潛孔錘鉆鑿技術(shù)在盂縣水井工程中的應(yīng)用

王家強(qiáng)

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 盂縣水井工程概況

盂縣供水井位于新石太鐵路沿線，屬于鐵路太行山隧道施工供水井，從縣城東測(cè)的降香坪村沿雙陽(yáng)公路到河北邊界的寺坪村共九眼井，要求出水量20～35t/h不等。地層從上到下主要是砂土覆蓋層、石炭系砂頁(yè)巖及煤系地層、峰峰組泥灰?guī)r夾灰?guī)r，上下馬家溝組灰?guī)r、白云巖。主要采水層是上下馬家溝組碳酸鹽巖的巖溶裂隙水。施工區(qū)缺水，施工用水不易解決，需長(zhǎng)距離拉水。

2 施工策劃

水井施工常規(guī)的作法是回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)，即合金或金剛石鉆頭在鉆桿和鉆具重力作用下回轉(zhuǎn)研磨巖石，提鉆撈取巖心，用水或泥漿循環(huán)來(lái)冷卻鉆頭排除巖粉。由于施工區(qū)缺水，施工用水需要長(zhǎng)距離拉水，這樣成本高而且用量不易保證。另外根據(jù)以往施鉆經(jīng)驗(yàn)，峰峰組泥灰?guī)r屬水敏性地層，在水的浸泡下容易膨脹造成糊鉆或抱鉆給施工帶來(lái)困難。鑒于以上原因我們選擇了先進(jìn)的潛孔錘鑿井工藝，它是采用空氣或泡沫作為沖洗介質(zhì)，即在水井上部采用空氣鉆進(jìn)，下部采用泡沫鉆進(jìn)。大大降低了水的用量，解決了泥灰?guī)r的遇水膨脹問(wèn)題。另外，潛孔錘采用沖擊全面破碎巖石，且不用頻繁提鉆打撈巖心，加快了鉆進(jìn)速度。

3 鉆井設(shè)備

紅星-600型鉆機(jī)額定鉆孔深度600～800m，最大扭矩11.3kN.m,最大提升力34.3kN。鄭州探礦機(jī)械廠出品；

英格索蘭-1070型空壓機(jī)、阿特拉斯-466型空壓機(jī)；

BW-250型泡沫泵；

TH-180型潛孔沖擊器；

潛孔錘球齒狀鉆頭，其型號(hào)有φ400，φ350，φ300，φ250等各種。

4 鉆進(jìn)工藝

4.1 井身結(jié)構(gòu)

井身結(jié)構(gòu)的確定是根據(jù)下泵段的井管直徑上下推，下泵段含水層灰?guī)r的井管和花管直徑為φ273mm，采用泡沫鉆進(jìn)，錘頭直徑為φ300mm,上部泥灰?guī)r地層的井管為大一級(jí)的φ325mm,采用空氣鉆進(jìn)，錘頭直徑為φ350mm，再上部砂頁(yè)巖及煤系地層的井管為φ377mm,采用空氣鉆進(jìn)，錘頭的直徑為φ400mm。最下部用直徑φ244mm的牙輪鉆井，裸眼，作為沉淀段。井身結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，若砂頁(yè)巖地層不厚，就與下部泥灰?guī)r合為一級(jí)用φ325mm。頂部覆蓋層的護(hù)口管要更大一級(jí)的，為直徑φ426mm，鉆進(jìn)直徑為φ450mm，該管在下了φ377mm井管后即拔除。

4.2 鉆進(jìn)參數(shù)

潛孔錘鉆進(jìn)效率的高低，不僅取決于所用的空壓機(jī)、沖擊器及鉆頭的性能和質(zhì)量，而且必須做到合理操作，正確選用鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，潛孔錘鉆進(jìn)的主要技術(shù)參數(shù)包括以下幾項(xiàng)。

風(fēng)量：根據(jù)所選用的空壓機(jī)和潛孔錘的性能，合理確定風(fēng)量。為使?jié)摽族N正常工作且又能排除巖粉，要求鉆桿和孔壁環(huán)狀間隙之間的最低上返風(fēng)速為20m/s。如風(fēng)量較小，就難以排除孔內(nèi)巖粉，從而影響鉆進(jìn)效率。該鑿井風(fēng)量選擇空壓機(jī)最大風(fēng)量20m3。

風(fēng)壓：潛孔錘的沖擊頻率和沖擊功都與風(fēng)壓有密切關(guān)系。潛孔錘鉆進(jìn)常用風(fēng)壓是鉆進(jìn)參數(shù)重要指標(biāo)之一。鉆速和風(fēng)壓幾乎是成正比的。風(fēng)壓從0.6MPa提高到1.03MPa時(shí)，鉆進(jìn)效率可提高一倍。低壓潛孔錘，所需風(fēng)壓是0.5～0.7MPa；高壓潛孔錘，所需風(fēng)壓是0.8～1.5MPa。在潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，除正常工作所需風(fēng)壓外，還要加上孔深時(shí)沿程壓降及克服水位以下的水柱壓力。

