高風壓潛孔錘在巖溶找水中的應用

鄺光升，任良治，羅中良,帥 松

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶400700）

近年來，重慶市地勘局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊總結了常規(guī)巖芯鉆進工藝用于巖溶找水的不足，采用空氣潛孔錘快速鉆進工藝，將空氣壓力從中風壓改進為高風壓，總結出幾個關鍵技術，在巖溶缺水區(qū)地下水找水鉆井中取得重大突破，鉆孔速度和成井質(zhì)量均獲得大幅提高。

1 巖溶找水項目實施情況

重慶市巖溶石山地區(qū)缺水情況嚴重，區(qū)內(nèi)河流切割深，水文地質(zhì)條件差，存在表層地層破碎、含灰?guī)r塊石，孔壁易垮塌現(xiàn)象，下部常會遇溶洞等巖溶復雜情況。

2013年，208地質(zhì)隊開始承擔巖溶缺水區(qū)找水勘查示范項目，項目初期，采用全孔取芯鉆進工藝，用清水或無固相鉆井液，常遇孔內(nèi)掉塊卡鉆、溶洞充填的巖溶角礫巖垮塌埋鉆等事故，鉆進效率極低，單孔最快鉆進為20d，遇孔內(nèi)事故或溶洞等復雜情況，最長成孔時間長達60d。鉆井工作完成后，根據(jù)現(xiàn)場簡易水文觀測、巖芯裂隙發(fā)育情況、水蝕痕跡等綜合分析，進行抽水試驗最終確定出水量。為了按期、保質(zhì)完成找水任務，往往只能通過一個供水井安排一臺鉆機進行作業(yè)。該鉆進工藝、工作手段存在眾多的弊端，主要表現(xiàn)為野外鉆探時間長、成井率低、容易出現(xiàn)孔內(nèi)事故。

2014年開始，我隊通過充分論證，決定采用空氣潛孔錘鉆進工藝取代以往的全孔取芯鉆井工藝?？諝鉂摽族N鉆進的優(yōu)勢主要是鉆進效率高，采取全面鉆進，無需頻繁提鉆取芯，有時一個孔只需要一個回次就可完成，效率大大提高，同時應用于供水井施工還有3個方面的優(yōu)勢：一是該鉆進工藝為無沖洗液鉆進，地下水進入鉆孔通道將不會受到泥漿材料和細小巖粉的堵塞；二是一旦鉆進含水層，空氣可將水氣舉出井，接上三角堰后，可初步判斷出水量，不會對地下水造成污染；三是空氣鉆進時，上返壓縮空氣具有負壓洗井的效果，有利于增大出水量，能有效提高供水井的成井質(zhì)量。

1.1 鉆孔結構

測量放線定位后，采用“分級跟進鋼套管”的技術方法鉆進，鉆孔結構見圖1。

圖1 巖溶找水鉆孔結構示意圖

1.2 鉆具組合

開孔段及地層破碎帶等地層完整性差的孔段，采用偏心跟管鉆具組合，地層完整性好的井段，采用普通潛孔錘鉆具組合。

（1）偏心跟管鉆具組合：A動力頭+B鉆桿+C導向管+D沖擊器+E跟管+F穩(wěn)桿器+G管靴+H偏心輪+L中心鉆頭，見圖2。

圖2 偏心跟管鉆具組合示意圖

（2）普通潛孔錘鉆具組合：A動力頭+B扶正器+C鉆桿+D扶正器+E沖擊器+F釬頭，見圖3。

圖3 普通潛孔錘鉆具組合示意圖

1.3 鉆進技術參數(shù)

空氣潛孔錘鉆進原理，是將空壓機產(chǎn)生的壓縮空氣能量通過沖擊器進行能量轉換。即空氣潛孔錘鉆進過程中破碎巖石產(chǎn)生的高頻沖擊能量達到巖石臨界破碎功時巖石碎裂，同時工作后的氣體在一定的風速條件下將巖石顆粒排出孔外以實現(xiàn)鉆進目的。合理地選用軸向壓力、環(huán)狀間隙與氣流上返速度和轉速，是取得理想鉆進效果的基本條件。

1.3.1 軸向壓力

選取該鉆探工藝進行水井作業(yè)，一般采用全面鉆進方式。針對灰?guī)r地層，單位直徑壓力值建議取值30～80kg/cm。在操作過程中，需結合鉆進方式、鉆具匹配、沖擊器性能進行綜合考慮，適時修整，方可達到最佳效果。

1.3.2 轉速

轉速的高低主要與沖擊器的沖擊頻率、鉆頭直徑以及巖石的物理力學性質(zhì)有關。一般轉速選用20～45r/min，過高會造成鉆頭嚴重磨損、降低鉆進效率。潛孔錘鉆進是以沖擊碎巖為主,回轉改變鉆頭合金沖擊破巖的位置，避免重復破碎，因此，需要確定最優(yōu)沖擊間隔、合理轉速、沖擊頻率。

