深厚砂卵石層中空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

徐世國

（神華神東地測公司鉆探隊(duì) 內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭木倫鎮(zhèn) 017209）

深厚砂卵石層中空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

徐世國

（神華神東地測公司鉆探隊(duì) 內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭木倫鎮(zhèn) 017209）

深厚砂卵石層是地質(zhì)勘探以及地基處理中的一大難題，通過空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用可以很好解決這種問題。本文闡明了空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)，分析了空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)的相關(guān)規(guī)程，詳細(xì)說明了空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在深厚砂卵石層中的應(yīng)用。

深厚砂卵石層；空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)；應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，我國工程建設(shè)水平不斷提升。在一些大型工程地質(zhì)勘探大口徑鉆進(jìn)深厚砂卵石層時(shí)，由于卵石層較厚，卵石硬度高，勘查難度較大，砂卵石層作為地質(zhì)鉆探關(guān)鍵，其鉆進(jìn)工效會影響到工程進(jìn)度。因此，選擇合適的鉆進(jìn)技術(shù)顯得極為重要，而空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)則能有效應(yīng)對這個(gè)難題。

1 空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)

空氣潛孔錘鉆進(jìn)是空氣鉆進(jìn)技術(shù)的組成部分，它是將壓縮空氣作為沖洗介質(zhì)，或同時(shí)作為孔底碎巖能量的鉆探方法。它具有如下特點(diǎn)：①鉆進(jìn)效率高。由于較大的沖擊功和較高的排渣風(fēng)速，無需進(jìn)行二次破碎；無液柱壓力影響，能夠在無地下水的條件下，改善孔底破碎條件。實(shí)踐證明，與液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，空氣潛孔錘鉆進(jìn)效率能夠提高3～10倍。②鉆頭成本低。其柱齒或球齒合金鉆頭，十分有利于進(jìn)行破巖，并且合金鉆頭具有比金剛石鉆頭使用壽命長，適應(yīng)性強(qiáng)，鉆頭成本低。③鉆進(jìn)質(zhì)量好。由于鉆具轉(zhuǎn)速低，對孔壁產(chǎn)生沖撞機(jī)會小，對孔底進(jìn)行高頻沖擊，能夠有效減少對巖石以及傾斜地層造成孔斜的影響，改善了鉆孔垂直度，避免孔壁巖石坍塌。④鉆機(jī)性能要求低。潛孔錘鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速較低，克服扭矩較小。這就能夠減少輕鉆機(jī)設(shè)備性能要求，從而使大口徑硬巖鉆進(jìn)等能夠得到應(yīng)用。⑤對生產(chǎn)層影響小。和清水及泥漿鉆進(jìn)不同，空氣潛孔錘鉆進(jìn)是以空氣為循環(huán)介質(zhì)，不會導(dǎo)致地層堵塞，因此對行水層、含油層及含氣層等不會造成影響，從而提高煤層氣井及水井等生產(chǎn)量。⑥適用范圍廣。潛孔錘鉆單次沖擊功便能在瞬間產(chǎn)生巨大沖擊力，故能在非開挖鋪管夯管技術(shù)以及軟層沖擊擠密鉆進(jìn)得到應(yīng)用。

2 空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)相關(guān)規(guī)程

2.1 沖擊器選取

沖擊器是一種以壓縮空氣為動力的風(fēng)動工具，對鉆頭通過沖擊器排出壓縮空氣進(jìn)行冷卻、排粉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。沖擊器選取是空氣潛孔錘鉆進(jìn)中的首要問題，沖擊器選擇不當(dāng)會影響鉆進(jìn)效率及深度，產(chǎn)生一些無法預(yù)知的問題，而選擇得當(dāng)能夠有效地降低工作強(qiáng)度、提高效率。根據(jù)配氣類別不同，空氣潛孔錘可分成有閥式潛孔錘及無閥式潛孔錘兩類。有閥式潛孔錘出現(xiàn)早，它是通過不同形式的碗狀閥、碟狀閥、板狀閥等進(jìn)行壓縮空氣的切換，并以交替方式進(jìn)入前后氣室不斷推動沖錘做往復(fù)運(yùn)動從而產(chǎn)生沖擊作用。在到達(dá)缸體前后死點(diǎn)時(shí)，將產(chǎn)生壓力信號進(jìn)行切換，使得活塞進(jìn)行換向沖擊。有閥式潛孔錘缸體配氣較為簡單，只需經(jīng)歷進(jìn)氣及排氣兩個(gè)過程。

