發(fā)，牛建設(shè)

(河南省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南鄭州 450053)

空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在豫西抗旱找水打井施工中的應(yīng)用

陳鑫發(fā)，牛建設(shè)

(河南省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南鄭州 450053)

空氣潛孔錘在豫西山區(qū)、嚴(yán)重缺水的基巖地區(qū)抗旱找水打井施工中發(fā)揮出了優(yōu)越性。介紹了空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)工藝在豫西抗旱找水打井工程施工中的實(shí)際應(yīng)用及其操作要點(diǎn)、鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢。同時(shí)分別對(duì)斷裂破碎帶地層和較完整地層中的空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行了深入探討和總結(jié)。

空氣潛孔錘鉆進(jìn);缺水地區(qū);抗旱找水打井;效果

2011年2月，我隊(duì)在豫西抗旱找水打井項(xiàng)目中，根據(jù)西部山區(qū)、基巖地區(qū)缺水的特點(diǎn)，利用現(xiàn)有設(shè)備，果斷的購置配備大型高風(fēng)壓空氣壓縮機(jī)，采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)，在豫西地區(qū)基巖找水打井中取得了較好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益，鉆井技術(shù)工藝方面取得很大的突破?？諝鉂摽族N鉆進(jìn)完成找水打井4口，進(jìn)尺1362.08 m，單井涌水量達(dá)到240～960 m3/d，大大提高了鉆速，效率是正常循環(huán)鉆進(jìn)近百倍，在滎陽市崔廟鎮(zhèn)鄭崗村(井位編號(hào):HNGT59)井深356.01 m純鉆進(jìn)72 h終孔成井出水，最高機(jī)械鉆速15.80 m/h，平均機(jī)械鉆速4.95 m/h，最高臺(tái)班效率41.50 m。與其它水井鉆探施工工藝和方法相比，具有施工成井周期短、生產(chǎn)用水少、材料消耗少、攤銷費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，地下出水量大小(有沒有水)能比較直觀的反映出來，較快、圓滿地解決了當(dāng)?shù)厝罕姵运y等實(shí)際問題。

1 地層特點(diǎn)及概況

豫西山區(qū)覆蓋層極為復(fù)雜，多為堆積物地層，卵、礫、漂石、砂礫碎石層，基巖裂隙，基巖構(gòu)造破碎帶互層等。一般覆蓋層厚度為9～28 m，基巖地層多為片巖、片麻巖、片麻狀花崗巖，巖石級(jí)別為5～8級(jí)，鉆孔主要布置在斷裂破碎帶和風(fēng)化殼裂隙層中，靜止水位在90～198 m之間。動(dòng)水位在140～238 m之間。

2 設(shè)備選型、配備

SPC－600型紅星水文水井鉆機(jī)1臺(tái);XHP－1070WCAT型(進(jìn)口)高風(fēng)壓空氣壓縮機(jī) 1臺(tái);DHD360型氣動(dòng)潛孔錘2套，配備φ165、203 mm潛孔錘鉆頭;CF－8型氣動(dòng)潛孔錘2套，配備φ235、250 mm潛孔錘鉆頭;φ89 mm鉆桿;150QJ5－300/42(專用)井用潛水電泵1套。

3 施工工藝方法

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

地表覆蓋層用牙輪鉆頭開孔，開孔口徑325 mm，φ219 mm套管護(hù)壁;基巖部位開孔φ203 mm，終孔口徑165 mm，孔深295～365 m。

3.2 成井工藝

采用φ325 mm牙輪鉆頭正常施工鉆進(jìn)，鉆穿覆蓋層，下入φ219 mm套管護(hù)壁，使之居中坐實(shí)在基巖中300～500 mm，套管外用粘土圍填封死，以防漏氣，再利用DHD360型氣動(dòng)潛孔錘、φ203 mm潛孔錘鉆頭鉆至200 m，再換成φ165 mm潛孔錘鉆頭鉆至終孔。鉆具組合為(自上而下):110 mm×110 mm×7500 mm主動(dòng)鉆桿+φ89 mm鉆桿+變絲接手+DHD360型氣動(dòng)潛孔錘+φ203 mm(或φ165 mm)潛孔錘鉆頭。用空壓機(jī)、深井潛水電泵聯(lián)合洗井，抽水試驗(yàn)3個(gè)落程，分別穩(wěn)定8、8、8 h。取水樣進(jìn)行全分析化驗(yàn)。