最優(yōu)沖擊間隔多采用2次沖擊間隔的轉角表示，三者之間的關系式如下：

式中：A——最優(yōu)轉角，（°）；

n——鉆具轉速，r/min；

f——沖擊頻率，次/min。

美國水井學會康伯爾認為在硬巖中2次沖擊之間的最優(yōu)轉角為11°。由于使用中高壓沖擊器，通過前期鉆進試驗總結，硬巖層選用低轉速，軟巖層選用較高轉速，覆蓋層為35～45r/min;軟巖層為30～40r/min;中硬巖層為25～35r/min;硬巖層為20～30r/min。

1.3.3 空氣壓力

空氣壓力是決定沖擊功的重要因素，也是影響機械鉆速的主要參數(shù)?？諝鈮毫Τ凉M足潛孔錘工作壓力外，還應克服管道、孔段壓力損失，尚須在有水情況下克服水柱壓力，才能正常工作。

式中：P——空氣壓力，MPa；

P孔——每米干孔的壓力損失，約0.0015MPa/m；

P管——每米管道壓力損失，Pm=0.001～0.003MPa；

P水——鉆孔內(nèi)水柱壓力,MPa；

P錘——沖擊器消耗壓力,MPa。

1.3.4 空氣量

鉆進中空氣清耗量是根據(jù)沖擊器的性能參數(shù)（耗氣量）及為清除孔內(nèi)巖屑的最低上返速度而確定。一般采用下式確定：

式中：Q——所需空氣量，m3/min；

K1——孔深損耗系數(shù)，孔深100～200m以內(nèi)取1.0～1.1；

K2——孔內(nèi)涌水時，風量增加系數(shù)，其值與涌水量有關，一般按1.5系數(shù)計算；

D——鉆孔直徑，m；

d——鉆桿外徑，m；

V——環(huán)狀間隙氣流上返速度，一般取值V=20～25m/s。

總之，鉆進技術參數(shù)的選擇應綜合考慮巖石特性、沖擊器性能、鉆孔深度、孔內(nèi)水柱壓力、鉆孔口徑等因素，以期取得最佳鉆速。

1.4 施工注意事項

通常情況下，轉速與巖石硬度及鉆頭直徑成反比。鉆進速度不宜過快也不亦過慢。過快容易縮短鉆頭使用壽命,特別是研磨性強的巖層,將加劇鉆頭外圍的刃齒磨損和碎裂，過慢容易重復破碎降低鉆速。主要操作注意事項如下：

（1）注意觀察鉆進中的異常情況。以下幾種情況應立即起鉆查明原因、排除故障。一是氣壓表壓力急劇上升或下降。二是潛孔錘沖擊頻率變低或不穩(wěn)定。三是鉆桿抖動厲害。處理方法：提動鉆具，再緩慢下放，以較低鉆壓通過該區(qū)。四是孔口不返氣、鉆進緩慢。應反復上下提動鉆具進行周期性碎巖和吹孔工作，將大顆粒巖屑沖成粉末并吹入裂縫中，保證正常鉆進。

（2）送風和停鉆“吹井”。鉆具接近井底0.2～0.3m時送風，待風返回井口后再開車轉動鉆具至井底，潛孔錘工作正常后方可按正常參數(shù)鉆進。鉆進中根據(jù)速度、孔口排屑情況，應適當停鉆“吹井”保持孔內(nèi)清潔，預防潛孔錘活塞被卡住及防止過快磨損內(nèi)缸套和活塞。

（3）注意井底清渣。加鉆桿時不可突然中斷供風，防止?jié)摽族N倒吸巖粉，造成堵塞。合車后，井底沉渣超過0.5m，應先送風清渣方可鉆進；井深超過100m后，每進尺6～9m至少專門清渣一次，確定巖粉全部返出后，方可鉆進，以防造成埋鉆事故。

（4）當巖屑不能順利排出孔外時，需采用泡沫鉆進，應先送風，再泵入泡沫溶液，以防循環(huán)系統(tǒng)堵塞時泡沫劑溶液進入空壓機內(nèi)部造成設備事故。

（5）泡沫劑溶液送量超過30L/min，將影響沖擊器正常工作，應分段清渣。即每進尺3～5m將鉆具提離井底，潛孔錘停止工作，加入泡沫劑溶液，待巖屑清除后，再少送泡沫劑溶液，轉入正常鉆進，以此循環(huán)。

（6）注意鉆頭情況。每次起下鉆時檢查潛孔錘連接、卡銷等關鍵部位，以防潛孔錘零部件脫落井內(nèi)；若一個錘頭不能鉆進到預計井深，應用2個以上相同規(guī)格的錘頭交替使用，防止錘頭長時間磨損導致成孔孔徑不能滿足設計要求。

