肖明　施濤

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

【關(guān)鍵詞】空氣潛孔錘；灰?guī)r；鑿井；施工

0.引言

地下水的開(kāi)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(guó)際上常規(guī)鉆井方法，但技術(shù)和工藝上仍存在不足。其是以壓縮空氣作為動(dòng)力來(lái)破碎巖石，作為循環(huán)介質(zhì)來(lái)洗孔、冷卻鉆頭，將巖屑從孔底帶出孔外的鉆進(jìn)方法。它有以下特點(diǎn)：①鉆進(jìn)效率高。產(chǎn)生的主要原因一是純鉆時(shí)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(shí)間。二是鉆孔內(nèi)無(wú)液柱的靜壓力，使鉆頭下的巖石在地層的“反壓差”效應(yīng)作用下以最大限度釋放殘余應(yīng)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(jìn)效率。

同時(shí)，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(méi)有重復(fù)破碎現(xiàn)象。②能延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，一個(gè)鉆頭在灰?guī)r中鉆進(jìn)可超過(guò)1000米，鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)地層幾乎沒(méi)有污染，不但避免反復(fù)洗井過(guò)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(duì)較大。③鉆進(jìn)過(guò)程中幾乎用不到?jīng)_洗液，避免了在缺水地區(qū)施工對(duì)水的依賴，減少了水的浪費(fèi)和對(duì)地層的污染。④鉆探成本低，大約為常規(guī)鉆進(jìn)費(fèi)用的50%。在干旱缺水地區(qū)，采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝可以提高鉆進(jìn)效率、降低成本、縮短施工周期。

1.空氣潛孔錘鑿井應(yīng)用由來(lái)

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(yán)重旱災(zāi)。為打贏抗旱救災(zāi)攻堅(jiān)戰(zhàn)，繼2010年抗旱打井之后，云南省國(guó)土資源廳組織開(kāi)展了地下找水探采井實(shí)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(gè)州市，91個(gè)縣市區(qū)631萬(wàn)人受災(zāi)。我院為履行“地下找水，共保民生”的使命，特意購(gòu)買了一套空氣潛孔錘鉆探設(shè)備加入到抗旱突擊行動(dòng)中，期望能發(fā)揮其優(yōu)越性，共保民生，共抗災(zāi)害。

本次購(gòu)買空氣潛孔錘鉆探設(shè)備參數(shù)見(jiàn)下表1.1

表1.1鉆探設(shè)備參數(shù)

2.施工中遇到的工程問(wèn)題及解決方法

本次潛孔錘鉆機(jī)所鑿的4口井的地層上部為填土、第四系粘土或粉質(zhì)粘土，厚度為5.2米至32米；下伏厚度超過(guò)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(yán)重缺水的地方，解決了沒(méi)有施工用水的問(wèn)題。在高效率方面，一個(gè)班可以鑿60多米。但也碰到了不少問(wèn)題。

2.1土層較厚帶來(lái)的施工困難

在昆明七甸施工的一口井，該處0～17米為壓實(shí)填土，17～32米為粉質(zhì)粘土，土層較厚，壓實(shí)填土內(nèi)存在漏風(fēng)，回填塊石卡鉆問(wèn)題；粉質(zhì)粘土內(nèi)存在粘土淤積不排，包裹錘頭問(wèn)題。進(jìn)尺困難且存在風(fēng)險(xiǎn)，后換攪土鉆頭采用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)，遇到漏水段則回填粘土以封堵，雖然進(jìn)尺慢，但是安全鉆穿土層，下管到位。結(jié)合幾口井的經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)至預(yù)定深度，不過(guò)應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注井口的通風(fēng)排渣問(wèn)題，不貪進(jìn)尺，遇到情況立刻提鉆。

