氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在大口徑水井施工中的應(yīng)用

李偉鋒

(陜西省煤田地質(zhì)局水文隊，陜西 渭南 714000)

氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、天然氣等工程鉆井領(lǐng)域，也應(yīng)用于水源井鉆井工程。2009年，為了解決深層地下水開采鉆井的施工現(xiàn)狀，筆者所在單位引進(jìn)這一工藝實踐，證明其具有鉆井速度快，效率和效益高、適應(yīng)其生產(chǎn)的優(yōu)點。

1 水井設(shè)計及施工概況

1.1 地層結(jié)構(gòu)

施工井位位于陜西省銅川市孟家塬。井口標(biāo)高956 m，奧灰水位埋深550 m，設(shè)計上部150 m，孔徑650 m，由于巖石硬度大，常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆效極低，其地層結(jié)構(gòu)如下:

(1)第四系為黃土:即粉質(zhì)粘土夾礫卵石。黃土呈淡黃色﹑疏松﹑夾有棕紅色古土壤層，具空隙和裂隙，厚度100 m。

(2)二疊系山西組:巖性以灰色，灰黑色細(xì)﹑中粒沙巖﹑泥巖﹑砂質(zhì)泥巖為主。底部為富含白云母片中細(xì)粒砂巖，中下部夾一層厚度不穩(wěn)定的石英砂巖。下部含可采煤層，厚度40 m。

(3)石炭系上統(tǒng)太原組厚度14 m，石炭系中統(tǒng)本溪組厚度 3.5 m。

(4)奧陶系中統(tǒng)峰峰組:巖性為深灰色厚層狀灰?guī)r、白云巖、角礫狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，具中細(xì)晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，含燧石團狀及不規(guī)則的條帶，垂直層面的裂隙發(fā)育。本層厚度大于700 m。本組為目的層即含水層。

1.2 設(shè)計要求

依據(jù)地層結(jié)構(gòu)和水位埋深，該井設(shè)計深度1 050 m，井徑結(jié)構(gòu)為:0～100 m，φ550 mm;100～650 m，φ320 mm;650～1050 m，φ190 mm。套管結(jié)構(gòu)為:表層100 m，下 φ377 mm×8 mm鋼管，孔深100 m以下為裸眼。其它均按供水管井標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1.3 主要設(shè)備及材料的選擇

(1)空氣壓縮機:北京三仁寶業(yè)公司900×HH/1 150空壓機，最大風(fēng)量 32.6 m3/min，最大風(fēng)壓 3.25 Mpa。數(shù)量:4臺，連接方式:并聯(lián)。

(2)鉆機:TSJ 2000水源鉆機

(3)鉆塔:24 mA型鉆塔

(4)泥漿泵:BW 1200型泥漿泵

(5)動力機:12V135柴油機

(6)鉆桿:φ114鉆桿

(7)空氣潛孔錘:湖南長沙產(chǎn)TH220，φ320 mm

(8)鉆具組合:一開 0.00～101.1 m，?550 mm 鉆頭 +φ159 mm鉆鋌6根+φ114 mm鉆桿+φ108 mm方鉆桿;二開101.1m～650 m，φ320 mm 潛孔錘 +φ159 mm 鉆鋌 2根 +φ114 mm鉆桿 +φ108 mm方鉆桿;三開650 m～1 050 m，φ190 mm三牙輪鉆頭+φ159 mm鉆鋌6根 +φ114 mm鉆桿+φ108 mm方鉆桿。

1.4 施工工藝的過程和效果

(1)鉆壓:1 000 KN(2)轉(zhuǎn)速:30 r/min

(3)空氣量:Q=109.484 m3/min

(4)鉆進(jìn)過程中所遇到的情況:鉆具接近孔底0.5 m時開動4臺風(fēng)機開始送風(fēng)，開動鉆機慢慢掃到孔底孔口返出泥漿，沖孔10 min后加壓鉆進(jìn)，可聽到潛孔錘工作的聲音，井口返出5～8 mm巖渣，30 min進(jìn)尺 9.65 m.隨即加入單根9.5 m繼續(xù)鉆進(jìn)，井口正常返巖渣，當(dāng)鉆進(jìn)到135.6 m時，機余5.2 m孔口突然無巖渣返出，只有少量空氣返出，沖孔10 min仍無巖渣返出，無法判斷孔內(nèi)情況，強行鉆進(jìn)完機上余尺，造成埋鉆。