1.5 鉆進效果

采用潛孔錘快速鉆井技術后，鉆進效率得到大幅度提升，空壓機和沖擊器從中風壓提升到高風壓，效率進一步提高，純鉆時效從常規(guī)鉆進4m/h，提高到80m/h，基本實現(xiàn)200m以內(nèi)的井1d完成鉆孔，2d成井的目標。2016年度實施的民生工程重慶市秀山縣官莊、膏田、峨溶3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的巖溶缺水區(qū)地下水供水示范項目，一臺鉆機僅用時56d，共鉆供水井24口，成井19口，并提前完成鉆探工作，水量50～200m3/d。

2 實現(xiàn)快速鉆井的幾個關鍵技術

空氣潛孔錘鉆進是國內(nèi)目前公認的快速鉆井技術，有成熟的施工工藝。從空壓機、空氣管道、鉆機到?jīng)_擊器均有豐富的生產(chǎn)體系，充分發(fā)揮設備優(yōu)勢，實現(xiàn)快速鉆井，需要解決幾個關鍵技術。

2.1 縮短鉆進過程中的輔助時間

潛孔錘鉆進技術最大的優(yōu)勢就是碎巖效率高，鉆進速度快，但空壓機的功率大，單位時間能量消耗大，沒有合理的工藝配套，鉆進過程中輔助時間長，不僅影響鉆進效率，成本也非常高。

2.1.1 鉆機選擇

我們選用動力頭SL-400水井鉆機，動力頭行程3.5m，單根鉆桿3m，每一回次連續(xù)進尺3m，回次完成后可直接加單根鉆桿，輔助時間短，純鉆時間大大提高。相比常規(guī)鉆進采用的地質(zhì)巖芯鉆機，大大縮短了輔助工作時間，延長了有效鉆進時間。

2.1.2 地面風管

從空壓機出口到鉆機接風口，全部統(tǒng)一快速接頭，地面風管采用軟管加快速接頭，可縮短接風管的時間。

2.1.3 鉆進流程優(yōu)化

機臺人員分工合作，從設備到場后的安裝調(diào)試到鉆進工序，制定優(yōu)化的流程，分工負責，讓機臺每個人對自己的工作和程序熟練掌握，緊密配合，縮短輔助時間。

2.2 復雜地層的鉆進方案

開孔段地層以表土或塊石土為主，直接配偏心潛孔錘跟管鉆具，將表層套管帶到完整基巖后止水。地層破碎帶和溶洞采用偏心潛孔錘跟管鉆具，達到鉆進和套管護壁同時完成。我隊專利技術潛孔沖擊錐能有效解決溶洞等復雜地層的鉆進和護壁問題。

2.3 空壓機和鉆具是提高效率的關鍵

潛孔錘鉆進有低風壓（0.7MPa）、中風壓（1.2MPa）和高風壓(≥2.4MPa）3種，隨著風壓的增加，沖擊功和沖擊頻率均有較大提升，其鉆進效率提升更加明顯。在巖溶找水工作中，采用了3.45MPa的高風壓空壓機和沖擊器，鉆進效率大幅提高。

井內(nèi)采用外平鉆桿，減少因鉆桿接頭處產(chǎn)生空氣渦流造成能量損失，可根據(jù)鉆機能力和鉆孔參數(shù)選擇鉆桿直徑。

3 結語

實現(xiàn)快速鉆進，高風壓潛孔錘是關鍵，通過高效的設備和工藝組合縮短輔助時間，還應根據(jù)不同的地質(zhì)情況配套相應的鉆進工藝，此項技術和配套裝備還可用于礦山救援生命通道的快速鉆進。

[1] 黃彥彬，余立明，靳雙喜.河南省空氣潛孔錘鉆進技術的應用與發(fā)展[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2012，39（1）：37-39，48.

[2] 郭淑娟，邢云虎，康智鵬，等.高風壓潛孔錘鉆進在陽蟒高速公路采空區(qū)治理中的應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2017，44（11）：89-92.

[3] 趙華宣，王玉軍，張平，等.貴州復雜地層深井空氣潛孔錘鉆進設備機具配套的探討[J].西部探礦工程，2016，28（9）：46-48，51.

[4] 伍新民，吳俊賢，易振興，等.氣動潛孔錘鉆進技術在井下大口徑孔施工的應用研究[J].西部探礦工程，2017，29（1）：28-31.

[5] 陳怡.空氣潛孔錘鉆進技術在援豫抗旱找水成井施工中的應用[J].貴州地質(zhì)，2012，29（2）：128-131.

[6] 張永貴.水文鉆探洗井技術革新新進展.[J].西部探礦工程，2017，29（5）：88-89.

[7] 盧予北.空氣潛孔錘在云南紅層中快速鉆井工藝應用研究[J].地質(zhì)與勘探，2011，47（2）：309-315.

[8] 趙建勤，李子章，石紹云，等.空氣潛孔錘跟管鉆進技術與應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，35（7）：55-59.

[9] 楊富春.空氣潛孔錘在水源鉆井中的應用[J].中國煤炭地質(zhì)，2009，21（6）：71-73.