2.2基巖破碎段

潛孔錘破碎段鉆進(jìn)時(shí)，錘頭錘擊不平穩(wěn)，鉆具旋轉(zhuǎn)阻力也較大，此時(shí)應(yīng)慢轉(zhuǎn)速，減壓鉆進(jìn)，這樣即保證了破碎段井孔的偏斜，又確保了施工安全。鉆進(jìn)中應(yīng)少進(jìn)尺，多提鉆通風(fēng)，直到上下鉆都順利時(shí)方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，沖擊破碎的巖石顆粒較大，反復(fù)的排渣沖刷會(huì)破壞破碎段巖石的穩(wěn)定性，極易引發(fā)掉塊卡鉆問(wèn)題。如在文山大麥沖鑿井施工中，在提升鉆桿至85米時(shí)，發(fā)生掉塊卡鉆，提升十分困難，此時(shí)采用加鉆桿向下反復(fù)活動(dòng)，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(jìn)過(guò)程中最怕遇到溶洞，溶洞的外硬內(nèi)軟結(jié)構(gòu)極易造成潛孔錘打偏下不了管，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，漏風(fēng)，掉塊經(jīng)常存在，當(dāng)遇到溶洞時(shí)候，進(jìn)尺要求很慢，反復(fù)鉆進(jìn)。為控制斜度，鉆進(jìn)時(shí)以最慢轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，進(jìn)入溶洞內(nèi)可不回轉(zhuǎn)，直到遇見(jiàn)巖石后方可慢速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。對(duì)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(dāng)鉆進(jìn)過(guò)程中遇到掉鉆，井口還能反空氣，則說(shuō)明溶洞小，和外界連通差，還可以繼續(xù)鉆進(jìn)。當(dāng)然，也有可能是有充填物的大溶洞，這時(shí)要靠返出的物質(zhì)來(lái)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(yán)重的情況下建議移孔。

2.4孔斜問(wèn)題

在施工過(guò)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(jìn)時(shí)，由于巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，構(gòu)造作用強(qiáng)，造成巖體的破碎不均勻，鉆進(jìn)過(guò)程中極易造成孔斜?？偨Y(jié)控制鉆孔偏斜要點(diǎn)如下：

（1）鉆機(jī)固定時(shí)，塔架應(yīng)該用水平卡尺來(lái)調(diào)節(jié)垂直，并且每天開(kāi)工前都應(yīng)該再次校對(duì)，確保塔架的垂直度，當(dāng)下完套管繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，可以選擇對(duì)中下鉆。

（2）鉆機(jī)動(dòng)力頭滑道每天上鈣基油潤(rùn)滑，鏈條每天上機(jī)油潤(rùn)滑，滑輪與滑道之間的間隙不能太大，當(dāng)發(fā)現(xiàn)動(dòng)力頭滑塊磨碎嚴(yán)重，動(dòng)力頭上下移動(dòng)擺動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)該更換滑塊。

（3）開(kāi)孔時(shí)候不可回轉(zhuǎn)鉆具，不管是在基巖上開(kāi)孔還是在土層上開(kāi)孔，都應(yīng)該垂直鉆進(jìn)一定深度后再回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，確保開(kāi)孔就正。

（4）鉆進(jìn)過(guò)程中，無(wú)論采用何種鉆進(jìn)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(yīng)該減壓小進(jìn)尺鉆進(jìn)；鉆速不應(yīng)太快，鉆進(jìn)正常時(shí)候采用2檔慢速93r/min，遇到破碎段，或者鉆進(jìn)深度過(guò)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(gòu)造發(fā)育地段，往往沒(méi)有導(dǎo)向性，極易造成鉆孔的偏斜。采用加導(dǎo)正鉆桿作為扶正器來(lái)加以控制，在設(shè)備孔口處加設(shè)限制鉆桿擺動(dòng)的裝置來(lái)控制了孔斜。

2.5不排渣問(wèn)題

在鉆進(jìn)過(guò)程中，時(shí)常會(huì)遇到有進(jìn)尺但不排渣現(xiàn)象，不排渣有兩種：一個(gè)是漏氣不排渣，一個(gè)是巖粉含少量水份不排渣。

