空氣潛孔錘在灰?guī)r地區(qū)水文鑿井工程應用中應關注的幾個問題

肖明　施濤

【摘 要】空氣潛孔錘鉆探工藝在云南抗旱救災地下找水打井工程中的廣泛應用，大大縮短了工期，為云南抗旱救災地下找水打井工程贏得了寶貴時間。文章主要對空氣潛孔錘鑿井施工中遇到的工程問題及解決方法進行了探討。

【關鍵詞】空氣潛孔錘；灰?guī)r；鑿井；施工

0.引言

地下水的開發(fā)利用尤其是基巖水井鉆鑿，是人類可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容之一?？諝鉂摽族N鉆鑿基巖水井是國際上常規(guī)鉆井方法，但技術和工藝上仍存在不足。其是以壓縮空氣作為動力來破碎巖石，作為循環(huán)介質來洗孔、冷卻鉆頭，將巖屑從孔底帶出孔外的鉆進方法。它有以下特點：①鉆進效率高。產(chǎn)生的主要原因一是純鉆時間比率高，這是由于不需要提鉆取芯，減少了頻繁上下鉆的時間。二是鉆孔內(nèi)無液柱的靜壓力，使鉆頭下的巖石在地層的“反壓差”效應作用下以最大限度釋放殘余應力，巖屑呈“爆裂”的形式崩離巖體，從而提高了破碎巖石的鉆進效率。

同時，由于空氣本身粘度小，又以高速吹洗孔底，使孔底凈化程度高，幾乎沒有重復破碎現(xiàn)象。②能延長鉆頭使用壽命，一個鉆頭在灰?guī)r中鉆進可超過1000米，鉆進過程中對地層幾乎沒有污染，不但避免反復洗井過程，減少工期，而且到含水層由于汽液混合排出，起到了洗井的作用，出水量相對較大。③鉆進過程中幾乎用不到?jīng)_洗液，避免了在缺水地區(qū)施工對水的依賴，減少了水的浪費和對地層的污染。④鉆探成本低，大約為常規(guī)鉆進費用的50%。在干旱缺水地區(qū)，采用空氣潛孔錘鉆進工藝可以提高鉆進效率、降低成本、縮短施工周期。

1.空氣潛孔錘鑿井應用由來

從2009年9月到2012年5月，云南大旱已經(jīng)持續(xù)了近3年之久，云南省遭受了百年未遇的嚴重旱災。為打贏抗旱救災攻堅戰(zhàn)，繼2010年抗旱打井之后，云南省國土資源廳組織開展了地下找水探采井實證工作。截止2012年2月底，仍在持續(xù)的干旱已造成全省13個州市，91個縣市區(qū)631萬人受災。我院為履行“地下找水，共保民生”的使命，特意購買了一套空氣潛孔錘鉆探設備加入到抗旱突擊行動中，期望能發(fā)揮其優(yōu)越性，共保民生，共抗災害。

本次購買空氣潛孔錘鉆探設備參數(shù)見下表1.1

表1.1鉆探設備參數(shù)

2.施工中遇到的工程問題及解決方法

本次潛孔錘鉆機所鑿的4口井的地層上部為填土、第四系粘土或粉質粘土，厚度為5.2米至32米；下伏厚度超過百米的灰?guī)r或白云巖，其為本次找水的含水層。其中硯山落太邑村這口井在粘土層下還有59.8米厚的板巖，泥巖，其下才是白云巖、灰?guī)r。在本次抗旱打井施工中，潛孔錘鑿井的優(yōu)越性是比較突出的，在嚴重缺水的地方，解決了沒有施工用水的問題。在高效率方面，一個班可以鑿60多米。但也碰到了不少問題。

2.1土層較厚帶來的施工困難

在昆明七甸施工的一口井，該處0～17米為壓實填土，17～32米為粉質粘土，土層較厚，壓實填土內(nèi)存在漏風，回填塊石卡鉆問題；粉質粘土內(nèi)存在粘土淤積不排，包裹錘頭問題。進尺困難且存在風險，后換攪土鉆頭采用泥漿正循環(huán)鉆進，遇到漏水段則回填粘土以封堵，雖然進尺慢，但是安全鉆穿土層，下管到位。結合幾口井的經(jīng)驗，厚度在15米以內(nèi)，呈可塑～硬塑狀的土層可用潛孔錘直接鉆進至預定深度，不過應該時刻關注井口的通風排渣問題，不貪進尺，遇到情況立刻提鉆。

