郝文奎，宋宏兵，康 亢，王樹鋼，鄭肖亮

(河北騰飛太行井業(yè)有限公司，河北邯鄲056400)

0 引言

在水井鉆探施工中，傳統(tǒng)的鉆鋌加壓、牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)工藝，300～350 m的井需要1個(gè)月左右的時(shí)間完成。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量越來(lái)越大，水井越鉆越深，如山西部分地區(qū)的水井都在800 m左右。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，傳統(tǒng)的施工工藝已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高速鉆井的需求，同時(shí)施工受到地層、泥漿及一些機(jī)械設(shè)備的制約，經(jīng)常出現(xiàn)以下問(wèn)題。

(1)在施工中常出現(xiàn)掉塊卡鉆、坍塌埋鉆、巖粉過(guò)多沉淀造成埋鉆等井內(nèi)事故。

(2)施工成本越來(lái)越高，利潤(rùn)越來(lái)越低。

(3)施工周期長(zhǎng)，效率低。

(4)取水目的層為砂巖裂隙水的水井施工，容易被泥漿堵塞出水通道，影響出水量。

(5)進(jìn)入奧陶系后使用泥漿堵漏困難，即使堵漏成功，成井后的洗井工作也是難點(diǎn);清水鉆進(jìn)巖粉排出困難，大漏護(hù)孔容易堵塞出水通道，而且無(wú)法保證出水量。

(6)地質(zhì)勘探孔取心效率低。

(7)一些人飲解困水井和抗旱打井項(xiàng)目，往往地處偏遠(yuǎn)，干旱缺水，連基本的人畜飲水都得不到保證，施工供水難以解決，項(xiàng)目施工難度大。

為了解決上述施工問(wèn)題，我公司經(jīng)過(guò)調(diào)研和研究，結(jié)合自身實(shí)際情況，引進(jìn)了氣動(dòng)潛孔錘和氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)2種高效鉆進(jìn)工藝，應(yīng)用實(shí)踐證明，這2種鉆進(jìn)工藝具有以下優(yōu)越性。

(1)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝“小鉆壓，低鉆速”的特點(diǎn)，以及氣舉反循環(huán)“孔底加壓，懸垂鉆進(jìn)”的方法，使得鉆孔的垂直度都比較好，通常情況下鉆孔孔斜≯0.5°/100 m，下管時(shí)，能夠減少擴(kuò)孔和驗(yàn)孔工序，保證井壁管能順利下入，縮短輔助施工時(shí)間。

(2)降低材料消耗，提高鉆進(jìn)效率，縮短成井周期，經(jīng)濟(jì)效益高。

(3)以空氣為沖洗介質(zhì)，施工用水很少或不用水，對(duì)于一些無(wú)供水條件的工程可以正常施工，易坍塌地層能夠快速通過(guò)，降低井內(nèi)事故發(fā)生率，保證工程質(zhì)量。

(4)兩者都具有鉆洗結(jié)合的特點(diǎn)，尤其是氣舉反循環(huán)工藝，清水鉆進(jìn)，無(wú)需堵漏，其鉆進(jìn)過(guò)程就是一個(gè)洗井的過(guò)程，不易堵塞出水通道，最大限度保證出水量。

(5)多工藝空氣鉆進(jìn)孔底干凈，不存在重復(fù)破碎，鉆頭壽命長(zhǎng)，攜帶巖粉顆粒大，最大可達(dá)20 mm×20 mm×30 mm，在一些地質(zhì)孔的施工中可代替取心鉆進(jìn)，大大縮短施工時(shí)間。

實(shí)踐表明，多工藝空氣鉆進(jìn)能彌補(bǔ)常規(guī)鉆進(jìn)技術(shù)的缺陷和不足，縮短成井周期，提高市場(chǎng)占有份額和經(jīng)濟(jì)效益，是經(jīng)濟(jì)適用的鉆探技術(shù)。

1 多工藝空氣鉆進(jìn)在施工中的運(yùn)用及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

1．1 黎城縣地?zé)崽讲山Y(jié)合井施工(同孔組合施工)

1．1．1 基本情況

山西省黎城縣地?zé)峋讲山Y(jié)合井，設(shè)計(jì)深度2000 m，無(wú)施工供水水源。上部煤系地層采用氣動(dòng)潛孔錘施工工藝，施工至241 m，揭露灰?guī)r地層，下入井壁管后繼續(xù)潛孔錘施工至266 m，因249 m后地層出水(水量達(dá)到1900 m3/d)，空壓機(jī)施工困難，且水位在120 m，根據(jù)沉沒(méi)比計(jì)算，適合氣舉反循環(huán)施工，無(wú)需進(jìn)行堵漏，采用295、245和152 mm反循環(huán)三牙輪鉆頭，氣舉反循環(huán)施工至2098.95 m，順利竣工。圖1為該工程施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 黎城縣地?zé)崽讲山Y(jié)合井現(xiàn)場(chǎng)

