基于轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)水井鉆機(jī)高風(fēng)壓潛孔錘的應(yīng)用

高玉才，王殿棟，董孝仁

（解放軍65643部隊(duì)，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

1 引言

氣動(dòng)潛孔錘在基巖地層用于鉆鑿水井時(shí)，具有鉆速快、效率高、成本低、成井質(zhì)量好、操作人員少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、可實(shí)時(shí)觀察涌水量等優(yōu)點(diǎn)，是逐漸被水文水井鉆探行業(yè)引進(jìn)的鉆井新技術(shù)。但氣動(dòng)潛孔錘鉆井工藝一般應(yīng)基于頂驅(qū)回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，而基于轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)配套使用則存在著：加鉆桿需要卸主動(dòng)鉆桿、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)固定、不利于事故處理等問(wèn)題。

我部經(jīng)過(guò)幾年的考察和論證，于2008年引進(jìn)了高風(fēng)壓潛孔錘鉆井技術(shù)。利用已有的SPC－600T型轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式水文水井鉆機(jī)，購(gòu)進(jìn)兩套氣動(dòng)潛孔錘設(shè)備，經(jīng)過(guò)3年應(yīng)用，成井48眼，總進(jìn)尺9261．79m，最深成井325．18m，最淺為100m。2010年向遼寧某公司推薦山東濱州產(chǎn)BZC－350C型車載式水井鉆機(jī)，配套高風(fēng)壓氣動(dòng)潛孔錘，7個(gè)月成井26眼，總進(jìn)尺3900m，最深孔281．8m，均取得了良好的效果。除個(gè)別輔助設(shè)備存在需要改進(jìn)外，所配套的主要裝備器材各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)選擇合理，性能可靠。在硬巖中鉆進(jìn)，單位進(jìn)尺效率是回轉(zhuǎn)泥漿鉆進(jìn)的40～60倍，成井周期縮短7～10倍，換句話說(shuō)，用牙輪泥漿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝完成一口300m左右的水井所用的時(shí)間，改用高風(fēng)壓氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)可打7～10眼相同結(jié)構(gòu)的水井，而且出水量也比泥漿鉆進(jìn)增大20%。鉆井每米直接成本比牙輪鉆、合金、鋼粒鉆進(jìn)降低30～50%，極具推廣價(jià)值。

2 潛孔錘鉆進(jìn)設(shè)備配套的基本依據(jù)

潛孔錘鉆進(jìn)設(shè)備配套必須根據(jù)鉆井深度、鉆孔直徑、克取破碎巖石的性質(zhì)設(shè)計(jì)。我部工作區(qū)域主要是遼寧的西部和北部山區(qū)，根據(jù)水文地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)水井深度多數(shù)在300m以內(nèi)，巖性以砂巖、頁(yè)巖、板巖、凝灰?guī)r、礫巖、石灰?guī)r、安山巖、玄武巖、花崗巖、片麻巖等為主?；鶐r成井直徑通常以216、254和311mm為主，最大鉆孔直徑為381mm，最小為152mm。

3 鉆井機(jī)

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)所用設(shè)備及配套器材造價(jià)高，而投資大是引進(jìn)這一技術(shù)的門檻。特別是鉆井機(jī)，國(guó)內(nèi)外在應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)時(shí)，更多考慮的是選用頂驅(qū)式動(dòng)力頭鉆機(jī)。目前我國(guó)水文水井施工市場(chǎng)存在著大量的回轉(zhuǎn)式水井鉆機(jī)，專門用于潛孔錘鉆井的水井鉆機(jī)卻較少。如果通過(guò)鉆機(jī)的改進(jìn)和配備潛孔錘鉆井工藝，水井鉆進(jìn)速度和經(jīng)濟(jì)效益將有巨大突破。我們所采用的鉆機(jī)是天津探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的回轉(zhuǎn)式SPC－600T型水井鉆機(jī)，該鉆機(jī)設(shè)計(jì)鉆井深度為600m，只按完成300m鉆井能力設(shè)計(jì)配套設(shè)備?；剞D(zhuǎn)方式為轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)108mm×108mm方鉆桿。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速Ⅰ檔為27r／min，適合潛孔錘鉆進(jìn)10～30r／min的要求。卸管油缸只能滿足Ф89mm鉆桿和鉆鋌擰卸，而不能擰卸潛孔錘，這也是我們當(dāng)前遇到的難題之一。山東濱州BZC－350C型水井鉆機(jī)也是車載轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式，鉆進(jìn)深度為300m，Ⅰ檔轉(zhuǎn)速21r／min，Ⅱ檔轉(zhuǎn)速36r／min。兩種鉆機(jī)其它功能均能滿足潛孔錘鉆進(jìn)需要。

