核工業(yè)二四三大隊(duì) 內(nèi)蒙古 赤峰 024000

0 引言

地下水富含的區(qū)域又可視為含水層,含水層主要集聚在沉積巖層,沉積巖層在我國(guó)分布高達(dá)77．3%。含水層從空隙類型上分類主要分為孔隙含水層、裂隙含水層和喀斯特含水層。其中孔隙含水層主要是以沉積物為主,隸屬于沉積巖層。將孔隙含水層細(xì)分又可分為砂礫石含水層和砂含水層。砂礫石含水層中顧名思義含有礫石和沙土,結(jié)構(gòu)松散,構(gòu)造復(fù)雜,礫石直徑大小不一且堅(jiān)硬,在水井鉆探鉆進(jìn)過程中,礫石被剝落但沒有破碎,擁堵在孔底,無法排出和鉆進(jìn),并且對(duì)孔壁破壞較大。

近些年通過摸索,采用潛孔錘在砂礫石含水層進(jìn)行鉆進(jìn),對(duì)礫石沖擊破碎,實(shí)現(xiàn)工藝排渣要求,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的目的,從而使水井的鉆探工藝技術(shù)又向前跨進(jìn)一步。

1 砂礫石含水層的鉆探現(xiàn)狀

目前,砂礫石含水層鉆探由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜松散難以鉆進(jìn),并且孔底事故頻發(fā),成孔難度較大。為了防止砂礫石含水層中鉆進(jìn)孔底事故的發(fā)生,主要采用跟管鉆進(jìn)工藝,即在鉆進(jìn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)套管跟進(jìn)護(hù)壁,確?？焖?、安全、經(jīng)濟(jì)的鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)層位或深度,完成工程內(nèi)容。鉆進(jìn)的方式包括回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、打撈鉆進(jìn)和沖擊鉆進(jìn)。當(dāng)前,沖擊鉆進(jìn)主要是分為孔口沖擊和孔底沖擊兩種,孔口沖擊是鉆機(jī)動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆具進(jìn)行沖擊鉆進(jìn),孔底沖擊則是采用潛孔錘。利用潛孔錘采用同步跟管的方法實(shí)現(xiàn)偏心跟管鉆進(jìn)或同心跟管鉆進(jìn)?，F(xiàn)在潛孔錘類型主要分為氣動(dòng)潛孔錘和液動(dòng)潛孔錘兩大類。

2 潛孔錘介紹

2．1 潛孔錘開發(fā)的主要國(guó)內(nèi)外企業(yè) 潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)出現(xiàn)以來,世界各國(guó)都十分重視對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究,如瑞典的“ODEX”偏心擴(kuò)孔鉆進(jìn)法,德國(guó)的“土星”和“海王星”雙回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法,英國(guó)哈利克斯(HALIFAX)鉆具公司“sim－cas”跟管鉆進(jìn)系統(tǒng),芬蘭的Symmetrix潛孔錘跟管鉆具,美國(guó)英格索蘭公司的雙偏心鉆進(jìn)方法以及美國(guó)NUMA公司的SUPERJAWS跟管鉆具等。國(guó)內(nèi)較早有成都探礦工藝所的QG型跟管擴(kuò)孔鉆具和吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院探礦工程研究所研制的偏心擴(kuò)孔鉆具等,目前有無錫鉆探工具廠、無錫市雙帆鉆鑿設(shè)備有限公司、重慶探礦機(jī)械廠等生產(chǎn)該種類型鉆具。

2．2 潛孔錘鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

1)在松散巖層鉆進(jìn)時(shí)鉆速可提高15%－70%,其主要克服了在鉆進(jìn)過程中被鉆進(jìn)介質(zhì)在孔底未破碎,在孔底隨鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)的問題。通過潛孔錘震動(dòng)沖擊,實(shí)現(xiàn)對(duì)被鉆進(jìn)介質(zhì)的破碎。

2)對(duì)比常規(guī)水井施工工藝,在鉆進(jìn)成本上可節(jié)約鉆進(jìn)成本15%－20%,具體體現(xiàn)在鉆頭、鉆具消耗的減少,工程時(shí)間的也大幅的縮短,降低了材料、人工的消耗和利用。同時(shí)減少了孔底事故,降低了鉆探事故的損失;