4 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

4.1 鉆壓

它主要與鉆頭的直徑、巖石的性質(zhì)有關(guān)，一般每厘米的鉆頭直徑施加1 kN左右即可，鉆壓一般取15～19 kN，當(dāng)鉆桿重力達(dá)不到推薦壓力時(shí)，使用鉆鋌加壓來提高鉆進(jìn)壓力。

4.2 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速主要根據(jù)巖石性質(zhì)、鉆頭直徑、沖擊器的沖擊功率、沖擊頻率來確定。一般直徑在200 mm左右的鉆孔，中硬地層20～50 r/min、硬巖層10～30 r/min。

4.3 風(fēng)量

風(fēng)量的大小主要與鉆桿和孔壁之間的環(huán)狀間隙有關(guān)。為了充分發(fā)揮空氣壓縮機(jī)的功效，應(yīng)盡量縮小鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙。在滿足150QJ5－300/42型井用潛水電泵的情況下，加大鉆桿外徑也是減小環(huán)狀間隙的有效途徑。我們所選用XHP－1070WCAT型高風(fēng)壓空壓機(jī)一臺(tái)，最大風(fēng)量可達(dá)到35 m3/min，能滿足技術(shù)上的要求。

4.4 風(fēng)壓

在潛孔錘鉆進(jìn)過程中，空壓機(jī)的壓力是整個(gè)壓縮空氣流動(dòng)通道中各種壓力損失總和，干孔段潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，供氣壓力是潛孔錘工作壓力與管道壓力損失之和，孔內(nèi)有水時(shí)，它主要由孔內(nèi)的深度、孔內(nèi)的水位埋深、出水量決定。根據(jù)所用空壓機(jī)和鉆孔結(jié)構(gòu)計(jì)算。一般在有水的情況下，供氣壓力為孔深的1.4倍(100 m孔深為1 MPa)，350 m左右的鉆孔供氣壓力約為5 MPa。我們配用XHP－1070WCAT型高風(fēng)壓空壓機(jī)，最大風(fēng)壓可達(dá)到24.1 MPa，完全能達(dá)到施工的需要。

總之，氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)要求高風(fēng)壓、大風(fēng)量、低轉(zhuǎn)速、小鉆壓力。

5 操作注意事項(xiàng)

(1)保證管路清潔、暢通、密封，防止管路或鉆桿內(nèi)的巖屑等雜物落入沖擊器內(nèi)，加速?zèng)_擊器磨損或卡死活塞。鉆具絲扣聯(lián)接處須涂絲扣油，防止管路漏風(fēng)跑風(fēng)。

(2)沖擊器要定期拆開檢查、清洗。裝配時(shí)，要確保各結(jié)合部位的間隙的調(diào)整。正常鉆進(jìn)時(shí)，每班至少通過鉆桿向沖擊器內(nèi)注入一次機(jī)油，每次注入量約為0.6 kg，使沖擊器內(nèi)潤滑充分，延長沖擊器使用時(shí)間，減少提鉆頻次。

(3)保持孔底清潔，如孔底落入金屬等物時(shí)，嚴(yán)禁將沖擊器下入孔內(nèi)。

(4)沖擊器即將下至孔底時(shí)，應(yīng)先送風(fēng)，邊送風(fēng)邊將沖擊器下至孔底;停鉆時(shí)不得先停風(fēng)，需先將鉆具稍微提離孔底，將孔底殘余巖屑全部排出孔口，待主動(dòng)鉆桿提出孔口后，才能停止送風(fēng)。防止因突然停風(fēng)，造成孔內(nèi)巖屑下降而發(fā)生卡鉆、埋鉆事故。

(5)鉆進(jìn)時(shí)，需隨時(shí)注意孔內(nèi)情況及風(fēng)壓變化，如發(fā)現(xiàn)風(fēng)壓突然增大或沖擊器在孔內(nèi)工作不正常時(shí)要立即處理。處理無效則需及時(shí)提鉆檢查。

(6)正常鉆進(jìn)過程中需采取少鉆勤提間歇沖孔的辦法，即每鉆進(jìn)30～500 mm后，將鉆頭提離孔底，強(qiáng)力吹孔一次。這樣可以防止憋風(fēng)和巖粉堵塞，保證施工鉆進(jìn)安全。

