張秋冬，吳青松，孟江，申云飛，王俊杰，吳福政

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南 鄭州 450053）

1 前言

施工供水井丼位位于山西省太原市萬柏林區(qū)某山上，井深設(shè)計(jì)800m，下部為煤礦采空區(qū)，開孔即見二疊系基巖地層。使用常規(guī)正循環(huán)泥漿方法施工，一則由于山區(qū)缺水，且施工周期長，成本較高；二則由于下部為煤礦采空區(qū)，且裂隙發(fā)育，可能造成泥漿的大規(guī)模漏失甚至全部漏失，無法正常鉆進(jìn)。

該孔鉆遇地層自上而下分別為：二疊系下石盒子組，主要成分為細(xì)砂巖、粗砂巖夾泥巖及頁巖；石炭系地層，上部為太原組，由砂巖、泥巖夾不均厚煤層、頁巖及石灰?guī)r組成，下部為黃鐵礦、鋁土礦；奧陶系灰?guī)r，分上馬家溝組和下馬家溝組，上部為厚層灰?guī)r、角礫狀泥灰?guī)r夾石膏，下部為白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r夾角礫狀泥灰?guī)r、薄層灰?guī)r。該區(qū)為煤礦采空區(qū)，靜水位埋深500m左右。

根據(jù)鉆遇地層的實(shí)際情況，經(jīng)過綜合分析采用潛孔錘鉆探工藝。

2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此處靜水位埋深較深，500m左右，考慮大揚(yáng)程抽水泵的尺寸及下深，設(shè)計(jì)大口徑開孔，下泵段預(yù)留較充余的套管直徑。具體為：0～150m下入Φ377mm套管，隔開上部砂巖及頁巖；150～500m孔段地層無水且不穩(wěn)定，下Φ325套管，并水泥固井；500m以深儲(chǔ)水段，下入過濾器。鉆孔結(jié)構(gòu)及套管程序見表1。

表1 鉆孔及套管結(jié)構(gòu)表

3 鉆探設(shè)備及主要機(jī)具

根據(jù)地層特點(diǎn)，地下水位埋深情況，設(shè)計(jì)采用潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)施工，當(dāng)空壓機(jī)能力不夠且水量滿足不了要求后采用泥漿常規(guī)鉆探技術(shù)繼續(xù)施工。采用的主要設(shè)備見表2。

理論上，使用該型號(hào)空壓機(jī)在200m左右仍能驅(qū)動(dòng)潛孔錘。

主要機(jī)具如下：

WD350潛孔錘一套（圖1），配備：WD350－350－2釬尾3只、WD350－400錘頭一個(gè)、WD350－350錘頭2個(gè)；JND200－0（11B）潛孔錘一套，配備：JND200－300－0A釬頭一件；Φ377取粉管一條；Φ325取粉管一條；Φ273取粉管一條。

圖1 潛孔錘

圖2 取粉管出渣

4 鉆進(jìn)工藝

潛孔錘鉆探中將巖粉及時(shí)、完全的排出孔外是實(shí)現(xiàn)快速、安全鉆探的前提條件。鉆孔直徑越小，空壓機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓越大，對(duì)排粉就越有利，施工鉆孔就會(huì)越深。但此時(shí)消耗的功率也越大，施工成本就越高。完全靠空壓機(jī)的大風(fēng)量和高風(fēng)壓直接將孔底錘頭破碎的巖屑及時(shí)、全部的排出孔外，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到某一深度或孔徑較大時(shí)就不現(xiàn)實(shí)也不經(jīng)濟(jì)了。

4.1 取粉管技術(shù)應(yīng)用

潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔環(huán)狀空間內(nèi)上返風(fēng)速必須大于巖屑的懸浮速度，要求空壓機(jī)的供風(fēng)量計(jì)算公式如下：