無閥式潛孔錘發(fā)展則相對較晚，它取消有閥式潛孔錘中的控制閥，通過沖錘活塞運(yùn)動實(shí)現(xiàn)通道的開啟和關(guān)閉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對壓縮空氣切換的控制。無閥式潛孔錘缸體配氣分為進(jìn)氣、排氣、膨脹壓縮三個(gè)過程，有效發(fā)揮壓縮空氣能夠壓縮以及膨脹做功的特性。由于缸體配氣中膨脹做功過程的增加，有效節(jié)省了壓縮空氣的消耗，在很大程度上降低了能耗。在有閥型潛孔錘中，由于控制閥的高頻運(yùn)動和切換，磨損大、報(bào)廢率高，需要進(jìn)行定期更換，這樣就很容易造成潛孔垂工作性能受到影響。此外，控制閥需要在一定氣壓內(nèi)切換，壓力適應(yīng)性弱，因此，工作穩(wěn)定性不好。無閥型潛孔錘則有效避免這種弊端，具有較強(qiáng)的壓力適應(yīng)性以及良好的工作穩(wěn)定。

2.2 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

2.2.1 風(fēng)壓、風(fēng)量

潛孔錘是以壓縮空氣為動力使活塞在不斷的循環(huán)運(yùn)動中產(chǎn)生沖擊力，將巖屑通過廢氣、余氣排除孔外。因此，送至潛孔錘的風(fēng)壓和風(fēng)量是保證鉆進(jìn)的速度及深度的前提條件。廢氣作為潛孔錘工作時(shí)的驅(qū)動力，在排到鉆桿及套管之間環(huán)形空間時(shí)，會將鑿碎的巖屑一起帶出孔外，排渣速度要適宜，一般應(yīng)大于15m/s。若排渣速度過小，會造成巖屑的重復(fù)破碎，從而導(dǎo)致鉆進(jìn)速度大為降低的情況。出水量及鉆孔水位對風(fēng)壓的影響體現(xiàn)為如下方面：①沖擊器下到井底或孔底進(jìn)行鉆鑿以及在每回次進(jìn)尺加長鉆桿進(jìn)行重新開鉆的過程中，均需要克服水柱壓力，而每10m水相當(dāng)于0.1MPa，因此會出現(xiàn)壓力峰值，空壓機(jī)必須能夠承受該峰值。②井孔排水中會消耗風(fēng)壓，沖擊器供給工作壓力會隨排水量增加不斷減少，一直到不能夠正常沖擊而無法進(jìn)尺。

2.2.2 鉆壓

潛孔錘在鉆進(jìn)過程中，鉆壓會產(chǎn)生兩方面作用：①對巖石產(chǎn)生預(yù)加壓力形成裂隙，從而使得巖石在沖擊器的沖擊力下，達(dá)到很好的破碎效果。②克服沖擊器的反彈作用力，降低沖擊能量的損耗。由此可以看出，在破碎巖石過程中，鉆壓并不起主要作用，且對不同巖石而言，施加鉆壓也不相同。潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)需要加壓，但不能太大。鉆壓過大時(shí)，扭矩勢必增加，就會造成鉆具和鉆頭過早磨損及破壞。實(shí)踐表明，應(yīng)將鉆壓控制在2～4kN，如有必要，可選擇較大鉆壓，需注意的是，應(yīng)盡量減輕巖芯由于高頻沖擊振動產(chǎn)生的反彈力的破壞。

2.2.3 轉(zhuǎn)速

潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆具的旋轉(zhuǎn)，鉆頭刃具沖擊位置會發(fā)生改變，這樣就能夠使沖擊的破碎穴之間產(chǎn)生一定間距，從而造成體積破碎。由此可見，沖擊間距是影響鉆頭轉(zhuǎn)速的主要參數(shù)。此外，鉆頭轉(zhuǎn)速還會受到巖石完整性和研磨性以及沖擊功等因素的影響。巖石研磨性越強(qiáng)，則應(yīng)降低轉(zhuǎn)速，以充分發(fā)揮沖擊破碎的作用；沖擊功較大時(shí)，破碎巖石效果越好，破碎穴大，因此，可增加沖擊間距，提高轉(zhuǎn)速。