隨著井深的增加，空氣沿途消耗的增加，在300m以后，上返風(fēng)速往往達(dá)不到最低排屑的要求，這時(shí)需要采用泡沫鉆進(jìn)法，它是在向孔內(nèi)即鉆桿沖擊器內(nèi)輸送壓縮空氣的同時(shí)，通過(guò)泡沫泵向空氣流中注入一定量的水和泡沫劑，用量比例為2‰～5‰，上返排屑就由單純的風(fēng)變?yōu)榕菽?，泡沫是由緊密而細(xì)小、有堅(jiān)固薄膜的氣泡組成，具有較高的表面黏度和強(qiáng)度，在環(huán)形空間流動(dòng)時(shí)環(huán)空的變化會(huì)造成泡沫氣體體積的變化，使泡沫流具有上浮的趨勢(shì)，因此泡沫的攜帶能力很強(qiáng)，彌補(bǔ)了空壓機(jī)能力的不足。增加水和泡沫劑的用量可以增加泡沫量，提高攜粉能力。另外再添加和溶解一種化學(xué)品12H2OKAlSO4粉末可增加泡沫水溶液的比重，提高泡沫溶液的攜粉能力。具體用量可根據(jù)井口上返泡沫攜粉情況調(diào)節(jié)。采用泡沫鉆進(jìn)時(shí)的風(fēng)量和風(fēng)壓與純空氣鉆進(jìn)時(shí)相同。

沖擊頻率：當(dāng)潛孔錘額定風(fēng)量和額定風(fēng)壓均達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，都能達(dá)到額定沖擊頻率。潛孔錘一般的額定沖擊頻率為800～1500次/min。TH-180的沖擊頻率是1200次/min。

鉆壓：從潛孔錘破碎巖石的原理來(lái)看，巖石主要是在沖擊功作用下破碎的。潛孔錘鉆進(jìn)效率的高低，主要取決于沖擊功的大小和沖擊頻率的多少，而鉆壓是保證沖擊功率并發(fā)揮作用的輔助力。對(duì)某一直徑的潛孔錘來(lái)說(shuō)，鉆壓有一個(gè)合理的范圍。鉆壓過(guò)大，不僅不會(huì)提高鉆進(jìn)效率，反而會(huì)加速鉆頭磨損，球齒掉落，回轉(zhuǎn)困難，。在本次鑿井使用φ300mm的潛孔錘，鉆壓在15～20kN時(shí)鉆進(jìn)效率最佳。使用φ350mm潛孔錘，鉆壓在18～21kN時(shí)較為合理。在紅星-600水井鉆機(jī)的實(shí)際操作中，鉆壓的表現(xiàn)和變化不是靠?jī)x表儀器，而是根據(jù)鉆具鉆桿的重量和卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩提吊相結(jié)合，視鉆進(jìn)情況決定，與地層硬度、施鉆者經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。

轉(zhuǎn)速：為使?jié)摽族N的沖擊功有效地傳到孔底，鉆機(jī)立軸轉(zhuǎn)速應(yīng)按潛孔錘的沖擊頻率、沖擊功和所鉆巖石的性質(zhì)、鉆頭直徑來(lái)確定，回轉(zhuǎn)速度僅是為了改變鉆頭硬質(zhì)合金刃破巖的位置，因此合理的回轉(zhuǎn)速度應(yīng)保證在最優(yōu)的沖擊間隔范圍內(nèi)破碎巖石。TH-180型氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)速在20～40r/min。

4.3 鉆進(jìn)技術(shù)措施

1）嚴(yán)格按照鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)作業(yè)，正常鉆進(jìn)時(shí)，觀察孔口返氣排粉和泡沫排屑情況及進(jìn)尺情況。當(dāng)排粉及進(jìn)尺都正常時(shí)則無(wú)需提動(dòng)鉆具。若只進(jìn)尺而排粉不正常，則應(yīng)在鉆進(jìn)一定進(jìn)尺后就提動(dòng)一次鉆具，此時(shí)沖擊器不工作，產(chǎn)生較大的上返風(fēng)速，待巖粉和巖屑吹出孔口后，再將鉆具放到孔底繼續(xù)鉆進(jìn)。這種瞬間上提鉆具，能將較大的掉塊吹出孔口，保持孔底干凈。

2）泡沫鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)先開(kāi)啟泡沫泵再開(kāi)空壓機(jī)，防止空氣倒憋泡沫泵使泡沫液不易注入空氣流。這是根據(jù)工地大功率空壓機(jī)英格索蘭1070和阿特拉斯466而言，泡沫泵是普通的BW-250型三缸泵，用木塞堵其兩缸，用一缸工作。這種泵壓力大，減少了規(guī)范上使用的增壓裝置，且工作穩(wěn)定。