式中：Q－空壓機(jī)的供風(fēng)量，m3／min；

V－上返風(fēng)速，一般取15～25m／s；

D－鉆孔實(shí)際直徑，m；

d－鉆桿外徑，m；

K1－孔深修正系數(shù)，一般孔深在100～200m時(shí)，K1＝1.05－1.1，孔深在500m 時(shí)，K1＝1.25－1.3；

K2－孔內(nèi)有涌水時(shí)的風(fēng)量增加系數(shù)，與涌水量有關(guān)，中小涌水量時(shí)，K2＝1.5。

根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)計(jì)算得出，若實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)，150m孔深時(shí)，需Q≥112m3／min；500m時(shí)，Q≥150 m3／min；700m時(shí)Q≥185m3／min。

可以看出，滿足正常鉆進(jìn)時(shí)，理論上需要較大的供風(fēng)量，現(xiàn)有條件也不允許多臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)，鑒于此種情況，設(shè)計(jì)了取粉管（見圖2）。

根據(jù)上述公式計(jì)算，當(dāng)供風(fēng)量為23.5m3／min且能夠滿足上返風(fēng)速15m／s時(shí)，150m以淺孔段，d（取粉管外徑）≥358mm；500m 以淺孔段，d≥281mm；700m以淺孔段，d≥270mm，即在這三種取粉管與孔壁形成的環(huán)隙中，上返風(fēng)速能夠達(dá)到潛孔錘正常鉆進(jìn)的理論風(fēng)速。故在設(shè)計(jì)的三種不同口徑孔段中分別安裝Φ377、Φ325及Φ273三種型號(hào)的取粉管，保證了孔底巖屑能夠正常的返到取粉管之上，一部分裝入取粉管，由取粉管帶出孔外（見圖3），一部分吹出孔外或者裂隙，保證孔底清潔。

圖3 取粉管帶出的巖粉

潛孔錘鉆探受自身限制，所鉆井孔圓整度不是很高，且鉆進(jìn)過程中，不穩(wěn)定孔段有掉塊，實(shí)際在施工中最大掉塊直徑可達(dá)20cm（見圖4），極大威脅著正常施工。這時(shí)，取粉管肩負(fù)著修正孔壁、攜帶巖粉、截留孔內(nèi)掉塊等的三重作用。取粉管長度一般9m左右，保證導(dǎo)正效果和多裝巖屑。取粉管管壁要厚，保證孔內(nèi)安全。取粉管上、下要焊合金，保證圓孔質(zhì)量。

圖4 取粉管帶出的孔內(nèi)掉塊

4.2 鉆進(jìn)參數(shù)

根據(jù)潛孔錘鉆探的特點(diǎn)，鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓10～20kN，轉(zhuǎn)速10～20rpm。采用鉆機(jī)一檔鉆進(jìn)。

鉆壓過大和過小都會(huì)影響潛孔錘鉆進(jìn)的正常工作。大則會(huì)引起鉆頭的過早磨損，球齒掉落，回轉(zhuǎn)困難；過小將影響沖擊功的有效傳遞。如回轉(zhuǎn)速度低，不僅會(huì)產(chǎn)生重復(fù)破碎，影響效率的提高，而且鉆頭球齒也易發(fā)生鑿入碎巖坑穴中，造成回轉(zhuǎn)困難和鉆頭的損壞。如果回轉(zhuǎn)速度過高，則不僅會(huì)使沖擊碎巖的作用減弱，而且會(huì)造成鉆頭的強(qiáng)烈磨損，使沖擊碎巖轉(zhuǎn)化為切削碎巖，造成效率低、鉆頭磨損嚴(yán)重。

4.3 泡沫劑的使用

當(dāng)巖粉上返困難（主要是孔內(nèi)潮濕巖屑形成泥餅阻塞上返通道），鉆進(jìn)效率降低時(shí)利用高壓管線上的三通，通過高壓泵向孔內(nèi)泵入一定量的泡沫（圖5），消除泥餅阻哽。制造泡沫使用的泡沫劑為十二烷基硫酸鈉。一般在正常鉆進(jìn)幾米后上提活動(dòng)鉆具并同時(shí)泵入泡沫，保證孔底干凈。泡沫劑的濃度一般為0.1～0.3%，加量視地層及孔內(nèi)情況確定，一般為15～30L／min。