4 高風(fēng)壓空氣壓縮機(jī)

空氣壓縮機(jī)是潛孔錘做功破碎巖石、沖孔排碴的關(guān)鍵設(shè)備，在選擇設(shè)備機(jī)型時(shí)必須考慮鉆井深度、孔徑、鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙等因素。通過(guò)對(duì)排屑速度的計(jì)算及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比來(lái)考慮。目前國(guó)產(chǎn)空壓機(jī)能夠應(yīng)用于空氣潛孔錘鉆進(jìn)用的型號(hào)尚不多，但中外合資的國(guó)外產(chǎn)品有較好的適應(yīng)性，我們選擇的是美國(guó)壽力公司產(chǎn)品，型號(hào)為1150XH－A。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為卡特彼勒（Caterpillar）C－15ATAAC，額定功率391kW （525PH），額定排氣壓：2．41MPa，排氣量32．3m3／min。安裝形式為撬裝式，我們將其改裝在解放加長(zhǎng)車上。BZC－350C型鉆機(jī)配備的是壽力1070XH型空壓機(jī)2臺(tái)，額定排氣壓力2．41MPa，排氣量：30m3／min。上述兩種規(guī)格空壓機(jī)，在使用Ф254mm錘頭鉆進(jìn)時(shí)，孔深在150m以內(nèi)，且地層涌水量不大（10～15m3／h）的情況下還能排碴，如果上部口徑（鉆桿與孔環(huán)狀間隙）大，且深度較大時(shí)，隨著鉆進(jìn)深度的增加或涌水量的增大，排碴逐漸困難，孔內(nèi)巖粉增多，這時(shí)需要兩臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)使用才能滿足鉆進(jìn)風(fēng)量需要。

5 潛孔錘（沖擊器）及潛孔錘鉆頭（沖擊鉆頭）

潛孔錘的功用是在壓縮空氣的作用下，帶動(dòng)沖擊鉆頭做功，破碎巖石，達(dá)到鉆進(jìn)目的。在空壓機(jī)排氣量和排氣壓力固定的前提下，選擇氣動(dòng)潛孔錘型號(hào)時(shí)，必須依據(jù)鉆井口徑、常用錘頭直徑、氣動(dòng)潛孔錘的外徑和氣動(dòng)潛孔錘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)確定。大多數(shù)情況下，氣動(dòng)潛孔錘外徑與鉆孔尺寸最接近時(shí)，鉆進(jìn)效率最高，更容易排碴和清潔孔底，同時(shí)也能大大降低孔內(nèi)的事故率。但有一點(diǎn)必須考慮的是在氣動(dòng)潛孔錘的四周應(yīng)有足夠的環(huán)形空間，以保證排除巖屑，這一點(diǎn)在巖石硬度不大，產(chǎn)生巖屑顆粒較粗的地層尤為重要。另外也要充分考慮到地層的巖性和地下水涌量等因素。國(guó)產(chǎn)潛孔錘原是用于露天礦打爆破孔用，我國(guó)主要生產(chǎn)廠有浙江嘉興、河北宣化、沈陽(yáng)、吉林通化及山西太原等風(fēng)動(dòng)機(jī)械設(shè)備制造企業(yè)生產(chǎn)。我們選擇了美國(guó)錄碼（NUMA）6吋（P60型，沖擊頻率為1800次／min，缸徑114mm）、8吋（C80型，沖擊頻率為1850次／min，缸徑102mm）和韓國(guó)突破12吋（TD112型，沖擊頻率為1150次／min，缸徑216mm）三種規(guī)格。配4種規(guī)格的潛孔錘鉆頭，分別是Ф152mm鉆頭（安裝于6吋潛孔錘）、Ф216mm和Ф254mm潛孔錘鉆頭（安裝于8吋潛孔錘）、Ф311m潛孔錘鉆頭（安裝于12吋高壓潛孔錘），通過(guò)使用，錄碼鉆頭耐磨，壽命長(zhǎng)，但價(jià)格昂貴。BZC－350C型鉆機(jī)選用的是國(guó)產(chǎn)沖擊器及錘頭，價(jià)格便宜，使用效果也較好。