1．1．2 取得的成果

(1)氣動(dòng)潛孔錘施工順利通過(guò)上部煤系地層，平均鉆進(jìn)時(shí)效6 m，最高時(shí)效10 m。

(2)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)，灰?guī)r地層平均時(shí)效達(dá)3.5 m，最高達(dá)6 m;石英巖地層施工平均時(shí)效達(dá)1.3 m，最高時(shí)效達(dá)2 m，而正循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)石英巖平均時(shí)效＜0.2 m;施工過(guò)程中因井內(nèi)有水，不用尋找外部供水水源，依靠井內(nèi)水源即可正常施工。

(3)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)，牙輪鉆頭壽命長(zhǎng)，提鉆間隔時(shí)間長(zhǎng)，一般每100 m提鉆檢查一次。

(4)奧陶系地層漏失嚴(yán)重，采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，無(wú)需堵漏即可正常鉆進(jìn)，節(jié)省泥漿材料和洗井材料，安全高效。

1．2 山西省和順縣正邦良順煤礦水源井施工

1．2．1 基本情況

2013年，山西省和順縣正邦良順煤礦，欲施工一口設(shè)計(jì)深度950 m的水井，預(yù)計(jì)靜止水位埋深＞600 m，工期要求60 d?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)供水水源，若采用運(yùn)水施工，最近的供水水源約10 km，費(fèi)用消耗很高，而且在離該處約3 km遠(yuǎn)的地方有一臺(tái)鉆機(jī)采用運(yùn)水泥漿工藝施工，結(jié)果在鉆遇泥灰?guī)r和厚層角礫巖時(shí)發(fā)生了坍塌埋鉆事故。因此我們研究決定采用氣動(dòng)潛孔錘和牙輪組合工藝施工，施工現(xiàn)場(chǎng)見圖2。

圖2 山西省和順縣正邦良順煤礦水源井施工現(xiàn)場(chǎng)

1．2．2 施工過(guò)程

上部地層采用氣動(dòng)潛孔錘施工工藝，空壓機(jī)為PDSJ750/H850型，305 mm錘頭，施工至700 m，其中水下施工85 m，下入273 mm井壁管，之后采用清水牙輪鉆頭鉆進(jìn);該工程最終施工歷時(shí)45 d，成井深度966 m，其中氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝施工700 m，用時(shí)14 d，下管、固井9 d;牙輪正循環(huán)鉆進(jìn)施工266 m，用時(shí)15 d，工程竣工后，得到了甲方的高度贊揚(yáng)。

1．2．3 施工效率及費(fèi)用對(duì)比(見表1)

表1 和順井施工效率及費(fèi)用對(duì)比

1．3 山西省太谷縣西山底地?zé)崽讲删┕?/h3>

1．3．1 基本情況

2011年施工太谷西山底地?zé)崽讲删?，設(shè)計(jì)井深2000 m，設(shè)計(jì)水量20 m3/h，水溫42～45℃，是山西省第一口砂巖熱水井。取水目的層為砂巖裂隙水，相比巖溶水，裂隙水為相對(duì)弱含水層，極易被泥漿堵塞出水通道。若取水目的層地層仍然采用泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)工藝，可能會(huì)造成水量不足，甚至無(wú)水的結(jié)果，因此甲方要求取水目的層必須使用清水鉆進(jìn)，不能采用泥漿施工。我單位采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行施工，滿足甲方要求。

1．3．2 施工過(guò)程

0～997m，覆蓋層，采用牙輪鉆頭正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，進(jìn)入砂巖地層后換用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，用245 mm反循環(huán)牙輪鉆頭，鉆進(jìn)至1130 m處有泥巖巖粉排出，施工較為正常，正常循環(huán)壓力隨雙壁鉆具的增加而增加，繼續(xù)鉆進(jìn)至1134.3 m時(shí)，排渣口只返氣，不返巖粉和水，提鉆檢查后發(fā)現(xiàn)鉆桿內(nèi)無(wú)水，上返巖粉通道被泥塊堵塞。