3 空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在深厚砂卵石層中的應(yīng)用

深厚砂卵石層中，空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，需要注意以下技術(shù)要點(diǎn)：①嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范及參數(shù)開展鉆進(jìn)作業(yè)，不可盲目增加鉆壓以追求進(jìn)尺，注意觀察空口巖屑情況，及時(shí)對鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，避免由于巖屑產(chǎn)生過多未及時(shí)返出導(dǎo)致卡鉆，而影響鉆進(jìn)工效。在鉆進(jìn)時(shí)如遇較大粒徑巖石，應(yīng)通過搗、打相結(jié)合方式，防止由于強(qiáng)行跟進(jìn)造成鉆桿折斷以及鉆頭掉齒、斷齒的情況發(fā)生。②高壓擺噴施工過程中，要嚴(yán)防鉆孔偏斜，以免影響墻體搭接。為防止發(fā)生鉆孔偏斜，可采取的措施有：a.鉆機(jī)就位后，需將其墊穩(wěn)，并調(diào)整鉆機(jī)，確保開孔鉆具處于鉛垂?fàn)顟B(tài)；b.為避免由于回填土礫石導(dǎo)致鉆孔偏斜，應(yīng)選用大一級開孔鉆具，并在鉆至卵石層時(shí)進(jìn)行上下往復(fù)的活動；c.用水平尺對下入跟進(jìn)套管進(jìn)行反復(fù)的垂直度校核，如出現(xiàn)偏斜，則用水泥砂漿填充，并于原處重新開孔。③根據(jù)分序加密原則，一般對高噴孔進(jìn)行兩序孔施工。前一次序孔施工完成后，應(yīng)合理選擇下一次序孔開孔時(shí)間，開孔時(shí)間如果過早，在鉆進(jìn)時(shí)高能量壓縮空氣的釋放，很有可能造成前一次序孔由于水泥漿體強(qiáng)度尚未達(dá)到而產(chǎn)生破壞；開孔時(shí)間如果過晚，則可能由于孔周圍水泥強(qiáng)度過高造成跟管鉆進(jìn)難度的增加，實(shí)踐表明，間隔時(shí)間宜在6～12d。④由于砂卵石層具有較大的漏失量，因此，需要采取措施護(hù)孔。如采用泥漿護(hù)壁工藝，不僅塑性漿液量大，而且噴孔時(shí)，很容易出現(xiàn)漿液串冒，造成嚴(yán)重塌孔，導(dǎo)致成孔率較低。為此，可采用具有良好護(hù)孔效果的PVC管護(hù)壁，不僅能夠具有較強(qiáng)的抗高壓射流束沖擊性，還不會使擺噴質(zhì)量受到影響。

4 鉆進(jìn)中注意事項(xiàng)

（1）嚴(yán)格按照潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)作業(yè)，不能盲目追求進(jìn)尺而加大鉆壓，防止鉆桿折斷、鉆頭掉齒和斷齒等事故的發(fā)生；

（2）鉆進(jìn)中要隨時(shí)注意觀察氣壓表壓力的變化，如發(fā)現(xiàn)壓力急劇上升或下降，應(yīng)立即提鉆，查明原因，排除故障；

（3）鉆進(jìn)中經(jīng)常注意潛孔錘沖擊響聲，如發(fā)現(xiàn)沖擊頻率變低或不穩(wěn)定等異常情況，應(yīng)立即提鉆進(jìn)行處理；

（4）鉆進(jìn)中如發(fā)現(xiàn)鉆桿抖動厲害，應(yīng)立即提動鉆具，再慢慢下放，并降低壓力進(jìn)行鉆進(jìn)；

（5）定期向鉆桿內(nèi)加入少量機(jī)械油，確保潛孔錘充分潤滑和高效能，延長使用壽命；

（6）下鉆時(shí)，應(yīng)邊回轉(zhuǎn)邊下放，當(dāng)鉆具接近孔底時(shí)，應(yīng)放慢下放速度；

（7）下鉆前，要在地表對潛孔錘進(jìn)行試驗(yàn)，看其工作是否正常，否則要立即拆卸清洗、涂油，防止活塞與缸套的磨損加劇而損壞鉆具；

（8）在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對潛孔錘的維護(hù)，并保證鉆進(jìn)所需的風(fēng)壓、風(fēng)量，以確保潛孔錘的工作正常。

5 結(jié)束語

深厚砂卵石層中應(yīng)用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)，不僅取心質(zhì)量好，還能夠提高鉆進(jìn)效率、增強(qiáng)護(hù)壁效果，從而滿足工程中砂卵石覆蓋層地質(zhì)勘探的需要，為工程建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。

[1]李海民，高恩波.淺析潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在砂卵石地層中的應(yīng)用[C].河北省水利工程局2008年南水北調(diào)中線工程會議，2008.

[2]牛文林.西部河床深厚砂卵石層鉆探取心技術(shù)研究[D].成都理工大學(xué)，2006.

[3]錢永春.空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在深厚砂卵石層中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2010（4）：46～47.

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1004-7344（2016）25-0177-02

2016-8-18