鄺光升，任良治，羅中良,帥 松

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

近年來(lái)，重慶市地勘局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)總結(jié)了常規(guī)巖芯鉆進(jìn)工藝用于巖溶找水的不足，采用空氣潛孔錘快速鉆進(jìn)工藝，將空氣壓力從中風(fēng)壓改進(jìn)為高風(fēng)壓，總結(jié)出幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，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(xiàng)目實(shí)施情況

重慶市巖溶石山地區(qū)缺水情況嚴(yán)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(huì)遇溶洞等巖溶復(fù)雜情況。

2013年，208地質(zhì)隊(duì)開(kāi)始承擔(dān)巖溶缺水區(qū)找水勘查示范項(xiàng)目，項(xiàng)目初期，采用全孔取芯鉆進(jìn)工藝，用清水或無(wú)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(jìn)效率極低，單孔最快鉆進(jìn)為20d，遇孔內(nèi)事故或溶洞等復(fù)雜情況，最長(zhǎng)成孔時(shí)間長(zhǎng)達(dá)60d。鉆井工作完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易水文觀測(cè)、巖芯裂隙發(fā)育情況、水蝕痕跡等綜合分析，進(jìn)行抽水試驗(yàn)最終確定出水量。為了按期、保質(zhì)完成找水任務(wù)，往往只能通過(guò)一個(gè)供水井安排一臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行作業(yè)。該鉆進(jìn)工藝、工作手段存在眾多的弊端，主要表現(xiàn)為野外鉆探時(shí)間長(zhǎng)、成井率低、容易出現(xiàn)孔內(nèi)事故。

2014年開(kāi)始，我隊(duì)通過(guò)充分論證，決定采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝取代以往的全孔取芯鉆井工藝?？諝鉂摽族N鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)主要是鉆進(jìn)效率高，采取全面鉆進(jìn)，無(wú)需頻繁提鉆取芯，有時(shí)一個(gè)孔只需要一個(gè)回次就可完成，效率大大提高，同時(shí)應(yīng)用于供水井施工還有3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：一是該鉆進(jìn)工藝為無(wú)沖洗液鉆進(jìn)，地下水進(jìn)入鉆孔通道將不會(huì)受到泥漿材料和細(xì)小巖粉的堵塞；二是一旦鉆進(jìn)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(huì)對(duì)地下水造成污染；三是空氣鉆進(jìn)時(shí)，上返壓縮空氣具有負(fù)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(jié)構(gòu)

測(cè)量放線定位后，采用“分級(jí)跟進(jìn)鋼套管”的技術(shù)方法鉆進(jìn)，鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 巖溶找水鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 鉆具組合

開(kāi)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(dòng)力頭+B鉆桿+C導(dǎo)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(jiàn)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(dòng)力頭+B扶正器+C鉆桿+D扶正器+E沖擊器+F釬頭，見(jiàn)圖3。

圖3 普通潛孔錘鉆具組合示意圖

1.3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

空氣潛孔錘鉆進(jìn)原理，是將空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣能量通過(guò)沖擊器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。即空氣潛孔錘鉆進(jìn)過(guò)程中破碎巖石產(chǎn)生的高頻沖擊能量達(dá)到巖石臨界破碎功時(shí)巖石碎裂，同時(shí)工作后的氣體在一定的風(fēng)速條件下將巖石顆粒排出孔外以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)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(zhuǎn)速，是取得理想鉆進(jìn)效果的基本條件。

1.3.1 軸向壓力

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

1.3.2 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)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(xué)性質(zhì)有關(guān)。一般轉(zhuǎn)速選用20～45r/min，過(guò)高會(huì)造成鉆頭嚴(yán)重磨損、降低鉆進(jìn)效率。潛孔錘鉆進(jìn)是以沖擊碎巖為主,回轉(zhuǎn)改變鉆頭合金沖擊破巖的位置，避免重復(fù)破碎，因此，需要確定最優(yōu)沖擊間隔、合理轉(zhuǎn)速、沖擊頻率。

最優(yōu)沖擊間隔多采用2次沖擊間隔的轉(zhuǎn)角表示，三者之間的關(guān)系式如下：

式中：A——最優(yōu)轉(zhuǎn)角，（°）；

n——鉆具轉(zhuǎn)速，r/min；

f——沖擊頻率，次/min。

美國(guó)水井學(xué)會(huì)康伯爾認(rèn)為在硬巖中2次沖擊之間的最優(yōu)轉(zhuǎn)角為11°。由于使用中高壓沖擊器，通過(guò)前期鉆進(jìn)試驗(yàn)總結(jié)，硬巖層選用低轉(zhuǎn)速，軟巖層選用較高轉(zhuǎn)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(jī)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(yīng)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(jìn)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(shí)，風(fēng)量增加系數(shù)，其值與涌水量有關(guān)，一般按1.5系數(shù)計(jì)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(jìn)技術(shù)參數(shù)的選擇應(yīng)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(xiàng)

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

（1）注意觀察鉆進(jìn)中的異常情況。以下幾種情況應(yīng)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(dòng)厲害。處理方法：提動(dòng)鉆具，再緩慢下放，以較低鉆壓通過(guò)該區(qū)。四是孔口不返氣、鉆進(jìn)緩慢。應(yīng)反復(fù)上下提動(dòng)鉆具進(jìn)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(jìn)。