6 空氣管匯

空氣管匯是連接空壓機(jī)進(jìn)入鉆桿的壓縮空氣通道，包括空壓機(jī)并聯(lián)管線，軟管、硬管、由壬、單向閥、壓力表等。選擇規(guī)格要滿足壓縮空氣壓力需要，本機(jī)配套的金屬管徑規(guī)格為ND50標(biāo)準(zhǔn)管件，單向閥和球閥以及三通直角閥承受壓力≥4MPa。2吋高壓膠管額定壓力為8MPa，數(shù)量根據(jù)需要確定。

7 潛孔錘注油器

注油器與管匯連接，是在鉆進(jìn)過(guò)程中，隨著空氣的流動(dòng)不斷向工作中的潛孔錘活動(dòng)部件注入機(jī)油潤(rùn)滑，同時(shí)還要降低潛孔錘內(nèi)部活塞與氣缸高頻運(yùn)行所產(chǎn)生的高溫，保持有效的高速?zèng)_擊頻率，達(dá)到快速進(jìn)尺。我們配備的是香港產(chǎn)品，容量為20L。

8 孔口排渣頭

孔口排渣頭的作用是密封孔口及排除粉塵。采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)，一般情況下上返風(fēng)速達(dá)15m／s以上，故在破碎巖石時(shí)產(chǎn)生的巖屑和巖粉被吹出孔口時(shí)，四處飛揚(yáng)，施工現(xiàn)場(chǎng)受到嚴(yán)重污染。為此，必須將吹出孔口的巖粉排送到施工現(xiàn)場(chǎng)以外指定地點(diǎn)或?qū)⑵洳蹲?，使其不致?duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員和設(shè)備造成不良影響和污染環(huán)境。我們配備了一臺(tái)國(guó)產(chǎn)108A型排碴頭，該產(chǎn)品適應(yīng)于動(dòng)力頭鉆機(jī)在圓鉆桿驅(qū)動(dòng)下使用，在SPC－600T型鉆機(jī)的方鉆桿轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)下，起不到密封作用。鉆進(jìn)無(wú)含水層時(shí)，干粉在現(xiàn)場(chǎng)飛揚(yáng)，只有采取噴水消塵等措施降低粉塵的危害。在鉆到含水層時(shí)，水流上噴，也只能采取臨時(shí)措施把部分水堵檔在轉(zhuǎn)盤以下，減輕對(duì)操作手的沖擊。用轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式水井鉆機(jī)實(shí)施潛孔錘鉆進(jìn)，孔口密封和捕捉粉碴，也是必須解決的主要問(wèn)題之一。

9 泡沫泵

泡沫泵是水文鉆井空氣鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)霧化鉆進(jìn)和泡沫鉆進(jìn)的重要配套設(shè)備。在無(wú)水干燥穩(wěn)定地層鉆進(jìn)時(shí)被稱作粉塵鉆進(jìn)，這時(shí)注入空氣壓力低，粉塵上返速度快，有利于孔底巖石的破碎和清洗，獲得最高的鉆進(jìn)速度。如果孔內(nèi)有漏水時(shí)，為防止巖粉的粘附，提高鉆進(jìn)速度，就應(yīng)采取霧化鉆進(jìn)和泡沫鉆進(jìn)。泡沫泵與管匯連接，使水和泡沫劑混合并混入壓縮空氣中，使之成為霧狀進(jìn)行鉆進(jìn)，從而可以防止巖粉（巖屑）粘附，順利排出井外。另外隨著鉆進(jìn)深度的增加和井內(nèi)涌水量的增大，鉆進(jìn)時(shí)由于水柱壓力高，壓縮空氣很大一部分用于排水做功，嚴(yán)重影響排碴能力和鉆進(jìn)速度。為了降低能耗，減少空氣損失，可以采取向井內(nèi)注入泡沫的辦法降低水的比重，以減少風(fēng)量損失。我們配備的PMB－50型泥漿泵，是一種臥式三缸單作用往復(fù)式活塞泵。