圖5 鉆井泡沫

圖6 儲(chǔ)氣包

4.4 設(shè)備連接方式（圖7）

圖7 連接方式示意圖

4.5 鉆頭的使用

該地層鉆進(jìn)，研磨性較強(qiáng)，要兩只鉆頭交替使用，防止鉆頭變小，第二只鉆頭入井困難。

鉆頭柱齒磨損后，使鉆頭齒與巖石的接觸面積逐漸增大，而潛孔錘的單次沖擊功是一定的。這樣，作用在單位接觸面積上的沖擊功將逐漸減少，鉆進(jìn)效率逐漸降低。當(dāng)鉆速下降20%左右時(shí)，就要及時(shí)的修復(fù)鉆頭柱齒，否則，柱齒很快磨平、磨低，失去修復(fù)價(jià)值，并且經(jīng)濟(jì)效益較差。經(jīng)過修磨的鉆頭柱齒，恢復(fù)了齒的球形形狀，保持原有的鉆井效率。

修復(fù)鉆頭柱齒的砂輪，要采用顏色發(fā)綠的合金砂輪。這種砂輪硬度較大，修復(fù)效果較好。修復(fù)時(shí)應(yīng)磨去平面部分，恢復(fù)球形。但球齒的高度以不低于8.5～9.5mm為好。

4.6 操作要點(diǎn)

（1）沖擊器下入應(yīng)先探底，有超過0.5m的沉渣時(shí)，要清孔。鉆進(jìn)時(shí)沖擊器下入距孔底0.3m處應(yīng)先送風(fēng)。停鉆時(shí)稍微提離孔底，排凈巖屑，將立軸提離孔口后，方可停止送風(fēng)，防止埋鉆。

（2）遇潮濕、微滲水地層和粘土地層時(shí)，要少鉆勤吹，防止泥餅阻哽。提鉆遇阻，不可強(qiáng)提，可通過以下方法解決：

① 從鉆桿內(nèi)灌入泡沫劑，0.3～0.5m3／次；

②從孔口灌入清水；

③ 上下竄動(dòng)鉆具，堅(jiān)持回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；

④多回次強(qiáng)力送風(fēng)清孔。

（3）回次進(jìn)尺量視取粉管內(nèi)沉淀的巖屑量而定。第一個(gè)回次起鉆后，若取粉管不滿，下個(gè)回次可適當(dāng)增加進(jìn)尺量，若滿，適當(dāng)減少進(jìn)尺量?？變?nèi)沉渣不能超過2m，要勤起鉆總結(jié)合理的回次進(jìn)尺，謹(jǐn)防貪快，少起鉆，造成孔內(nèi)事故。

5 套管技術(shù)

套管技術(shù)是水井鉆井成井中的重要工序。它起到隔開非取水層和穩(wěn)定孔壁的作用。由于要安裝抽水設(shè)備，要求套管直徑較大；受地下水位的影響，下置較深位置。

該孔480m以淺鉆孔直徑350mm，套管直徑325mm，環(huán)空間隙12.5mm；480～700m孔段，鉆孔直徑300mm，套管直徑273mm，環(huán)空13.5mm。兩級(jí)套管與各自孔壁之間的間隙均較小。如果采用常規(guī)接箍焊接的方式連接，套管無法下入。只有直接對(duì)焊連接下管。要求每根套管連接的直度都很高，否則也無法下入，特別是長丼段連續(xù)下管。