6 實(shí)鉆應(yīng)用效果

6.1 斷裂破碎帶地層中實(shí)鉆效果

在滎陽市崔廟鎮(zhèn)鄭莊村(井位編號(hào):HNGT302)布置在大斷裂破碎帶地層上，主要巖層為破碎片巖、片麻巖，可鉆性級(jí)別為5～6級(jí)。開鉆鉆穿覆蓋層后下入26 mφ219 mm套管護(hù)壁，開鉆時(shí)進(jìn)尺很快，317.60 m進(jìn)尺只用102 h，而且排粉正常，孔內(nèi)干凈，但是鉆至孔深317.60 m后，在空氣潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)遇到基巖裂隙、基巖構(gòu)造破碎帶，由于地層嚴(yán)重破碎，巖屑、坍塌物不能順利排出孔外，造成孔內(nèi)開始坍塌，空壓機(jī)氣體從下面的裂隙中跑了，跑風(fēng)漏氣，無法正常進(jìn)行鉆進(jìn)，此時(shí)，需要采用正常護(hù)壁方法對(duì)孔壁進(jìn)行固結(jié)堵漏，采取了打撈筒進(jìn)行打撈，打撈出了大量坍塌物，但是孔內(nèi)繼續(xù)坍塌，沉淀物達(dá)十米多。又采取了向孔內(nèi)注水、下出水管和風(fēng)管并列式空壓機(jī)沖孔的方法，吹出的坍塌物達(dá)1 m3之多，吹出的最大巖塊粒徑達(dá)30 mm。拔出管子后，孔內(nèi)沉淀還是6 m多，潛孔錘鉆進(jìn)初試受阻。后又經(jīng)過回填紅膠土、水泥、注水、改用泥漿護(hù)壁、硬質(zhì)合金鋼?；旌香@進(jìn)方法鉆進(jìn)等方法，于孔深365 m被迫終孔。該孔的施工由于地層復(fù)雜，加之經(jīng)驗(yàn)不足，效率很低，是其它3口水井施工、成井時(shí)間的2～3倍，費(fèi)用也高了不少。

從實(shí)鉆來看，潛孔錘鉆進(jìn)無護(hù)壁功能，而且對(duì)孔壁具有一定的破壞作用，所以我們認(rèn)為潛孔錘鉆進(jìn)不適應(yīng)在極破碎的地層中鉆進(jìn)?？偨Y(jié)教訓(xùn)后，在后面的施工中決定用泥漿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工斷裂破碎帶上的鉆孔，用潛孔錘鉆進(jìn)施工較完整的風(fēng)化殼裂隙地層的鉆孔。

6.2 較完整地層中實(shí)鉆效果

巖層為片麻巖、片麻狀花崗巖，可鉆性級(jí)別為7～8級(jí)。布置的鉆孔有 HNGT47、HNGT59、HNGT81、HNGT302四個(gè)鉆孔。這4個(gè)鉆孔于2011年2月23日開鉆，5月30日結(jié)束，實(shí)際施工26天，進(jìn)尺1362.08 m，潛孔錘鉆進(jìn)進(jìn)行得較順利，鉆進(jìn)能力最大孔深達(dá)到365 m，鉆入水下160 m，此時(shí)空壓機(jī)壓力劇增，氣流循環(huán)中斷，潛孔錘停止工作。

從實(shí)效來看，遇到的問題有:(1)潛孔錘鉆進(jìn)到潮濕弱含水層時(shí)，鉆屑形成泥團(tuán)，難以返上來，此時(shí)應(yīng)勤提動(dòng)鉆具強(qiáng)風(fēng)吹孔，從供風(fēng)道路中送水或送泥漿液進(jìn)行鉆進(jìn)，使巖屑充分排出。當(dāng)鉆進(jìn)到大厚度含水層后，排巖屑就不成問題，鉆進(jìn)中孔內(nèi)的水能攜帶著巖屑一起排出孔口。(2)在潛孔錘鉆進(jìn)中，沖擊器發(fā)生堵塞時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率，其主要原因是孔內(nèi)鉆粉過多，其次是操作不當(dāng)造成。我們采取的措施是:①保持孔內(nèi)干凈;②下鉆前檢查清除鉆桿內(nèi)鉆屑及雜物;③停風(fēng)一定要緩慢，回次結(jié)束后，將主動(dòng)鉆桿提出孔口再緩慢停風(fēng)，以防沖擊器倒吸鉆粉;④停風(fēng)后待1～2 min再卸主動(dòng)鉆桿，可避免鉆桿內(nèi)壓力驟降引起沖擊器倒吸鉆粉。(3)隨著孔深的增加，孔內(nèi)涌水量的增大，鉆速將逐漸下降。