分析原因?yàn)?泥巖泥質(zhì)含量高且層厚，遇水后易膨脹崩解，造成鉆頭堵塞。

針對(duì)上一趟鉆進(jìn)出現(xiàn)的問(wèn)題，我們?cè)谥鲃?dòng)鉆桿和雙壁鉆桿之間加接了一個(gè)正循環(huán)堵頭，將雙壁環(huán)狀間隙封閉，返渣管與泥漿泵對(duì)接，改反循環(huán)為正循環(huán)，送清水鉆穿鉆進(jìn)至1146 m，通過(guò)厚層泥巖井段后，反循環(huán)鉆進(jìn)至1854 m，終孔。

1．3．3 效果對(duì)比

施工結(jié)束后，進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，水量達(dá)到80 m3/h，水溫51.2℃。同樣在離該地?zé)峋? km處的另一口砂巖井，采用泥漿護(hù)壁正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，施工至1800 m時(shí)進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，結(jié)果無(wú)水，加深至2400 m后，進(jìn)行抽水試驗(yàn)，水量達(dá)到40 m3/h。對(duì)比2口井，充分體現(xiàn)出氣舉反循環(huán)施工工藝在取水目的層為砂巖裂隙水的深井施工中的優(yōu)勢(shì)，保證不堵塞出水通道，最大限度地保證出水量。施工結(jié)束后甲方(山西省第三地質(zhì)工程勘察院)和業(yè)主對(duì)該工程給予了高度評(píng)價(jià)。

1．3．4 施工效率及費(fèi)用對(duì)比(見表2)

表2 施工效率及費(fèi)用對(duì)比

2 多工藝空氣鉆進(jìn)施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)

2．1 氣舉反循環(huán)工藝

2．1．1 沉沒(méi)比的計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)值

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)沉沒(méi)比:

式中:a——沉沒(méi)比;hs——水下雙壁鉆桿長(zhǎng)度，m;hd——水上雙壁鉆桿長(zhǎng)度，m。

根據(jù)我們的施工經(jīng)驗(yàn)，雙壁鉆桿下深與井深的比例可達(dá)1∶7.3，即450 m雙壁鉆桿可施工3200 m的深井，且反循環(huán)鉆進(jìn)只適于井內(nèi)有水且水位深淺適當(dāng)?shù)纳罹┕?，不適于水位較深井的施工。若井內(nèi)無(wú)水，即無(wú)正常靜止水位，使用反循環(huán)鉆進(jìn)工藝時(shí)必須從外部連續(xù)不斷地向井內(nèi)注水，使得注入井內(nèi)的水量，大于等于氣水混合液攜帶出的水量，才能保證沉沒(méi)比及正常鉆進(jìn);若井內(nèi)有正常靜止水位但水位太深時(shí)，這種情況就必須增加雙壁鉆桿的長(zhǎng)度或者大量向井內(nèi)注水，使水位上升，以此保證沉沒(méi)比及正常鉆進(jìn)，但這樣會(huì)增加施工費(fèi)用。

2．1．2 鉆進(jìn)過(guò)程中的技術(shù)措施

(1)鉆進(jìn)過(guò)程中要時(shí)常注意觀察水位的變化以及巖粉、井水的上返情況，巖粉上返顆粒變小、井水上返量變少以及空壓機(jī)壓力降低時(shí)要及時(shí)更換密封圈。

(2)反循環(huán)鉆進(jìn)施工中接單根時(shí)，必須先排盡鉆桿內(nèi)巖粉，以防巖粉沉淀堵塞鉆桿，再次鉆進(jìn)時(shí)形不成反循環(huán)。

(3)在以砂巖為取水目的層的水井施工中，由于裂隙水的出水量遠(yuǎn)小于巖溶水的出水量，極易阻塞出水通道，針對(duì)此情況，可以在回灌的循環(huán)渠中間建一個(gè)小型沉淀池，讓一些不能由振動(dòng)篩過(guò)濾的細(xì)小顆粒沉淀在池內(nèi)，不再進(jìn)入井內(nèi)，以此保證出水量。

(4)反循環(huán)施工時(shí)，進(jìn)尺過(guò)快，每小時(shí)超過(guò)6 m，牙輪破碎基巖速度大于巖粉上返速度，容易造成巖粉堵鉆桿事故，不能正常鉆進(jìn)，此時(shí)要適當(dāng)控制鉆進(jìn)速度。

(5)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)過(guò)程中，孔內(nèi)若出現(xiàn)異?？赏ㄟ^(guò)正循環(huán)堵頭連接，迅速實(shí)現(xiàn)正反循環(huán)互換，施工工法靈活。