(5)該井鉆探、下管、洗井、抽水試驗、采樣化驗、含砂量等指標(biāo)均達(dá)到有關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求，出水量33.13 m3/h，管井質(zhì)量綜合評定為合格。

2 試驗結(jié)果及問題對策

2.1 試驗總結(jié)

(1)空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝在奧灰?guī)r大口徑施工是可行的，用氣動潛孔錘鉆進(jìn)石灰?guī)r鉆速可達(dá)每小時20～40 m，花崗巖地層可達(dá)每小時8～16 m，與常規(guī)正循環(huán)相比，鉆進(jìn)速度提高幾倍到十幾倍，鉆探成本降低50%以上。

(2)空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝在漂、卵、礫石地層中鉆進(jìn)，效率高、鉆孔垂直度好，對孔壁水浸老化不太嚴(yán)重，能達(dá)到快速鉆穿復(fù)雜地層的目的

(3)由于空氣和泡沫鉆進(jìn)不會在井壁形成泥皮，堵塞含水層，有利于增大出水量。

(4)成孔質(zhì)量好，由于潛孔錘對井底的高頻沖擊，減少了對傾斜地層的影響，從而保證了鉆孔的垂直度，提高了成孔質(zhì)量。

(5)該井地層為奧陶系灰?guī)r地層，巖石裂隙發(fā)育較好，當(dāng)鉆進(jìn)到不含水干裂隙時，送到孔底風(fēng)量漏失，巖渣無法正常返出，懸浮在孔中，無法鉆進(jìn)。

2.2 鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的問題及對策

3.2.1 潛孔錘不工作

潛孔錘鉆進(jìn)突遇軟夾層，在確認(rèn)潛孔錘未發(fā)生故障的前提下，切忌采用推薦鉆進(jìn)壓力鉆進(jìn)，以防錘頭壓入巖屑內(nèi)，將排氣孔堵死，導(dǎo)致無法正常鉆進(jìn)。宜將鉆具提起一點點再放下去，反復(fù)直至潛孔錘持續(xù)工作為止。

3.2.2 潛孔錘尾管折斷

潛孔錘尾管初次折斷后應(yīng)測量潛孔錘的有關(guān)配合間隙，確認(rèn)其是否大于允許值。如大于允許值，應(yīng)立即更換有關(guān)配件并重新測量，直至間隙符合要求為止。

3.2.3 潛孔錘“返砂”

鉆桿在工地堆放及運輸工程中，其內(nèi)壁上的油膜吸附沙粒及其它雜物，鉆進(jìn)過程中，高壓縮空氣將這些沙粒及其它雜物吹走。被吹走的沙粒等物一方面加重了活塞的磨損。另一方面，如果沙粒等物停風(fēng)時正好位于逆止閥的位置，且潛孔錘內(nèi)外壓力又不平衡，極易造成潛孔錘“返砂”。因此，加接鉆桿前，用高風(fēng)壓、大風(fēng)量將鉆桿內(nèi)壁吹洗干凈。

3.2.4 巖屑不上返或上返量突然銳減

在鉆進(jìn)過程中，正常上返的巖屑突然停止或上返量突然銳減，這是鉆入沙層的征兆。一旦發(fā)生此種情況，應(yīng)隨風(fēng)注入泡沫劑。

3 結(jié)語

實踐證明，應(yīng)用氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)是實現(xiàn)高效鉆進(jìn)在工程施工中比較理想的途徑，也當(dāng)代衡量鉆探技術(shù)水平的重要技術(shù)標(biāo)志之一。氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在當(dāng)前國內(nèi)還僅僅才開始，所以我們單位能夠把這種鉆進(jìn)技術(shù)引進(jìn)并加以推廣實施，將會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益和社會效益，更為水井、煤層氣井、油井、煤礦瓦斯排放井等工程施工提供了重要的經(jīng)驗和依據(jù)。

［1］劉家榮，王建華，王文斌，許劉萬.氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)若干問題［J］《探礦工程(巖土鉆掘工程)》北京:地質(zhì)出版社.2010年05期

［2］許劉萬，史兵言，李國棟.大力推廣氣動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)》北京:地質(zhì)出版社.2007年第9期

［3］劉建國.用潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)施工蒙古國塔木察格水井《黑龍江國土資源》2010年2期