10 其它鉆探器材

10．1 鉆桿

利用現(xiàn)有鉆機(jī)配套的Φ89mm鉆桿，絲扣要好，保證密封性能良好。

10．2 鉆鋌

為了保證潛孔錘鉆頭有足夠的孔底軸心壓力，必須在潛孔錘上部按規(guī)定施加一定的壓力。為防止加壓造成孔斜，不可以通過(guò)鉆機(jī)的給進(jìn)加壓油缸加壓，而是用鉆鋌加壓。同時(shí)加注鉆鋌有利于緩沖沖擊器高速振動(dòng)對(duì)鉆機(jī)和鉆具造成的破壞。鉆鋌采用石油行業(yè)管材系列，選用直徑159mm和178mm兩種（聯(lián)接形式前者為114內(nèi)平，后者為140貫眼），其單位重量分別為121．2kg／m和164．3kg／m，長(zhǎng)度8～8．5m，數(shù)量可根據(jù)鉆進(jìn)所需壓力確定。鉆鋌加壓，對(duì)于提高鉆進(jìn)速度十分重要。如在石灰?guī)r地層，某公司應(yīng)用BZC－350C型鉆機(jī)，沒(méi)有使用鉆鋌加壓，僅靠鉆桿自重加壓，單純鉆速為0．22m／min，其進(jìn)尺速度明顯低于我部按鉆頭面積實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)加壓，單純鉆速則達(dá)到0．7m／min左右的水平。

10．3 變徑接手

由于使用的潛孔錘接頭和鉆鋌需要用變徑接手聯(lián)接，至少應(yīng)配備以下幾種變徑接手：（1）鉆桿鎖接手／鉆鋌；（2）鉆桿鎖接手／扶正器；（3）鉆鋌／扶正器；（4）鉆桿鎖接手／12吋潛孔錘；（5）鉆鋌／12吋潛孔錘；（6）鉆鋌／8吋潛孔錘；（7）鉆桿鎖接手／8吋潛孔錘；（8）鉆桿鎖接手／6吋潛孔錘 。具體規(guī)格尺寸可在有關(guān)管材規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中查找。數(shù)量根據(jù)需要確定。

10．4 潛孔錘拆卸鉗

潛孔錘在使用過(guò)程中，應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行維修和保養(yǎng)。由于鉆進(jìn)時(shí)扭矩很大，在拆卸保養(yǎng)和更換鉆頭時(shí)，人工擰卸十分困難，在頂驅(qū)鉆機(jī)上可以安裝專用擰卸設(shè)備，而轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式水井鉆機(jī)結(jié)構(gòu)不利于安裝現(xiàn)有擰卸設(shè)備。我們?cè)褂檬豌@井B型擰卸管鉗，而該管鉗也無(wú)法與轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式水井鉆機(jī)配合使用。由于B型鉗十分笨重，用人工也無(wú)法實(shí)現(xiàn)擰卸作業(yè)，因此我們用千斤頂自制了簡(jiǎn)易擰卸工具，配合多種辦法拆卸潛孔錘，效果也不理想。

11 存在的問(wèn)題及解決途徑

11．1 安全隱患

基于轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式水井鉆機(jī)，應(yīng)用潛孔錘鉆井工藝存在著最大的井內(nèi)安全隱患是埋鉆事故。在處理埋鉆事故時(shí)，由于主動(dòng)鉆桿驅(qū)動(dòng)，加減鉆桿必須缷下主動(dòng)鉆桿，在鎖接手提出轉(zhuǎn)盤以上的情況下，如鉆具上下無(wú)法竄動(dòng)，還要切焊鉆桿，往往加重埋鉆程度。因此，鉆進(jìn)中必須保證孔底清潔。在軟巖層要嚴(yán)格控制進(jìn)尺速度，每進(jìn)尺2～3m應(yīng)徹底清碴。如果能盡量避免井內(nèi)事故，轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式水井鉆機(jī)完全能適應(yīng)氣動(dòng)潛孔錘鉆井工藝。如果能利用現(xiàn)有轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式水井鉆改裝成具有轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)和頂驅(qū)回轉(zhuǎn)兩用鉆機(jī)，一方面能夠在有第四系覆蓋地層的水井中發(fā)揮牙輪、合金及鋼粒鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能滿足潛孔錘鉆進(jìn)動(dòng)力頭式頂驅(qū)的需要。

11．2 環(huán)境危害

現(xiàn)場(chǎng)粉塵和噴水對(duì)操作手的危害很大。目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有為轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)配套的排碴設(shè)備，應(yīng)自行研制適用方鉆桿回轉(zhuǎn)密封的孔口集塵和排水溢流裝置。

11．3 潛孔錘保養(yǎng)難

當(dāng)前維修保養(yǎng)潛孔錘的拆卸方法簡(jiǎn)單，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，時(shí)間長(zhǎng)，如采取方法不當(dāng)，對(duì)潛孔錘內(nèi)部元件有損害，是亟待解決的問(wèn)題。拆卸工具應(yīng)以單獨(dú)的動(dòng)力、液壓驅(qū)動(dòng)，具有大扭矩的專用工具為好。