(6)反循環(huán)鉆進(jìn)也有其缺點(diǎn)，比如，反循環(huán)鉆進(jìn)工藝不適合厚層泥巖地層的施工(如山西三疊系和尚溝組，泥巖厚度約175 m)，容易造成牙輪上返通道堵塞，形不成反循環(huán)。

2．2 氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝

(1)采用的空壓機(jī)為PDSJ750/H850型，單機(jī)風(fēng)量21.2～24 m3/min，最大風(fēng)壓1.72～2.07 MPa;受空壓機(jī)限制，在同等條件下，為了能正常施工，井深＞50 m，孔徑在200 mm以上，每進(jìn)尺6～9 m至少要專門清渣一次，井內(nèi)巖粉不得超過(guò)500 mm，以防井孔內(nèi)儲(chǔ)存過(guò)多巖屑，造成埋鉆事故。若井徑＞300 mm，風(fēng)量嚴(yán)重不足，可考慮加入泡沫劑，泡沫鉆進(jìn)時(shí)，先送風(fēng)，再泵入泡沫溶液，以防循環(huán)系統(tǒng)堵塞、泡沫劑溶液進(jìn)入空壓機(jī)內(nèi)部造成設(shè)備事故。如泡沫鉆進(jìn)無(wú)法清除巖屑，則可在潛孔錘上部加帶取粉管，以取粉管的容積大小來(lái)確定回次進(jìn)尺深度。

(2)鉆具連接主動(dòng)鉆桿后即送風(fēng)，待風(fēng)返出井口后再開車轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，掃到井底，潛孔錘正常工作后方可按正常參數(shù)鉆進(jìn)。接單根時(shí)把鉆具提離井底，主動(dòng)鉆桿拉出井口后方可停風(fēng)、加鉆桿。

(3)當(dāng)?shù)貙右陨皫r為主且厚度較大時(shí)，一個(gè)潛孔錘錘頭很難鉆進(jìn)到預(yù)計(jì)井深，需用2個(gè)以上相同規(guī)格的錘頭且有公差區(qū)別排隊(duì)使用。

(4)針對(duì)在上提鉆具過(guò)程中若停止送風(fēng)后鉆具提不動(dòng)的現(xiàn)象，可加工一鉆桿接頭，接頭上口封閉，側(cè)面打開一個(gè)送氣孔，起鉆時(shí)直接將送風(fēng)接頭與鉆桿連接，邊送風(fēng)邊起鉆，解決了因不能加主動(dòng)鉆桿而不能送風(fēng)起鉆的難題。

(5)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速以15～40 r/min為宜，地層越硬，轉(zhuǎn)速應(yīng)越低，防止鉆頭還未沖擊破碎巖石即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)切削，將錘頭合金折斷。

(6)對(duì)于經(jīng)濟(jì)實(shí)力有限的井隊(duì)，無(wú)法多臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)使用，施工過(guò)程中可在潛孔錘上部加取粉管，通過(guò)頻繁提鉆來(lái)達(dá)到施工目的，這是一種行之有效的方法，但孔深較大時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度也增大。

(7)施工過(guò)程中，孔徑＞305 mm或遇水后施工難度加大，空壓機(jī)油耗高，在井孔設(shè)計(jì)沒(méi)有特殊要求時(shí)，可適當(dāng)減小施工口徑，以不影響下入潛水泵為宜。

3 結(jié)語(yǔ)

我公司通過(guò)引進(jìn)多工藝空氣鉆進(jìn)，施工技術(shù)取得了很大的突破，而且業(yè)務(wù)領(lǐng)域逐漸拓寬，經(jīng)濟(jì)效益有了很大提高。有了技術(shù)支撐，很多以前沒(méi)有施工能力的工程，現(xiàn)在都可以采用新工藝去競(jìng)爭(zhēng)完成。特別在一些無(wú)供水條件、工期要求短的工程。

隨著鉆探行業(yè)的發(fā)展，尤其是解決干旱缺水地區(qū)水井鉆探以及地?zé)峋@探技術(shù)長(zhǎng)期存在的若干難題，傳統(tǒng)的泥漿正循環(huán)工藝已不能完全滿足施工要求，多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，為解決這些難題提供了一種先進(jìn)有效的技術(shù)手段。目前，氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)和氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的優(yōu)越性已被大家所公認(rèn)。

總之，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的社會(huì)環(huán)境背景下，通過(guò)引進(jìn)新技術(shù)，開源節(jié)流，提高效率，才能最大限度的創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)利益，才能讓企業(yè)不斷發(fā)展壯大，立于不敗之地。

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