基巖水井采用泡沫潛孔錘鉆進(jìn)實(shí)踐

韓尚孝，楊曉奇

(1.甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖734000;2.甘肅省地礦局，甘肅 蘭州730000)

1 概況

2012年8月，甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院承擔(dān)了某礦業(yè)公司位于甘肅省肅北蒙古族自治縣馬鬃山區(qū)西段七角井的一眼施工口徑為310 mm、孔深350 m的水井。施工區(qū)為戈壁山地，無植被，海拔1600～1700 m。施工區(qū)基巖裸露，常年氣候干燥，夏季最高氣溫可達(dá)44℃。鉆探用水需從區(qū)外長距離運(yùn)入，成本很高;地表即為巖石，常規(guī)方法難以開孔;工期很短，采用常規(guī)方法鉆進(jìn)不能滿足工期要求。針對這種情況，我們采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝，利用泡沫作為循環(huán)介質(zhì)，取得了良好的鉆進(jìn)效果。

2 地質(zhì)條件

地層巖性主要為大理巖，巖石堅硬～較堅硬，性脆，巖體完整性總體較好，局部破碎，含硅質(zhì)膠結(jié)成分，可鉆性為6～8級。

3 施工設(shè)備配備及鉆進(jìn)方法

(1)主要鉆探設(shè)備:SPJ－300型水井鉆機(jī)，BW900型泥漿泵，RHP750型空壓機(jī)2臺雙機(jī)并聯(lián)使用，臥式儲氣罐(3 m3，8 MPa)平衡供氣壓力，泡沫泵(泵量30～60 L/min，泵壓 ＞5 MPa)，潛孔錘(J250B－0－1A 型)，釬(錘)頭(J250－310－1A型)。

4 氣動潛孔錘鉆進(jìn)

4.1 鉆進(jìn)參數(shù)

4.1.1 鉆壓

潛孔錘鉆進(jìn)，要保持錘頭始終不離開孔底，必須施加一定的井底壓力。但如果鉆壓過大，不僅不會增加鉆進(jìn)速度，還會加速鉆頭的磨損;如果鉆壓不足，沖擊器在工作時反彈跳動，不但碎巖效果很差，還會導(dǎo)致鉆頭磨損和井斜。規(guī)范規(guī)定［1］:鉆壓應(yīng)小于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)壓力，一般按鉆頭直徑選取為80～150 N/mm。則310～350 mm口徑，鉆壓應(yīng)為25～28 kN。我們使用290 mm、長1.5 m的扶正器，既作扶正導(dǎo)向，又起加重作用，防止在鉆進(jìn)0～30 m時因鉆壓過小，潛孔錘鉆進(jìn)產(chǎn)生井斜和振動震壞水龍頭等。

4.1.2 轉(zhuǎn)速

由于潛孔錘碎巖為體積破碎，故轉(zhuǎn)速無需太高。球齒鉆頭的磨損與轉(zhuǎn)速成正比，巖石愈硬，研磨性愈高，轉(zhuǎn)速應(yīng)低些。轉(zhuǎn)速大小與潛孔錘的最優(yōu)轉(zhuǎn)角和沖擊頻率有關(guān)，其三者關(guān)系為:

式中:A——最優(yōu)轉(zhuǎn)角，(°);N——鉆具轉(zhuǎn)速，r/min;F——沖擊頻率，次/min。

根據(jù)巖性取最優(yōu)轉(zhuǎn)角為11°，潛孔錘沖擊頻率為600次/min，則求得鉆具轉(zhuǎn)速為18 r/min?，F(xiàn)場通過改裝動力端皮帶輪，使轉(zhuǎn)盤獲得20 r/min的轉(zhuǎn)速。