3）鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)經(jīng)常觀察風(fēng)壓表的壓力變化，當(dāng)風(fēng)壓突然增大時(shí)，同時(shí)上提鉆具又感到困難，可能是潛孔錘上部形成泥團(tuán)或埋鉆。若在串動(dòng)鉆具的同時(shí)靠空壓機(jī)的額定工作壓力能將上部堵塞物吹開(kāi)，就可繼續(xù)鉆進(jìn)。若無(wú)效時(shí)，可采取從孔口注水，將泥團(tuán)稀釋吹出孔口。或者從鉆桿中注入一定的泡沫劑也可稀釋排除。在鉆進(jìn)峰峰組泥灰?guī)r時(shí)，常遇到此情況，工人稱這種情況叫“蓋帽”。

4）鉆進(jìn)中，如發(fā)現(xiàn)鉆桿抖動(dòng)厲害或周期性滯轉(zhuǎn)現(xiàn)角，說(shuō)明遇到破碎帶或較大襲隙，應(yīng)立即提動(dòng)鉆具，再緩慢下放，以較低鉆壓通過(guò)該區(qū)，防止造成鉆桿折斷等事故。

5）如發(fā)現(xiàn)孔口不返氣、進(jìn)尺緩慢，說(shuō)明遇到大裂隙，應(yīng)反復(fù)上下提動(dòng)鉆具進(jìn)行周期性碎巖和吹孔工作，把大顆粒巖屑沖成粉末并吹入裂縫中，保證正常鉆進(jìn)。必要時(shí)，應(yīng)加入泡沫劑以堵死裂隙。

6）回次結(jié)束后，不要急于停氣，應(yīng)上提鉆具0.3～0.5m，進(jìn)行吹孔和高濃度泡沫循環(huán)攜粉。待孔口不返巖屑時(shí)，才可停風(fēng)加接鉆桿。

7）停風(fēng)時(shí)，應(yīng)緩慢關(guān)閉送風(fēng)閥，不可突然中斷供風(fēng)，防止?jié)摽族N倒吸巖粉，造成潛孔錘堵塞事故。

8）定期向鉆桿內(nèi)加入少量機(jī)械油，確保潛孔錘充分潤(rùn)滑（冬季施工，機(jī)械油應(yīng)加熱）和高效能，延長(zhǎng)使用壽命。

9）在接單根鉆桿時(shí)，主動(dòng)鉆桿接上后即開(kāi)始供風(fēng)，將孔底吹干凈后就可繼續(xù)鉆進(jìn)。不要將鉆具下到孔底后再供風(fēng)，這樣容易造成潛孔錘內(nèi)被巖屑堵塞，發(fā)生故障。

10）當(dāng)空壓機(jī)風(fēng)壓不足時(shí)，可采用兩臺(tái)或多臺(tái)并聯(lián)的辦法，以加大風(fēng)壓。

5 經(jīng)驗(yàn)積累及體會(huì)

1)鉆進(jìn)的工作效率即潛孔錘的工作效率，主要取決于空壓機(jī)的能力。如今，高質(zhì)量的空壓機(jī)均是進(jìn)口或合資生產(chǎn)，其核心技術(shù)由外國(guó)掌握，所以價(jià)格很高，如英格索蘭1070的柴油機(jī)是美國(guó)卡特公司制造，機(jī)械油和潤(rùn)滑油由卡特公司專供，維護(hù)費(fèi)用也高，而且它們都是燃油驅(qū)動(dòng)，每小時(shí)燃油約80L，工人叫它“油老虎”，成本很高。

2)若潛孔錘錘頭直徑小則破碎巖石面積就小，功率消耗就少，所以在滿足下泵段的最小口徑的情況下，盡量采用小直徑錘頭鉆進(jìn)。下泵段即含水層，通常下φ273mm花管和井管保證濾水面積，保護(hù)井壁，保護(hù)水泵。此時(shí)水量已基本達(dá)到要求，井內(nèi)水位也高了，再往下打就不用潛孔錘了，因?yàn)榫畠?nèi)水壓高消耗風(fēng)壓大，潛孔錘工作效率低。下泵段下部要設(shè)沉淀段，通常是采用φ244mm的牙輪鉆進(jìn)，此時(shí)鉆具重量也能達(dá)到滾牙輪所需的大鉆壓，循環(huán)介質(zhì)仍采用空氣泡沫。沉淀段深度根據(jù)水量、合同要求的井深來(lái)確定，通常為裸孔。

3)潛孔錘鑿井具有機(jī)械鉆速高、鉆頭壽命長(zhǎng)、水井質(zhì)量好、在水敏性地層、漏失地層中能保證鉆進(jìn)，尤其在缺水嚴(yán)寒的地區(qū)鑿井更顯示其優(yōu)越性。盂縣多個(gè)供水井的成功證明了這點(diǎn)，為水井施工提供了經(jīng)驗(yàn)。