為了保證每根套管連接的垂直度，將入井套管兩端上車床重新修正，保證兩個(gè)斷面水平。修正的同時(shí)，為了保證焊接強(qiáng)度，均打坡口。

套管提吊采用在套管上割孔穿杠子的方法。焊接完成抽出杠子，再將孔焊堵牢固。

兩級(jí)套管重疊10m以上，重疊部分用止水材料封閉。第二級(jí)套管通過正反絲接頭用鉆桿下放到位。到位后倒出鉆桿和接頭。

6 鉆探效率與效益分析

6.1 效率分析

一開孔徑為Φ400mm，0～48m平均時(shí)效3m／h。巖屑直接吹出孔外。由于沒有跟進(jìn)Φ377mm取粉管，致使鉆孔不圓整，當(dāng)加Φ377mm取粉管時(shí)出現(xiàn)下不去。隨改用Φ350mm錘頭＋Φ325mm取粉管鉆進(jìn)（該孔段下入Φ325mm套管），即提前二開。48～300m時(shí)效一般2.5～3m／h。偶爾不到1m／h，分析原因發(fā)現(xiàn)：有時(shí)為鉆頭磨損，這時(shí)用合金砂輪對(duì)錘頭合金修復(fù)后，鉆探效率回復(fù)到正常；有時(shí)是孔底重復(fù)破碎造成的，這時(shí)活動(dòng)鉆具并泵入泡沫可恢復(fù)正常鉆進(jìn)。300～480m時(shí)效一般1～1.5m／h。有時(shí)可達(dá)4～5m／h，分析原因?yàn)樵摱斡辛严?，巖屑吹入裂隙，孔底干凈。三開480～700m孔段孔徑為Φ300mm。采用Φ300mm錘＋Φ273mm取粉管鉆進(jìn)（該段下入Φ273mm套管）。480～600m孔段鉆探效率一般2～2.5m／h，有裂隙段可達(dá)3～4m／h。600～630m時(shí)效為1～1.5m／h，630～700m時(shí)效急劇下降，接近700m時(shí)一般0.3～0.5m／h。降低的原因是孔內(nèi)水頭壓力過大造成的。由于靜水位埋深500m，雖然不停的泵入泡沫，但還是極大的影響了潛孔錘的正常工作。這一孔深也基本達(dá)到了該型號(hào)空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)潛孔錘的工作極限。

隨孔深變化鉆進(jìn)速度變化見圖8。

6.2 效益分析

圖8 鉆進(jìn)速度曲線圖

此井位于煤礦采空區(qū)半山坡上，地層較為復(fù)雜，缺水、泥漿漏失、掉塊等客觀存在，且交通不便，若用常規(guī)正循環(huán)泥漿方法施工，難度非常大，施工周期長（一般3～4個(gè)月），成本較高（堵漏、護(hù)壁、拉水等）。且泥漿還污染地層，造成洗井困難，影響出水量。

而該井采用潛孔錘方法施工，共28天的純鉆時(shí)間即完工，洗井只用了一個(gè)小時(shí)即水清砂凈，出水量50m3／h，單涌達(dá)到2.5。出水量也反映了本區(qū)地層的真實(shí)賦水情況。

6 結(jié)論

（1）潛孔錘方法鉆進(jìn)速度高，施工周期短，不用水或用水極少，是在缺水山區(qū)水井施工的首選方法；

（2）在大口徑潛孔錘施工時(shí)，加入取粉管，可較好地解決風(fēng)量不足引起的排渣難題，同時(shí)兼顧修正孔壁的作用；

（3）取粉管上部要有“馬蹄”口，防止孔內(nèi)探頭石等的影響造成起鉆困難；

（4）鉆進(jìn)中遇到巖屑上返困難，可從鉆桿向井內(nèi)打入泡沫劑，一般為15～30L／min為宜；

（5）每層套管都要安放到穩(wěn)定巖面上，預(yù)防套管事故，并預(yù)留一級(jí)套管程序；

（6）錘頭合金要及時(shí)修復(fù)，錘頭要交替使用，防止孔徑變小，更換錘頭后無法正常下鉆。

（7）長丼段下管時(shí)，入井套管兩端要上車床修正。保證套管串的垂直度。

［1］耿瑞倫，陳星慶等.多工藝空氣鉆探［M］.北京：地質(zhì)出版社，1995.

［2］河南省地質(zhì)工程公司.山西省太原狼坡生態(tài)園區(qū)供水井工程竣工報(bào)告［R］.河南鄭州，2011.