4.1.3 風(fēng)量

潛孔錘鉆進(jìn)速度快，單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的巖屑顆粒大且多，需要較大的風(fēng)量才能使孔底干凈。同時潛孔錘本身也需一定的風(fēng)量才能正常工作。供風(fēng)量不僅是保證沖擊器工作的基本條件，也是保證鉆孔是否能正常排粉的重要因素，因?yàn)樵诟煽諝獾你@進(jìn)情況下，排粉效果的好壞主要與上返風(fēng)速有關(guān)，而風(fēng)速跟供風(fēng)量發(fā)生直接關(guān)系。風(fēng)量的選擇應(yīng)根據(jù)所用沖擊器的性能以及要滿足洗井所需的上返風(fēng)速而確定［2］。J250B－0－1A型潛孔錘其額定風(fēng)量為30 m3/min。根據(jù)規(guī)程［1］，當(dāng)井內(nèi)上返風(fēng)速＞15 m/s時，排渣效果良好。

對已確定的潛孔錘和井徑，其上返速度驗(yàn)算如下:

式中:V——井壁與鉆桿環(huán)狀間隙的空氣的上返速度，m/s;Q——2臺并聯(lián)空壓機(jī)的總風(fēng)量，40 m3/min;S環(huán)——井壁與環(huán)狀間隙斷面面積，m2。

按此計算，井內(nèi)上返風(fēng)速僅為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速的64.33%，再考慮沿程管路損失和背壓，排渣效果將遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。對此，常規(guī)方法是在孔底鉆具上方安置取粉管。

為快速優(yōu)質(zhì)完成施工任務(wù)，我們嘗試用泡沫作為循環(huán)介質(zhì)，在低風(fēng)速情況下保證正常鉆進(jìn)。

在干空氣鉆進(jìn)階段，要通過進(jìn)尺數(shù)和井口返出的巖粉量對比計算，確定井內(nèi)殘留巖屑是否過多，一旦影響鉆進(jìn)，可利用儲氣罐排氣閥快速打開，瞬間大方量送氣制造“井噴”強(qiáng)制排粉。

4.1.4 風(fēng)壓

潛孔錘的沖擊頻率和沖擊功都與風(fēng)壓有關(guān)，當(dāng)風(fēng)壓從0.6 MPa提高到1.03 MPa時，鉆進(jìn)效率可增加1倍［3］。一般認(rèn)為，所用壓縮空氣的壓力高，則潛孔錘鉆進(jìn)的效率也高，而且鉆頭的使用壽命也長［2］。因潛孔錘在鉆進(jìn)時，除去潛孔錘正常工作所需要的風(fēng)壓外，還要加上隨鉆孔深度增加而產(chǎn)生的沿程管路壓降以及克服水位以下水柱壓力所產(chǎn)生的壓力。考慮到空壓機(jī)能力，選定潛孔錘工作風(fēng)壓為0.5～0.7 MPa。

4.1.5 沖擊頻率

當(dāng)風(fēng)量和風(fēng)壓均達(dá)到潛孔錘所要求的額定值后，選定的潛孔錘其沖擊頻率為600～800次/min。

4.2 鉆具組合

4.3 鉆進(jìn)操作要求

(1)下鉆要勻速，禁止猛沖猛蹾等激烈活動;要保證下入井內(nèi)的鉆桿內(nèi)眼是干凈無雜物的;下鉆時，絲扣部分必須涂抹絲扣油，個別絲扣間隙大的還應(yīng)纏麻后抹絲扣油，保證絲扣部分不能漏氣;下鉆距井底1 m時先送氣，后回轉(zhuǎn)，緩慢回轉(zhuǎn)到底;提鉆時，先停止進(jìn)尺，感覺空轉(zhuǎn)后，提升至1 m后，吹孔3～8 min(根據(jù)孔深和返渣情況)再停止回轉(zhuǎn)，停止送風(fēng)，開始正常提鉆。

(2)下鉆遇阻時，堅決禁止猛沖猛蹾，應(yīng)對遇阻部位作正確判斷和分析，提離鉆具距遇阻部位1 m距離，先送氣，后回轉(zhuǎn)，緩慢回轉(zhuǎn)掃通遇阻部位，感覺空轉(zhuǎn)后，停止回轉(zhuǎn)，提升至遇阻部位上部，再次確定遇阻部位的情況，確定塌孔程度。