3)鉆進(jìn)軌跡與預(yù)設(shè)吻合率較高、誤差小,直線度較好,形成的孔壁也比較規(guī)整。

2．3 氣動(dòng)潛孔錘的技術(shù)現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)外氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆具結(jié)構(gòu)形式很多,基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,由沖擊器、鉆頭、套管、套管靴或套管靴加外鉆頭組成。按鉆頭是否改變直徑可分為鉆頭變徑跟管鉆具和鉆頭不變徑跟管鉆具兩大類。

圖1．1所示為鉆頭變徑跟管鉆具,這類鉆具的鉆頭一般稱為跟管鉆頭,其上設(shè)有特定的變徑機(jī)構(gòu),不同結(jié)構(gòu)的變徑機(jī)構(gòu)使得跟管鉆頭的結(jié)構(gòu)不同且差異較大。在鉆進(jìn)時(shí),跟管鉆頭的直徑可增大到超過套管外徑一定尺寸,以便于套管能順利跟入;提鉆時(shí),跟管鉆頭的直徑可減小到超過套管內(nèi)徑一定尺寸,使鉆頭能隨鉆桿、沖擊器由套管內(nèi)提出。為使套管能隨跟管鉆頭順利跟入,在套管前端設(shè)置套管靴,套管靴內(nèi)部設(shè)置內(nèi)錐面臺(tái)階與鉆頭上設(shè)置的外錐面的臺(tái)階配合來傳遞一定沖擊能量。采用正循環(huán)的方式排渣,壓縮空氣由鉆桿中心孔輸入驅(qū)動(dòng)沖擊器工作,活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊能量經(jīng)鉆頭傳遞給前方的巖土使之破碎,沖擊器工作產(chǎn)生的廢氣將破碎的巖渣從孔壁與套管的間隙帶出鉆孔。由于套管隨跟管鉆頭跟入的過程中不回轉(zhuǎn),所以對(duì)鉆機(jī)的扭矩要求相對(duì)較低,鉆具的適應(yīng)性強(qiáng)。

圖1．2所示為鉆頭不變徑跟管鉆具,這類鉆具的內(nèi)鉆頭同沖擊器相連接,內(nèi)鉆頭直徑固定,外鉆頭與套管靴相連接或外鉆頭與套管直接相連接。鉆具的外套管通過內(nèi)管沖擊鉆頭帶動(dòng)回轉(zhuǎn),外套管為左螺紋,沖擊鉆頭通過錐面配合將潛孔錘的沖擊力傳給外套管。外套管在回轉(zhuǎn)力和振動(dòng)力的作用下與內(nèi)管鉆頭同步跟進(jìn)。鉆到預(yù)定深度后,反轉(zhuǎn)內(nèi)管一圈,使跟管鉆頭從外鉆頭中脫離出來,從內(nèi)管中提出,外管起護(hù)壁作用。這種鉆具在工作時(shí),內(nèi)外管同速回轉(zhuǎn),易造成內(nèi)外管之間的環(huán)狀間隙被巖粉堵塞或被大塊巖屑卡住,造成內(nèi)管反轉(zhuǎn)失靈,內(nèi)外管無法分離,這種方法需要大扭矩回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。

圖1 潛孔錘跟管鉆進(jìn)基本結(jié)構(gòu)

2．4 液動(dòng)潛孔錘基本結(jié)構(gòu) 液動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)機(jī)具,屬于鉆頭不變徑跟管鉆具,鉆具采用內(nèi)鉆頭同沖擊器相連接,內(nèi)鉆頭直徑固定,套管鉆頭與套管靴相連接。鉆具的外套管通過內(nèi)管沖擊鉆頭帶動(dòng)回轉(zhuǎn),外套管為左螺紋,沖擊鉆頭通過錐面配合將潛孔錘的沖擊力傳給外套管。外套管在回轉(zhuǎn)力和振動(dòng)力的作用下與內(nèi)管鉆頭同步跟進(jìn)。鉆到預(yù)定深度后,反轉(zhuǎn)內(nèi)管一定角度,使跟管鉆頭從外鉆頭中脫離出來,從內(nèi)管中提出,外管起護(hù)壁作用。這種鉆具在工作時(shí),內(nèi)管回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)的同時(shí)外套管只跟進(jìn)不回轉(zhuǎn),解決應(yīng)歸內(nèi)外管之間的環(huán)狀間隙,易被巖粉堵塞或被大塊巖屑卡住,造成內(nèi)管反轉(zhuǎn)失靈,內(nèi)外管無法分離等問題。