（2）送風(fēng)和停鉆“吹井”。鉆具接近井底0.2～0.3m時(shí)送風(fēng)，待風(fēng)返回井口后再開(kāi)車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具至井底，潛孔錘工作正常后方可按正常參數(shù)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)中根據(jù)速度、孔口排屑情況，應(yīng)適當(dāng)停鉆“吹井”保持孔內(nèi)清潔，預(yù)防潛孔錘活塞被卡住及防止過(guò)快磨損內(nèi)缸套和活塞。

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

（4）當(dāng)巖屑不能順利排出孔外時(shí)，需采用泡沫鉆進(jìn)，應(yīng)先送風(fēng)，再泵入泡沫溶液，以防循環(huán)系統(tǒng)堵塞時(shí)泡沫劑溶液進(jìn)入空壓機(jī)內(nèi)部造成設(shè)備事故。

（5）泡沫劑溶液送量超過(guò)30L/min，將影響沖擊器正常工作，應(yīng)分段清渣。即每進(jìn)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(zhuǎn)入正常鉆進(jìn)，以此循環(huán)。

（6）注意鉆頭情況。每次起下鉆時(shí)檢查潛孔錘連接、卡銷等關(guān)鍵部位，以防潛孔錘零部件脫落井內(nèi)；若一個(gè)錘頭不能鉆進(jìn)到預(yù)計(jì)井深，應(yīng)用2個(gè)以上相同規(guī)格的錘頭交替使用，防止錘頭長(zhǎng)時(shí)間磨損導(dǎo)致成孔孔徑不能滿足設(shè)計(jì)要求。

1.5 鉆進(jìn)效果

采用潛孔錘快速鉆井技術(shù)后，鉆進(jìn)效率得到大幅度提升，空壓機(jī)和沖擊器從中風(fēng)壓提升到高風(fēng)壓，效率進(jìn)一步提高，純鉆時(shí)效從常規(guī)鉆進(jìn)4m/h，提高到80m/h，基本實(shí)現(xiàn)200m以內(nèi)的井1d完成鉆孔，2d成井的目標(biāo)。2016年度實(shí)施的民生工程重慶市秀山縣官莊、膏田、峨溶3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的巖溶缺水區(qū)地下水供水示范項(xiàng)目，一臺(tái)鉆機(jī)僅用時(shí)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(shí)現(xiàn)快速鉆井的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

空氣潛孔錘鉆進(jìn)是國(guó)內(nèi)目前公認(rèn)的快速鉆井技術(shù)，有成熟的施工工藝。從空壓機(jī)、空氣管道、鉆機(jī)到?jīng)_擊器均有豐富的生產(chǎn)體系，充分發(fā)揮設(shè)備優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)快速鉆井，需要解決幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 縮短鉆進(jìn)過(guò)程中的輔助時(shí)間

潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)就是碎巖效率高，鉆進(jìn)速度快，但空壓機(jī)的功率大，單位時(shí)間能量消耗大，沒(méi)有合理的工藝配套，鉆進(jìn)過(guò)程中輔助時(shí)間長(zhǎng)，不僅影響鉆進(jìn)效率，成本也非常高。

2.1.1 鉆機(jī)選擇

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

2.1.2 地面風(fēng)管

從空壓機(jī)出口到鉆機(jī)接風(fēng)口，全部統(tǒng)一快速接頭，地面風(fēng)管采用軟管加快速接頭，可縮短接風(fēng)管的時(shí)間。

2.1.3 鉆進(jìn)流程優(yōu)化

機(jī)臺(tái)人員分工合作，從設(shè)備到場(chǎng)后的安裝調(diào)試到鉆進(jìn)工序，制定優(yōu)化的流程，分工負(fù)責(zé)，讓機(jī)臺(tái)每個(gè)人對(duì)自己的工作和程序熟練掌握，緊密配合，縮短輔助時(shí)間。

2.2 復(fù)雜地層的鉆進(jìn)方案

開(kāi)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(dá)到鉆進(jìn)和套管護(hù)壁同時(shí)完成。我隊(duì)專利技術(shù)潛孔沖擊錐能有效解決溶洞等復(fù)雜地層的鉆進(jìn)和護(hù)壁問(wèn)題。

2.3 空壓機(jī)和鉆具是提高效率的關(guān)鍵

潛孔錘鉆進(jìn)有低風(fēng)壓（0.7MPa）、中風(fēng)壓（1.2MPa）和高風(fēng)壓(≥2.4MPa）3種，隨著風(fēng)壓的增加，沖擊功和沖擊頻率均有較大提升，其鉆進(jìn)效率提升更加明顯。在巖溶找水工作中，采用了3.45MPa的高風(fēng)壓空壓機(jī)和沖擊器，鉆進(jìn)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(jī)能力和鉆孔參數(shù)選擇鉆桿直徑。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)，高風(fēng)壓潛孔錘是關(guān)鍵，通過(guò)高效的設(shè)備和工藝組合縮短輔助時(shí)間，還應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況配套相應(yīng)的鉆進(jìn)工藝，此項(xiàng)技術(shù)和配套裝備還可用于礦山救援生命通道的快速鉆進(jìn)。

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