2.2基巖破碎段

潛孔錘破碎段鉆進時，錘頭錘擊不平穩(wěn)，鉆具旋轉阻力也較大，此時應慢轉速，減壓鉆進，這樣即保證了破碎段井孔的偏斜，又確保了施工安全。鉆進中應少進尺，多提鉆通風，直到上下鉆都順利時方可繼續(xù)鉆進。

潛孔錘鉆進時，沖擊破碎的巖石顆粒較大，反復的排渣沖刷會破壞破碎段巖石的穩(wěn)定性，極易引發(fā)掉塊卡鉆問題。如在文山大麥沖鑿井施工中，在提升鉆桿至85米時，發(fā)生掉塊卡鉆，提升十分困難，此時采用加鉆桿向下反復活動，加完6米后水流帶著巖塊沖出，卡鉆消除。

2.3溶洞地段

潛孔錘鉆進過程中最怕遇到溶洞，溶洞的外硬內(nèi)軟結構極易造成潛孔錘打偏下不了管，且內(nèi)部結構復雜，漏風，掉塊經(jīng)常存在，當遇到溶洞時候，進尺要求很慢，反復鉆進。為控制斜度，鉆進時以最慢轉速鉆進，進入溶洞內(nèi)可不回轉，直到遇見巖石后方可慢速回轉鉆進。對溶洞的最好處理辦法是下套管阻隔，或者是采用水泥漿封堵。溶洞有大有小，有的有充填物，有的充填物已經(jīng)被地下水帶走。當鉆進過程中遇到掉鉆，井口還能反空氣，則說明溶洞小，和外界連通差，還可以繼續(xù)鉆進。當然，也有可能是有充填物的大溶洞，這時要靠返出的物質來判斷，若在淺層遇到溶洞，鉆井幾米后仍有泥土排出，在損失不嚴重的情況下建議移孔。

2.4孔斜問題

在施工過程中，地表覆蓋層多為第四系殘坡積層，且多夾有塊石，在平面上造成了軟硬不均衡段；含水段鉆進時，由于巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，構造作用強，造成巖體的破碎不均勻，鉆進過程中極易造成孔斜?？偨Y控制鉆孔偏斜要點如下：

（1）鉆機固定時，塔架應該用水平卡尺來調(diào)節(jié)垂直，并且每天開工前都應該再次校對，確保塔架的垂直度，當下完套管繼續(xù)鉆進時，可以選擇對中下鉆。

（2）鉆機動力頭滑道每天上鈣基油潤滑，鏈條每天上機油潤滑，滑輪與滑道之間的間隙不能太大，當發(fā)現(xiàn)動力頭滑塊磨碎嚴重，動力頭上下移動擺動較大時，應該更換滑塊。

（3）開孔時候不可回轉鉆具，不管是在基巖上開孔還是在土層上開孔，都應該垂直鉆進一定深度后再回轉鉆進，確保開孔就正。

（4）鉆進過程中，無論采用何種鉆進方式，鉆速，鉆壓的控制非常重要。潛孔錘鉆壓以滿足沖擊器正常工作不反彈為宜，在遇到軟層或者破碎段，應該減壓小進尺鉆進；鉆速不應太快，鉆進正常時候采用2檔慢速93r/min，遇到破碎段，或者鉆進深度過百后，宜采用1檔快速50r/min。

（5）潛孔錘沖擊器（Φ124，Φ136），錘頭和鉆桿（Φ95）之間直徑相差較大，在遇到軟硬相間的巖層或者構造發(fā)育地段，往往沒有導向性，極易造成鉆孔的偏斜。采用加導正鉆桿作為扶正器來加以控制，在設備孔口處加設限制鉆桿擺動的裝置來控制了孔斜。

2.5不排渣問題

在鉆進過程中，時常會遇到有進尺但不排渣現(xiàn)象，不排渣有兩種：一個是漏氣不排渣，一個是巖粉含少量水份不排渣。

漏氣不排渣很危險，巖粉過多很可能造成埋鉆事故?，F(xiàn)場操作人員遇到漏氣不排渣現(xiàn)場，應及時停止鉆進，但須保證通風，仔細查明井口返氣大小，返渣情況，若是無風無渣，應及時提桿再做處理；若是稍微漏風，返渣少，可來回多提幾次鉆桿幫助排渣，看到排渣差不多時可小心繼續(xù)鉆進，嘗試一根桿，少進尺多提桿排渣，若排渣仍不順，應考慮提桿處理。漏風最直接的辦法就是下管，實例：丘北樹皮鄉(xiāng)水井鉆進到120米開始有漏風，但可排渣，嘗試打至125米后風變小且不返渣，后下Φ168套管至125米，下Φ152錘頭可下至115米，通風后巖粉全部排出。