液動(dòng)潛孔錘采用雙作用閥式的結(jié)構(gòu),其工作原理如圖2所示:

當(dāng)鉆具到達(dá)孔底時(shí),由于鉆機(jī)動(dòng)力頭提供少量鉆壓,使活接頭f被壓緊到外套上的g處,這時(shí)工作腔d處的液流,分別作用在活閥2和塔形沖錘活塞6上,由于活閥上下端的壓差,迫使活閥上移到最上位置;由于沖錘活塞上、下兩端面積不同而產(chǎn)生的壓力差,迫使其也向上移動(dòng);當(dāng)沖錘活塞上行到與活閥接合時(shí),通道d1被關(guān)閉,沖錘活塞與活閥便一起急速下行,當(dāng)下行h時(shí),活閥被支撐座4限止,沖錘活塞與活閥分離,借助慣性作用繼續(xù)下行,下行到s時(shí),沖擊砧子9;由于沖錘活塞中心通道被打開,液流又恢復(fù)循環(huán),在液流壓力作用下,活閥急劇上升,沖錘活塞也急劇上行,周而復(fù)始進(jìn)行。

圖2 雙作用液動(dòng)潛孔錘工作原理圖

2．5 潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì) 根據(jù)巖石破碎的彈性理論,在一定預(yù)壓下的巖石沖擊破碎強(qiáng)度要比無預(yù)壓情況下低50%～80%。潛孔錘鉆進(jìn)比無預(yù)壓下的鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)效率高3～5倍以上。潛孔錘跟管鉆進(jìn)跟進(jìn)的套管,具有穩(wěn)定孔壁和保護(hù)孔口的作用,而且鉆進(jìn)、排渣和護(hù)壁同時(shí)進(jìn)行,可以很好地解決砂卵石等復(fù)雜地層鉆進(jìn)中護(hù)壁難的問題。在鉆孔完成后,潛孔錘可以從套管中順利提出,套管留在孔內(nèi),待完成濾水管鋪設(shè)等工作后,套管從鉆孔中提出或永久留在孔內(nèi)。

3 潛孔錘在水井鉆探應(yīng)用

目前在水井鉆探采用的潛孔錘技術(shù),主要是空氣潛孔錘,它的主要是以空氣作為驅(qū)動(dòng)、冷卻和排渣介質(zhì)。在我國(guó)的干旱地區(qū),采用該種辦法屬于首選辦法?？捎行p少在鉆井過程中對(duì)水的需要,但對(duì)空壓機(jī)的技術(shù)水平要求較高,空壓機(jī)要保證一定的壓力和流量要求,從設(shè)備成本上所占比重也較大。

就我國(guó)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)技術(shù)情況而言,潛孔錘主要有空氣潛孔錘、空氣泡沫潛孔錘,但由于動(dòng)力介質(zhì)的缺陷的因素,促使研發(fā)人員在液動(dòng)潛孔錘技術(shù)的進(jìn)一步摸索,并且在近些年也有較大的發(fā)展,同時(shí)我國(guó)也是液動(dòng)潛孔錘技術(shù)發(fā)展較為先進(jìn)的國(guó)家之一。盡管其不具備空氣類潛孔錘的優(yōu)勢(shì),但其功率更高,冷卻、效果更好,由于排渣介質(zhì)采用的是液體,憑借液體的浮力和粘性,攜渣能力更強(qiáng),更利于深孔鉆進(jìn)和較大孔徑的成孔,以及定向孔的鉆進(jìn),這也將大幅促進(jìn)輻射井的工藝技術(shù)進(jìn)步。

圖3 雙作用液動(dòng)潛孔錘工作流程示意圖

4 結(jié)論

潛孔錘雖然不是水井鉆探的唯一技術(shù)裝備,但憑借其針對(duì)性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)在未來的水井鉆探中將會(huì)發(fā)揮重要作用,其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在其他鉆探領(lǐng)域也得到了充分的驗(yàn)證。未來無論是氣動(dòng)潛孔錘還是液動(dòng)潛孔錘其加工工藝、使用工藝都會(huì)得到大幅度的技術(shù)提升。