7 潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)

(1)成井周期短、生產(chǎn)費(fèi)用低。施工周期短，施工效率高，人員工資、油料相對(duì)消耗少，經(jīng)濟(jì)收益高，比常規(guī)成井快的諸多優(yōu)點(diǎn)，給施工單位及施工人員帶來更多經(jīng)濟(jì)利益，各方面積極性大為提高。

(2)施工用水少。潛孔錘鉆進(jìn)工藝是采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)，在施工中，除覆蓋層用少部分水外，基巖部分幾乎不用水，特別是在嚴(yán)重缺水的地方施工，用水要到很遠(yuǎn)的地方去拉，空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)工藝具有不可相比的優(yōu)勢，僅用水這一項(xiàng)單孔節(jié)約水費(fèi)10～15萬元，加上其它泥漿材料節(jié)約的費(fèi)用會(huì)更高。

(3)直觀性強(qiáng)。潛孔錘鉆進(jìn)工藝最大的特點(diǎn)是地下有沒有水、出水量大小能夠比較直觀地反映出來，不需進(jìn)行多次物探測井。在嚴(yán)重缺水地區(qū)更顯出其優(yōu)越性。而且潛孔錘鉆進(jìn)節(jié)省了洗井時(shí)間，成井質(zhì)量也好，縮短施工周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)論

(1)空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝技術(shù)的發(fā)展為象豫西那樣的嚴(yán)重缺水地區(qū)基巖打井找水提供了一種快速、高效的鉆進(jìn)技術(shù)方法，而在極破碎地層中鉆進(jìn)需要研究解決護(hù)壁問題，才能充分應(yīng)用好這項(xiàng)技術(shù)。

(2)應(yīng)用空氣潛孔錘鉆進(jìn)，省去了攪拌泥漿用大水量、維修水泵等輔助時(shí)間，提高了純鉆進(jìn)時(shí)間，縮短了施工周期，從而大大降低了成井成本。

(3)依靠科技進(jìn)步，應(yīng)用鉆井新技術(shù)、新成井工藝，是大力發(fā)展生產(chǎn)力的重要途徑。空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在抗旱找水打井施工項(xiàng)目中的應(yīng)用是成功的，它使鉆進(jìn)效率成倍提高，鉆探成本成倍降低，成井質(zhì)量明顯提高，綜合經(jīng)濟(jì)效率、社會(huì)效益顯著。

［1］黃晟輝，趙大軍，馬銀龍，等.氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在云南旱區(qū)找水工程中的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(4):28－30.

［2］劉家榮，王建華，王文斌，等.氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)若干問題［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(5):40 －44.

［3］楊培遠(yuǎn).氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝的應(yīng)用［J］.探礦工程，1993，(1):55.

［4］楊軍義.馬鞍山蒙牛現(xiàn)代牧場水井氣動(dòng)潛孔錘鉆井技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2006，33(11):50 －51.

［5］許劉萬，史兵言，李國棟.大力推廣氣動(dòng)潛孔錘及氣舉反循環(huán)組合鉆進(jìn)技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(9):41－45.

Construction for Drought Resistance in Western Henan

CHEN Xin-fa，NIU Jian-she(No.2 Hydrogeology and Engineering Geology Team，Henan Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development，Zhengzhou Henan 450053，China)

Air downhole hammer drilling has played important role in well construction for drought resistance in the mountain area of western Henan，where is a bed rock area seriously short of water.The paper introduced the practical application，the operation points and the advantages of the technology in well construction.Further discussion and summary were made on the application effects of air downhole hammer drilling technology in fault fracture zone and well developed formation.

air downhole hammer drilling;water shortage area;searching water well-drilling for drought resistance;effect

P634.3

A

1672－7428(2011)10－0037－03

2011－06－08;

2011－09－21

陳鑫發(fā)(1971－)，男(漢族)，河南鄭州人，河南省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)工程師，設(shè)備管理專業(yè)，從事設(shè)備管理工作，河南省鄭州市南陽路56號(hào)地礦大廈412室，cxf197111@sohu.com。