漏氣不排渣很危險(xiǎn)，巖粉過(guò)多很可能造成埋鉆事故?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員遇到漏氣不排渣現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)及時(shí)停止鉆進(jìn)，但須保證通風(fēng)，仔細(xì)查明井口返氣大小，返渣情況，若是無(wú)風(fēng)無(wú)渣，應(yīng)及時(shí)提桿再做處理；若是稍微漏風(fēng)，返渣少，可來(lái)回多提幾次鉆桿幫助排渣，看到排渣差不多時(shí)可小心繼續(xù)鉆進(jìn)，嘗試一根桿，少進(jìn)尺多提桿排渣，若排渣仍不順，應(yīng)考慮提桿處理。漏風(fēng)最直接的辦法就是下管，實(shí)例：丘北樹(shù)皮鄉(xiāng)水井鉆進(jìn)到120米開(kāi)始有漏風(fēng)，但可排渣，嘗試打至125米后風(fēng)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(fēng)后巖粉全部排出。

在本次抗旱過(guò)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(jìn)時(shí)由于有風(fēng)壓機(jī)提供一定溫度的風(fēng)沖刷井孔，很難看出有水的痕跡，但當(dāng)?shù)诙煜裸@時(shí)候，往往能夠排出5～10升水來(lái)，潤(rùn)濕孔壁，在繼續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中，由于巖粉與水結(jié)合形成巖粉顆?；蛘邘r粉塊，當(dāng)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(huì)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(fēng)問(wèn)題，所以向孔內(nèi)加足夠量的水，把巖粉塊軟化，在空壓機(jī)工作下足夠把巖粉排出，但是處理要及時(shí)，且必須是孔內(nèi)不漏風(fēng)，否則可溶巖膠結(jié)后，加水反而適得其反。實(shí)例：丘北縣樹(shù)皮鄉(xiāng)矣得村水井在下套管至125米，往下鉆進(jìn)過(guò)程中，未遇到漏風(fēng)現(xiàn)象，但是巖粉排出量明顯不足，后決定提桿通風(fēng)多吹，在提至套管內(nèi)被卡死，上下不能，觀察井口通風(fēng)正常，于是決定向井內(nèi)灌水直到井口，開(kāi)空壓機(jī)通風(fēng)后水流帶著巖粉排出，卡鉆消除。

針對(duì)排渣困難問(wèn)題，可以嘗試添加泡沫劑，對(duì)排渣困難問(wèn)題應(yīng)該會(huì)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(lái)說(shuō)，下套管很困難。一個(gè)原因在于孔壁不光滑，另一個(gè)原因在于孔的斜度難以控制。

針對(duì)以上難題，我們采取的辦法是，在盡量控制孔斜度的基礎(chǔ)上，我們用大口徑錘頭開(kāi)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(zhǎng)的鉆具先修孔，再下套管。用此方法，往往都能順利下到位。實(shí)例：丘北縣樹(shù)皮鄉(xiāng)矣得村水井，在保證孔正的基礎(chǔ)上，0～41米用Φ305開(kāi)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(shí)，未出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象。

對(duì)于下套管，還應(yīng)該注意一些問(wèn)題。潛孔錘所打的井，孔壁的光滑度與垂直度都不太樂(lè)觀，所以下套管應(yīng)該以套管的自由下落和小角度的旋轉(zhuǎn)來(lái)下管，采取暴力強(qiáng)硬下管，往往會(huì)造成工程事故。

3.工程中的注意事項(xiàng)

（1）鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)該時(shí)刻關(guān)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(fēng)排渣情況。做到時(shí)刻關(guān)注，及時(shí)處理。

（2）對(duì)管井結(jié)構(gòu)要提前有所規(guī)劃，并根據(jù)工程實(shí)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(guò)快磨損內(nèi)缸套和活塞；鉆孔較深時(shí)，由于錘頭外側(cè)的空氣還有一定壓力，卸鉆桿絲扣時(shí)應(yīng)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(guò)0.5m時(shí)，要先送風(fēng)清渣，然后再正常鉆進(jìn)。

（5）每回次結(jié)束，要及時(shí)檢查潛孔錘，如絲扣連接部位及鉆頭卡銷等關(guān)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(hù)；鉆機(jī)，空壓機(jī)空氣濾芯要每天清理，設(shè)備要每天清潔維護(hù)。

4.結(jié)語(yǔ)

潛孔錘井相比傳統(tǒng)鑿井設(shè)備在鉆進(jìn)效率、鉆井成本等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，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(guò)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(wèn)題，但通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，找出解決方法，不斷改進(jìn)，我們認(rèn)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(yīng)用。