徐世國

（神華神東地測公司鉆探隊 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技術(shù)應(yīng)用

徐世國

（神華神東地測公司鉆探隊 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技術(shù)的特點，分析了空氣潛孔錘跟管鉆進的相關(guān)規(guī)程，詳細說明了空氣潛孔錘鉆進技術(shù)在深厚砂卵石層中的應(yīng)用。

深厚砂卵石層；空氣潛孔錘鉆進技術(shù)；應(yīng)用

隨著經(jīng)濟的快速發(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)勘探大口徑鉆進深厚砂卵石層時，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，其鉆進工效會影響到工程進度。因此，選擇合適的鉆進技術(shù)顯得極為重要，而空氣潛孔錘鉆進技術(shù)則能有效應(yīng)對這個難題。

1 空氣潛孔錘鉆進技術(shù)特點

空氣潛孔錘鉆進是空氣鉆進技術(shù)的組成部分，它是將壓縮空氣作為沖洗介質(zhì)，或同時作為孔底碎巖能量的鉆探方法。它具有如下特點：①鉆進效率高。由于較大的沖擊功和較高的排渣風(fēng)速，無需進行二次破碎；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。實踐證明，與液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進相比，空氣潛孔錘鉆進效率能夠提高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，鉆頭成本低。③鉆進質(zhì)量好。由于鉆具轉(zhuǎn)速低，對孔壁產(chǎn)生沖撞機會小，對孔底進行高頻沖擊，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鉆機性能要求低。潛孔錘鉆進轉(zhuǎn)速較低，克服扭矩較小。這就能夠減少輕鉆機設(shè)備性能要求，從而使大口徑硬巖鉆進等能夠得到應(yīng)用。⑤對生產(chǎn)層影響小。和清水及泥漿鉆進不同，空氣潛孔錘鉆進是以空氣為循環(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得到應(yīng)用。

2 空氣潛孔錘跟管鉆進相關(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行冷卻、排粉，進而實現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進。沖擊器選取是空氣潛孔錘鉆進中的首要問題，沖擊器選擇不當(dāng)會影響鉆進效率及深度，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、板狀閥等進行壓縮空氣的切換，并以交替方式進入前后氣室不斷推動沖錘做往復(fù)運動從而產(chǎn)生沖擊作用。在到達缸體前后死點時，將產(chǎn)生壓力信號進行切換，使得活塞進行換向沖擊。有閥式潛孔錘缸體配氣較為簡單，只需經(jīng)歷進氣及排氣兩個過程。

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，通過沖錘活塞運動實現(xiàn)通道的開啟和關(guān)閉，進而實現(xiàn)對壓縮空氣切換的控制。無閥式潛孔錘缸體配氣分為進氣、排氣、膨脹壓縮三個過程，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動和切換，磨損大、報廢率高，需要進行定期更換，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，具有較強的壓力適應(yīng)性以及良好的工作穩(wěn)定。

2.2 鉆進技術(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)量是保證鉆進的速度及深度的前提條件。廢氣作為潛孔錘工作時的驅(qū)動力，在排到鉆桿及套管之間環(huán)形空間時，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行鉆鑿以及在每回次進尺加長鉆桿進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尺。

2.2.2 鉆壓

潛孔錘在鉆進過程中，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。潛孔錘鉆進時需要加壓，但不能太大。鉆壓過大時，扭矩勢必增加，就會造成鉆具和鉆頭過早磨損及破壞。實踐表明，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

潛孔錘鉆進時，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，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，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，空氣潛孔錘鉆進技術(shù)在應(yīng)用時，需要注意以下技術(shù)要點：①嚴格按照相關(guān)規(guī)范及參數(shù)開展鉆進作業(yè)，不可盲目增加鉆壓以追求進尺，注意觀察空口巖屑情況，及時對鉆進參數(shù)進行調(diào)整，避免由于巖屑產(chǎn)生過多未及時返出導(dǎo)致卡鉆，而影響鉆進工效。在鉆進時如遇較大粒徑巖石，應(yīng)通過搗、打相結(jié)合方式，防止由于強行跟進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.鉆機就位后，需將其墊穩(wěn)，并調(diào)整鉆機，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，并在鉆至卵石層時進行上下往復(fù)的活動；c.用水平尺對下入跟進套管進行反復(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間，開孔時間如果過早，在鉆進時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度尚未達到而產(chǎn)生破壞；開孔時間如果過晚，則可能由于孔周圍水泥強度過高造成跟管鉆進難度的增加，實踐表明，間隔時間宜在6～12d。④由于砂卵石層具有較大的漏失量，因此，需要采取措施護孔。如采用泥漿護壁工藝，不僅塑性漿液量大，而且噴孔時，很容易出現(xiàn)漿液串冒，造成嚴重塌孔，導(dǎo)致成孔率較低。為此，可采用具有良好護孔效果的PVC管護壁，不僅能夠具有較強的抗高壓射流束沖擊性，還不會使擺噴質(zhì)量受到影響。

4 鉆進中注意事項

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

（2）鉆進中要隨時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)立即提鉆進行處理；

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

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

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

（7）下鉆前，要在地表對潛孔錘進行試驗，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)加強對潛孔錘的維護，并保證鉆進所需的風(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)用空氣潛孔錘鉆進技術(shù)，不僅取心質(zhì)量好，還能夠提高鉆進效率、增強護壁效果，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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