在本次抗旱過程中，一些以前是主要含水層的地段，由于水位的下降，巖溶水疏干枯竭，在起初鉆進時由于有風壓機提供一定溫度的風沖刷井孔，很難看出有水的痕跡，但當?shù)诙煜裸@時候，往往能夠排出5～10升水來，潤濕孔壁，在繼續(xù)鉆進過程中，由于巖粉與水結合形成巖粉顆?；蛘邘r粉塊，當顆粒的重量超出了上返氣流的攜帶能力，這些巖粉顆粒就會懸浮于孔中或者附著在孔壁上，造成縮頸或者是埋鉆。不排渣是由于含有少量水造成的，并非漏風問題，所以向孔內(nèi)加足夠量的水，把巖粉塊軟化，在空壓機工作下足夠把巖粉排出，但是處理要及時，且必須是孔內(nèi)不漏風，否則可溶巖膠結后，加水反而適得其反。實例：丘北縣樹皮鄉(xiāng)矣得村水井在下套管至125米，往下鉆進過程中，未遇到漏風現(xiàn)象，但是巖粉排出量明顯不足，后決定提桿通風多吹，在提至套管內(nèi)被卡死，上下不能，觀察井口通風正常，于是決定向井內(nèi)灌水直到井口，開空壓機通風后水流帶著巖粉排出，卡鉆消除。

針對排渣困難問題，可以嘗試添加泡沫劑，對排渣困難問題應該會有所改善。

2.6下套管

潛孔錘打出的水井比起傳統(tǒng)水井來說，下套管很困難。一個原因在于孔壁不光滑，另一個原因在于孔的斜度難以控制。

針對以上難題，我們采取的辦法是，在盡量控制孔斜度的基礎上，我們用大口徑錘頭開孔，盡量大口徑向下打，以大口徑下小套管，且在下套管前，用6～7米長的鉆具先修孔，再下套管。用此方法，往往都能順利下到位。實例：丘北縣樹皮鄉(xiāng)矣得村水井，在保證孔正的基礎上，0～41米用Φ305開孔，41～110米用Φ254，110～125米用Φ216，未用鉆具修孔，直接下Φ168套管順利到位，孔壁以巖粉混砂填密實，未出現(xiàn)漏風現(xiàn)象。

對于下套管，還應該注意一些問題。潛孔錘所打的井，孔壁的光滑度與垂直度都不太樂觀，所以下套管應該以套管的自由下落和小角度的旋轉來下管，采取暴力強硬下管，往往會造成工程事故。

3.工程中的注意事項

（1）鉆進過程中應該時刻關注孔內(nèi)情況：巖石的巖性，裂隙發(fā)育，破碎程度，含水多少；孔內(nèi)返風排渣情況。做到時刻關注，及時處理。

（2）對管井結構要提前有所規(guī)劃，并根據(jù)工程實際情況加以調(diào)整。

（3）保持鉆具內(nèi)孔清潔，以防將潛孔錘活塞卡住而不能工作，防止過快磨損內(nèi)缸套和活塞；鉆孔較深時，由于錘頭外側的空氣還有一定壓力，卸鉆桿絲扣時應該慢慢松絲扣放氣，以防泥沙倒擁堵入沖擊器內(nèi)造成堵塞。

（4）加鉆桿后，先探明井內(nèi)沉渣，如超過0.5m時，要先送風清渣，然后再正常鉆進。

（5）每回次結束，要及時檢查潛孔錘，如絲扣連接部位及鉆頭卡銷等關鍵部位，以防潛孔錘零部件脫落井內(nèi)；鉆桿絲扣要上油，不用的鉆桿要油封保護；鉆機，空壓機空氣濾芯要每天清理，設備要每天清潔維護。

4.結語

潛孔錘井相比傳統(tǒng)鑿井設備在鉆進效率、鉆井成本等方面具有較大優(yōu)勢，特別是在缺水地區(qū)施工優(yōu)越性更明顯。在利用潛孔錘在灰?guī)r地區(qū)鑿井過程中，潛孔錘鑿井的確存在不少的弊病。使我們碰到了很多的問題，但通過總結經(jīng)驗教訓，找出解決方法，不斷改進，我們認為潛孔錘鑿井在云南干旱缺水的灰?guī)r地區(qū)值得多加應用。