(3)正常鉆進(jìn)過程中，遇泥層、粘土等泥質(zhì)軟巖層時，可能產(chǎn)生“泥領(lǐng)”和泥環(huán)現(xiàn)象，所謂“泥領(lǐng)”就是在井壁某處形成環(huán)狀，使井徑縮小，導(dǎo)致粗徑鉆具無法通過，泥環(huán)就是在井內(nèi)鉆桿某處形成環(huán)狀，使鉆桿直徑“變大”的現(xiàn)象?！澳囝I(lǐng)”和泥環(huán)可能同時形成，使鉆具無法提出井外。處理的辦法是向井內(nèi)加水后送風(fēng)，并上下竄動鉆具，但禁止將鉆具上提拉死或下放猛沖猛蹾。

(4)正常鉆進(jìn)時，注意排粉情況，每次提鉆或?qū)ｉT將鉆具提離井底10 m高時，清除井口周圍排出的巖粉，大體估計鉆進(jìn)進(jìn)尺數(shù)與排出的巖粉相當(dāng)，即1 m進(jìn)尺應(yīng)有1 m同直徑體積的巖粉排出，否則就要專門探查井底巖粉沉積情況，防止重復(fù)破碎或埋鉆事故的發(fā)生。

(5)鉆進(jìn)時，從井內(nèi)排出的巖屑，主要堆積在井口管周圍，一般每進(jìn)尺6 m清渣一次;渣量必須估算，據(jù)此掌握排渣效果，并判斷鉆進(jìn)參數(shù)的合理性。

(6)注意檢查送氣系統(tǒng)中管路或儲氣罐等處可能漏氣的地方，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)必須采取措施防護(hù)，分析造成漏氣的原因，對嚴(yán)重漏氣的部件及時更換。

(7)鉆進(jìn)過程中，遇下列情況必須提鉆，分析判明產(chǎn)生的原因:①如果進(jìn)尺與返渣量相差太大;②聽潛孔錘工作聲音，如果聲音悶而不脆;③摸膠管不脈動;④風(fēng)壓表數(shù)值為零或數(shù)值過大;⑤空壓機(jī)聲音忽高忽低，表現(xiàn)不正常。

5 泡沫泥漿的使用

5.1 泡沫劑

泡沫劑使用ADF－3型［4］，為淡黃色透明狀液體，密度1.03 g/cm3，pH 值8～10，濁點(diǎn)≥95 ℃，起泡力≥185 mm，抗高溫80℃，抗氯化鈉10%，抗Ca2+1000 mg/L?，F(xiàn)場加量為1‰～5‰。通過泡沫泵與空氣管道直接送入井內(nèi)。

5.2 泡沫濃度

施工到孔深176 m時，遇含水層，由于出水量不大，潛孔錘鉆進(jìn)形成的熱風(fēng)將面狀巖粉粘在鉆桿柱上，造成提鉆困難。經(jīng)研究決定采用泡沫泥漿。起初泡沫濃度為4‰～5‰，加注泵量40 L/min，排粉效果很好。鉆進(jìn)到220 m后，感覺到井底已干凈，就將泡沫濃度調(diào)整為2‰～3‰，通過制造“井噴“的方式排除巖屑，效果良好。排出井外的巖屑混在泡沫中流入沉淀池中，該井泡沫泥漿是一次性使用，流出井外沉淀池中就廢棄。

5.3 泡沫泥漿的使用

由于材料準(zhǔn)備不足和認(rèn)識上的差異，開孔后直到176 m見水以前，一直是干空氣鉆進(jìn)，上返風(fēng)速不足，隨著孔深變大，返出的巖屑由顆粒變?yōu)榉勰疃逊e在井口，需專門用人力清理，浪費(fèi)了很多時間。小米粒大的顆粒占比不到4%。表明孔底重復(fù)破碎嚴(yán)重。176 m后使用泡沫泥漿，每鉆進(jìn)6 m，人為制造一次“井噴”排屑，方法是先開啟空壓機(jī)，待空壓機(jī)工作穩(wěn)定后，開啟接在管匯中的泡沫泵，將配好的泡沫送入井內(nèi)，約10～20 min后，井口就返出混有巖屑的泡沫泥漿，見圖1、圖2。

6 潛孔錘專用擰卸工具的使用

圖1 泡沫攜帶巖屑返出井口

圖2 泡沫攜帶巖屑流入沉淀池

由于潛孔錘本身的質(zhì)量較重(約200 kg)，其直徑較大(215～350 mm)，釬頭直徑310～350 mm，鉆進(jìn)過程中由于回轉(zhuǎn)阻力的影響，導(dǎo)致提鉆后在地面人工用鏈鉗卸扣困難，因此，我們使用了專用卸扣機(jī)具，卸扣器為液壓鉗，只要卸開一扣，就可以用鏈鉗自由擰卸，避免了用大錘錘擊卸扣的方法，有效地保護(hù)了絲扣不受傷害。

7 鉆進(jìn)效果

表1為該井鉆進(jìn)效率表，分析表1數(shù)據(jù):0～10 m孔段，僅靠鉆具自重加壓，由于鉆具重力不夠(機(jī)桿6.2 kN+潛孔錘2 kN)，達(dá)不到潛孔錘鉆進(jìn)所需要的理想鉆壓，不僅效率低，還震壞了2個水龍頭;10～30 m鉆進(jìn)，因加工的扶正器(也相當(dāng)于加重桿)運(yùn)到現(xiàn)場，鉆壓達(dá)到18.7～23.4 kN，情況稍有好轉(zhuǎn);30～176.4 m孔段，鉆具重力滿足了潛孔錘所需要的壓力，小時進(jìn)尺得到提升，但在施工中孔口清渣消耗了大量時間;176.4～350 m孔段，用了泡沫泥漿后，孔底巖粉邊鉆進(jìn)邊隨潛孔錘工作后的余氣和泡沫直接返到地面沉淀池，無需在孔口清渣，但空壓機(jī)供氣量和壓力顯得有點(diǎn)不足，不能滿足潛孔錘工作需要，影響了鉆進(jìn)效率的提升。

在該井施工中，平場地、安裝、拆遷進(jìn)出工地，用時10天，從開鉆到完鉆總計25天。但純鉆進(jìn)時間只有98.3 h，其它時間為輔助和事故時間，平均時效為3.56 m，遠(yuǎn)高于同樣地層同口徑其它鉆進(jìn)方法。

表1 全井鉆進(jìn)效率表

8 結(jié)論

(1)利用空壓機(jī)提供空氣動力，運(yùn)用泡沫作循環(huán)介質(zhì)，能夠有效發(fā)揮空氣潛孔錘鉆進(jìn)的優(yōu)勢，使其在大口徑基巖中順利施工并大幅度提升鉆探效率。但隨著孔深加大鉆進(jìn)效率降低，最好配高壓力大風(fēng)量空壓機(jī)，以充分發(fā)揮潛孔錘鉆進(jìn)的效果。

(2)為降低消耗，在淺孔段可使用干空氣鉆進(jìn)，視排渣情況及時改換空氣+泡沫鉆進(jìn)，以提高效率;當(dāng)孔深進(jìn)一步加大，鉆進(jìn)時效＜1 m時，由于燃油成本加大，應(yīng)采用球齒牙輪鉆頭鉆進(jìn)。

(3)在水井施工中，因口徑大，潛孔錘自然直徑和質(zhì)量大，擰卸潛孔錘接頭部件最好用專用的擰卸工具，以免損傷潛孔錘絲扣。

(4)潛孔錘錘頭應(yīng)排隊(duì)使用，按直徑先大后小為序。防止下鉆擴(kuò)孔，造成外沿硬質(zhì)合金磨損嚴(yán)重和崩落，影響效率和鉆頭壽命。

［1］DZ/T 0227－2010，地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程［S］.

［2］劉家榮，王建華，王文斌，等.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)，2010，37(5):40－44.

［3］國土資源部人力資源開發(fā)中心，職業(yè)鑒定中心，等.水文井鉆探工［M］.北京:地質(zhì)出版社，1999.

［4］談曉麗，蘇長壽，趙曉俐，等.ADF型泡沫劑性能的改進(jìn)與應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，32(S1):309－311.

［5］陳怡.空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝在貴州巖溶地區(qū)供水成井施工中的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，32(10):45－46.

［6］趙長福.空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)在地質(zhì)巖心鉆探中的應(yīng)用前景［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，32(8):45－49.